II EL
AGUA
Agua y soluciones: Características de las moléculas de agua
Composición
y características de la molécula de agua
La
molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno
unidos por un enlace covalente. Es decir, los dos átomos de hidrógeno y el de
oxígeno se unen compartiendo electrones. Su fórmula es H2O.
Mediante análisis espectroscópico y de rayos X se ha determinado el ángulo de enlace entre el hidrógeno y el oxígeno, que es de 104.5°, y la distancia media entre los átomos de hidrógeno y oxígeno, que es de 96.5 pm o, lo que es lo mismo, 9.65·10-8 milímetros.
Mediante análisis espectroscópico y de rayos X se ha determinado el ángulo de enlace entre el hidrógeno y el oxígeno, que es de 104.5°, y la distancia media entre los átomos de hidrógeno y oxígeno, que es de 96.5 pm o, lo que es lo mismo, 9.65·10-8 milímetros.
La
disposición de los electrones en la molécula de agua le comunica asimetría
eléctrica por la diferente electronegatividad del hidrógeno y del oxígeno. La
electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer los electrones
compartidos en un enlace covalente.
Como el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, es más probable que los electrones, que poseen carga negativa, estén más cerca del átomo de oxígeno que del de hidrógeno, lo cual provoca que cada átomo de hidrógeno tenga una cierta carga positiva que se denomina carga parcial positiva, y el de oxígeno, una negativa, ya que tiene los electrones más cerca. Esto significa que el agua es una molécula polar, pues tiene una parte o polo negativa y otra positiva, aunque el conjunto de la molécula es neutro. De este carácter polar derivan casi todas sus propiedades fisicoquímicas y biológicas.
Cuando dos moléculas de agua están muy cerca entre sí se establece una atracción entre el oxígeno de una de las moléculas, que tiene carga parcial negativa, y uno de los hidrógenos de la otra molécula, que tiene carga parcial positiva. Una interacción de este tipo se denomina enlace o puente de hidrógeno, y las moléculas de agua se ordenan de tal modo que cada molécula puede asociarse con otras cuatro. Esta interacción es la que se da con el hielo.
Estos enlaces de hidrógeno se forman entre un átomo con carga parcial negativa y un hidrógeno con carga parcial positiva, por lo que no son exclusivos del agua. Se da también entre el nitrógeno, o el flúor, y el hidrógeno en otras moléculas como proteínas o el ADN.
En cuanto a las propiedades fisicoquímicas del agua podemos destacar la gran capacidad disolvente, su elevado calor específico y elevado calor de vaporización, gran cohesión y adhesión, densidad anómala y reactivo químico.
Como el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, es más probable que los electrones, que poseen carga negativa, estén más cerca del átomo de oxígeno que del de hidrógeno, lo cual provoca que cada átomo de hidrógeno tenga una cierta carga positiva que se denomina carga parcial positiva, y el de oxígeno, una negativa, ya que tiene los electrones más cerca. Esto significa que el agua es una molécula polar, pues tiene una parte o polo negativa y otra positiva, aunque el conjunto de la molécula es neutro. De este carácter polar derivan casi todas sus propiedades fisicoquímicas y biológicas.
Cuando dos moléculas de agua están muy cerca entre sí se establece una atracción entre el oxígeno de una de las moléculas, que tiene carga parcial negativa, y uno de los hidrógenos de la otra molécula, que tiene carga parcial positiva. Una interacción de este tipo se denomina enlace o puente de hidrógeno, y las moléculas de agua se ordenan de tal modo que cada molécula puede asociarse con otras cuatro. Esta interacción es la que se da con el hielo.
Estos enlaces de hidrógeno se forman entre un átomo con carga parcial negativa y un hidrógeno con carga parcial positiva, por lo que no son exclusivos del agua. Se da también entre el nitrógeno, o el flúor, y el hidrógeno en otras moléculas como proteínas o el ADN.
