Soluciones acuosas. Importancia del agua. Patricio Muñoz Torres n Lugar donde se inició y ocurre la vida.

Transcripción

1 Soluciones acuosas Patricio Muñoz Torres Importancia del agua n Lugar donde se inició y ocurre la vida. n Diversas propiedades como disolvente, debido a su cohesión interna. n Las estructuras de las macromoléculas son consecuencia de su interacción con el agua. n Los procesos biológicos se realizan en soluciones acuosas y dependen de las propiedades físico-químicas de esta.

2 Estructura e interacciones n Geometría angular: distancia de enlace 0,96 A y un ángulo H-O-H de 104,5. n Enlace de carácter iónico debido a la diferencia de electronegatividad entre los átomos de H y O. n Molécula altamente polar: distribución de carga positiva en los átomos de H y negativa sobre el átomo de O (dipolo eléctrico). Estructura e interacciones n Las moléculas de agua se asocian mediante enlaces (puente) de hidrógeno, el cual ocurre entre un grupo dador de H débilmente ácido (N- H u O-H) y un átomo aceptor débilmente básico y que posee un par de electrones disponibles (N u O). n Puente de H del agua: atracciones electrostáticas entre los dipolos de dos moléculas de agua. n Distancia 1,8 A (menor a la distancia de van der Waals, 2,6 A). n Energía de enlace ~20 kj/mol (menor respecto al enlace covalente ~460 kj/ mol).

3 Estructura e interacciones n Cada molécula de agua está rodeada tetraédricamente por cuatro moléculas más próximas. n Dos enlaces el átomos de O es dador de H y en los otros dos es aceptor. n Su estructura abierta hace que aumente tu volumen al congelarse (agua sólida es menos densa que su forma líquida). n Al derretirse el hielo, el agua va perdiendo su estructura (y así a medida que se aumenta la temperatura). Agua como disolvente n Disolvente universal : ya que disuelve muchos tipos de sustancias y en mayor cantidad, respecto a otros solventes. n Por su carácter polar disuelve compuestos iónicos y polares. n Hidrofóbico: insoluble en agua. n Hidrofílico: soluble en agua. n Anfipático: poseen una región polar y otra apolar (ejemplo: fosfolípidos).

4 Agua como disolvente n Las sales iónicas se mantienen reunidas por fuerzas electrostáticas, cuya fuerza, F, está definida por la ley de Coulomb: F = k * Q1 * Q2 D * r 2 Q1 y Q2 son las cargas, que se hayan separadas por la distancia, r. D es la constante dieléctrica del medio. n La D del agua es muy alta, mientras que las de sustancias no polares es baja. n Cuando D es pequeña, las cargas opuestas se atraen y forman sales. n Cuando D es alta, la F se debilita y los iones permanecen separados. Agua como disolvente n Un ión en agua, atraerá el extremo del dipolo con carga opuesta y se rodeará de capas concéntricas del solvente. Se dice que el ión se ha solvatado, y en el caso del agua se ha hidratado. n La solubilidad de compuestos orgánicos en agua aumenta al incluir grupos hidroxilo, ceto, carbonilo o aminos, ya que pueden formar puentes de H con el agua.

5 Agua como disolvente n Muchas moléculas biológicas tienen r e g i o n e s p o l a r e s y a p o l a r e s (anfipáticas), por lo que el agua tiende a hidratar la porción hidrofílica y a excluir la hidrofóbica. n Anfifilos se disponen ordenadamente en agua formando micelas o bicapas. n Interacción hidrofóbica: ocurre cuando zonas apolares interactúan entre si debido a su exclusión por la presencia de solventes polares. Interacciones débiles y sin dirección. Responsable de la integridad estructural de macromoléculas biológicas. Reacciones ácido-base n Arrhenius: un ácido y una base son sustancias capaces de donar protones (H + ) e iones hidróxido (OH - ), respectivamente. n Bronsted y Lowry: un ácido es una sustancia capaz de ceder protones y una base es la que acepta protones: Ácido acético HA + H 2 O H 3 O + + A - n Al reaccionar un ácido y una base se forma un ácido conjugado y una base conjugada. La participación del agua se considera implícita, por lo que H 3 O + se abrevia como H +. Amoniaco