En cuanto a las propiedades fisicoquímicas del agua podemos destacar la gran capacidad disolvente, su elevado calor específico y elevado calor de vaporización, gran cohesión y adhesión, densidad anómala y reactivo químico.
El
agua es capaz de dispersar a un elevado número de compuestos en su seno debido
a su carácter polar. Así, con las sales, que son sustancias iónicas, la
molécula de agua orienta sus polos en función de las cargas de los iones,
oponiendo el polo negativo a los iones positivos (cationes de la sal) y el polo
positivo a los iones negativos (aniones de la sal). Con sustancias polares,
como el etanol, el agua actúa de modo parecido, oponiendo un polo frente al
polo de signo contrario de la sustancia.
El
calor específico es la cantidad de calor que hay que administrar a un gramo de
agua para elevar 1ºC su temperatura, mientras que el calor de vaporización es
la cantidad de calor que hay que aplicar a un gramo de líquido para que pase a
un gramo de vapor. El agua tiene elevado calor específico y de vaporización
debido a los puentes de hidrógeno, ya que para elevar su temperatura, las
moléculas de agua tienen que aumentar su vibración y, para ello, romper enlaces
de hidrógeno, mientras que para pasar un gramo de vapor.
Enlaces de hidrógeno, puntos de fusión y ebullición
El enlace de hidrógeno en el agua
Las
fuerzas intermoleculares en el agua son mucho mayores de lo que cabría esperar
de su composición. Esto puede ponerse de manifiesto si se estudian los puntos
de fusión o de ebullición de los hidruros de los anfígenos. El punto de fusión
del agua es mucho más alto de lo que debería y lo mismo ocurre con su punto de
ebullición, lo que indica que hay una fuerza intermolecular muy intensa entre
las moléculas de agua.
El enlace o puente de hidrógeno se produce cuando hay un
enlace covalente entre el hidrógeno y el flúor, el oxígeno o el nitrógeno. La
polaridad de este enlace, junto con el poco tamaño de los átomos que hace que
se puedan acercarse mucho, permiten al hidrógeno fluctuar de una molécula a
otra, aumentando su unión.
El puente de hidrógeno es una fuerza intermolecular muy
común en las sustancias biológicas y es responsable de muchas de las
propiedades y la estructura tridimensional de las biomoléculas, como proteínas
o ácidos nucleicos. De hecho, es la formación de puente de hidrógeno lo que da
su estructura al ADN y ocasiona que la base citosina esté siempre enfrentada
con la molécula de guanina y la de timina con la adenina en la doble hélice del
ADN.
Puntos de fusión de los hidruros del grupo
del oxígeno. (El agua debería congelar a menos de -100ºC)
Puntos de ebullición de los hidruros del grupo del oxígeno. (El
agua debería hervir a menos de -50ºC).
El agua como solvente
La
solubilidad depende de las propiedades de un solvente que le
permitan interaccionar con un soluto de manera más fuerte que como lo hacen las
partículas del solvente unas con otras. Es de todos conocido que el agua es “el
solvente universal”, pero esto no es del todo cierto; el agua ciertamente
disuelve muchos tipos de substancias y en mayores cantidades que cualquier otro
solvente. En particular, el carácter polar del agua la hace un excelente
solvente para los solutos polares e iónicos, que se denominan hidrofílicos (del
griego hydor, agua y philos, amante). Por
otra parte, los compuestos no polares son virtualmente insolubles en agua (“el
agua y el aceite no se mezclan”) y por lo tanto, son hidrofóbicos (del
griego fobos, temer). Los compuestos apolares, son
solubles en solventes no polares como el CCL4 (tetracloruro de
Carbono) o el hexano. Lo anterior puede resumirse en: “lo semejante
disuelve a lo semejante”
¿Porqué las
sales se disuelven en el agua? Las sales, como el NaCl (cloruro de
sodio) o el K2HPO4 (fosfato ácido de potasio), se
mantienen unidas por fuerzas iónicas. Los iones de una sal, como lo hacen
cargas cualesquiera, interactúan de acuerdo a la ley de Coulomb:
en donde F es
la fuerza entre las dos cargas eléctricas (q1 y q2),
que están separadas por una distancia r. D es la
constante dieléctrica del medio entre las cargas y k es una
constante de proporcionalidad (8.99 x 109 J·m·C-2).
A medida que
la constante dieléctrica del medio crece, la fuerza entre las cargas decrece.
La constante dieléctrica, es una medida de las propiedades de un solvente para
mantener cargas opuestas separadas. En el vacío, D = 1 y
en aire, es apenas un poco mayor. En la siguiente Tabla, se muestra la
constante dieléctrica de algunos solventes comunes, así como sus momentos dipolares permanentes.
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Solvente Constante Momento
dieléctrica dipolar
(D) (debye)
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Formamida 110.0 3.37
Agua 78.5 1.85
Dimetil sulfóxido 48.9 3.96
Metanol 32.6 1.66
Etanol 24.3 1.68
Acetona 20.7 2.72
Amoniaco 16.9 1.47
Coloroformo 4.8 1.15
Eter dietílico 4.3 1.15
Benceno 2.3 0.00
CCL4 2.2 0.00
Hexano 1.9 0.00
|
Tabla: Valores de constante dieléctrica
y momento dipolar para algunos líquidos.
La constante
dieléctrica del agua es la más alta de un líquido puro, por el contrario, la de
solventes no polares como los hidrocarburos, es relativamente pequeña. La fuerza entre dos iónes separados
por una distancia dada en un líquido no polar como hexano o benceno,
es 30 ó 40 veces mayor que en agua. Consecuentemente, en solventes
no polares (con D baja), los iones de cargas opuestas, se
atraen tan fuertemente que forman una sal, por el contrario, las fuerzas
débiles que existen entre los iones en agua (D alta), permiten que
cantidades significativas de iones permanezcan separadas.
Un ion negativo
inmerso en un solvente polar, atrae la parte positiva del dipolo del solvente y
viceversa, por ejemplo, en el agua:
El ion queda
rodeado por capas concéntricas de moléculas de solvente. A este fenómeno se le
denomina solvatación, en el caso específico del agua, hidratación. Este
arreglo atenúa las fuerzas coulómbicas entre los iones, de ahí que
los solventes polares tengan constantes dieléctricas tan elevadas.
En el caso
particular del agua, la constante dieléctrica es mayor que la de otros líquidos
con momentos dipolares comparables, por que los puentes de hidrógeno
entre las moléculas de agua permiten que los solutos se orienten de tal forma
que las estructuras formadas resisten movimientos causados por el incremento en
la temperatura, por lo cual, la distribución de cargas en mucho más efectiva.
La
solubilidad de las moléculas polares o iónicas en el agua, depende de los
grupos funcionales que contengan para formar puentes de hidrógeno: hidroxilos
(-OH), ceto(-C=O), carboxilo (-COOH) o amino (-NH2). Dentro de
las biomoléculas solubles en agua se encuentran alguna proteínas, ácidos nucléicos y
carbohidratos.
Soluciones acuosas
Una solución tiene dos componentes: el soluto y el
solvente, el soluto siempre esta en igual o menor cantidad que el solvente,
puede ser solido, liquido o gas y el solvente siempre esta en igual o mayor
cantidad que el soluto, también el solvente puede ser líquido, sólido o gas..
cuando hablamos de solución acuosa se refiere que el solvente es agua, y que la
solución esta formada por un soluto cualquiera (sal, azúcar etc) disuelto en el
solvente , que es el agua.
las soluciones alcalinas son aquellas que presentan un pH mayor que 7.5 hasta 14 o sea que su solución están los oxidrilos (OH-) en mayor concentración que los hidronios (H+)
las soluciones alcalinas son aquellas que presentan un pH mayor que 7.5 hasta 14 o sea que su solución están los oxidrilos (OH-) en mayor concentración que los hidronios (H+)
Propiedades, unidades de concentración
La concentración de una
solución es la medida de la cantidad de soluto presente en una cantidad de
solución (o disolvente). Existen varias maneras de describir la concentración
de una solución.