6 Reacciones ácido-base n Ácido fuerte: altas constantes de disociación (mayor que la del H 3 O + ) y se hallan ionizados casi completamente en agua. Ej: HCl, H 2 SO 4. n Base fuerte: se disocia completamente en agua. Ej. NaOH, KOH. Aceptan H +. Ácido acético n Ácido débil: bajas constantes de disociación (menor que la del H 3 O + ) y están parcialmente ionizado en soluciones acuosas. Ej. ácido acético. n Base débil: parcialmente ionizado en soluciones acuosas. Ej. jabones. Amoniaco Reacciones ácido-base

7 Reacciones ácido-base Constante de disociación, K: K = [H 3 O+ ][A - ] [HA][H 2 O] Soluciones acuosas diluidas [H 2 O] = 55,5 M y K se transforma en K a : Para la disociación del agua: K a = [H+ ][A - ] [HA] H 2 O H + + OH - K = [H+ ][OH - ] [H 2 O] K w = [H + ][OH - ] A 25 C K w es M y el agua pura debe contener igual cantidad de H + y OH - y (K w ) 1/2 = 10-7 M. Cuando [H+] = 10-7 M la solución es neutra; [H+] > 10-7 M es ácida; y [H+] < 10-7 M es básica. ph = -log[h+] Cuando ph = 7 la solución es neutra; ph > 7 es básica; y ph < 7 es ácida. Reacciones ácido-base El ph de una solución está determinado por las concentraciones relativas de ácidos y de bases. K = [H+ ][A - ] [HA] [H+] = K [HA] [A-] -log[h+] = -logk + log [A-] [HA] /-log ph = pk + log [A-] [HA] Ecuación de Henderson- Hasselbach

8 ph fluidos comunes Soluciones amortiguadoras n Son soluciones con la capacidad de evitar cambios de ph cuando se agrega un ácido o una base. n Importantes desde el punto de vista biológico, ya que evitan variaciones pequeñas de ph (perjudiciales para el buen funcionamiento de un organismo). n Punto de equivalencia: [HA] = [A-] y p H = p K a y e l p H e s prácticamente insensible a la adición de ácidos o bases fuertes.

9 Soluciones amortiguadoras El rango de amortiguación se encuentra en +1 el valor del pka del amortiguador. Soluciones amortiguadoras Amortigua el ph intracelular Amortigua el ph sangre

10 Sistema amortiguador Fosfato n Las dos especies del sistema fosfato son: dihidrógeno de fosfato (H 2 PO 4- ) y monohidrógeno de fosfato (HPO 4-2 ). n Cuando disminuye el ph (aumenta [H + ]), el equilibrio se desplaza hacia la izquierda. n Cuando aumenta el ph (disminuye [H + ]), el equilibrio se desplaza hacia la derecha. n Es el amortiguador celular más importante. n Amortiguador en la orina, ya que los H + excretrados se encuentran en forma de H 2 PO 4-. n En acidosis prolongada, los huesos disocian el fosfato cálcico y el fosfato se convierte en H 2 PO 4-. Sistema amortiguador Bicarbonato n Sistema efectivo en animales con pulmones. n Consta de 3 equilibrios reversibles. n Bajas cantidades de CO 2 se transforman en H 2 CO 3, su pka es 6,1. n Amortigua a 7,4 al mantener muy bajas las concentraciones de CO 2 (20 veces más baja que la de HCO 3- ).

11 Sistema amortiguador Bicarbonato Los pulmones no logran eliminar el CO 2. Causada por hipoventilación Los pulmones eliminan rápidamente CO 2. Causada por hiperventilación Se acumulan compuestos ácidos en la sangre. Ej: H +, cuerpos cetónicos Se acumulan compuestos bicarbonato o disminuyen los H +. Sistema amortiguador Hemoglobina n Amortiguador más importante en eritrocitos. n Excelente amortiguador porque se encuentra en altas concentraciones en la sangre y por la alta cantidad del aminoácido histidina en su estructura (38 unidades, cadena lateral imidazol). n El imidazol atrae los H + y los saca o dona de los fluidos corporales. n Otras proteínas con histidina también pueden amortiguar el ph (albúmina).

12 Amortiguadores biológicos Amortiguadores biológicos

13 Ácidos polipróticos n Sustancias portadoras de más de un grupo ácido-base. Ej. H 3 PO 4 o H 2 CO 3. n Poseen varios valores de pka, uno para cada etapa de ionización, los cuales no son independientes uno del otro. La disociación de un protón, inhibe la disociación del siguiente, por lo que este último tiene un pka más alto. n Ácido oxálico y ácido succínico s o n e j e m p l o s d e á c i d o s polipróticos. H 3 PO 4 Ácido oxálico Muchas gracias Patricio Muñoz Torres patricio.munozt@gmail.com