Unidades Físicas.
Porcentajes
Por definición el
porcentaje es la proporción (en partes) por cada 100 partes de un todo.
Si aplicamos este
concepto a las disoluciones podemos definir la concentración de una solución
como partes de soluto en 100 partes de solución. Las “partes” puedes ser expresadas
en Masa (g) o volúmenes (mL, L).
Si se disuelven 2 g de
NaCl en 98 g de Agua se obtienen 100 g de una solución que es 2 por ciento (%)
de masa (sal). Específicamente esta solución se describiría como 2 %
(peso/peso) de sal en agua [lo cual quiere decir que son 2 g (peso) en 100 g
(peso) de solución)]
Si una solucion tiene 5
L metanol (volumen) en un volumen total de 100 L tendremos una solución 5%
(volumen/volumen ó vol./vol.)
Otra posibilidad es
expresar el peso de soluto en 100 volúmenes de solución. Así una solución de
0,5 g (peso) en 100 mL (volumen) de solución sería una solución 0,5%
(peso/volumen ó P/V)
Unidades Quimicas de
Concentracion
Tambien se puede
expresar la concentración de una solución con unidades químicas aunque la idea
general es siempre expresar la cantidad de soluto en una cantidad de solvente
(o solución).
Fracción molar: Usando
el concepto de mol se puede expresar la concentración de una solución como la
cantidad de un componente i cualquiera (en moles) en la cantidad total de todos
los componentes de la solución (en moles):
Xi (fracción molar de
i) = moles de i / (moles de i + moles de j + moles de k +....) y que la suma de
Xi + Xj + Xk..... = 1
Molaridad
La molaridad (M) se
define como la cantidad de moles de soluto en un litro de solución M = moles de
soluto / volumen de solución (L)
Ácidos y bases débiles, soluciones tampón
Una solución buffer o tampón o amortiguadoraes una
mezcla de un ácido débil y una base débil, la cual se puede obtener mezclando
un ácido débil con una de sus sales correspondientes, “tampón ácido”, puesto
que el anión del ácido es una base débil. También se puede preparar la solución
amortiguadora mezclando una base débil con una de sus sales correspondientes
“tampón básico”. El ácido débil reacciona con una cantidad de OH- agregado,
mientras que el papel de la base débil es consumir el H+ que pueda haberse
introducido. Esto impide que se perturbe en mayor grado el equilibrio: H2O H+ +
OH- del cual dependa el PH mayor de la solución. El efecto amortiguador de
estas soluciones se presenta cuando se les agrega pequeñas cantidades de ácidos
fuertes o bases fuertes. El responsable de este efecto es una o más reacciones
que ocurren dentro del sistema y en las cuales se consume casi totalmente el
ácido o base agregados. Esta reacción puede determinarse fácilmente sobre la
base del equilibrio que predomina en el sistema aplicando el teorema de
Chatelier y teniendo en cuenta que siempre que un ácido esta en presencia de
dos bases reacciona con aquella que produzca la sustancia más estable o que
posee la menor constante de disociación y lo mismo puede decirse si se trata de
una base en presencia de dos ácidos. El ácido (ácido acético) reacciona al añadirse
una base, mientras que su base conjugada (ión acetato) reacciona al añadirse un
acido. La adición de cantidades relativamente pequeñas de ácidos y bases ejerce
poco efecto en el PH de la solución original.
Puesto que estas soluciones
impiden cambios comparativamente grandes en PH, se llaman soluciones
amortiguadoras. Estas soluciones no son especialmente sensibles a la adición de
pequeñas cantidades de un ácido o una base. Bases débiles (NH3) y sus ácidos
conjugados (NH4Cl) son también soluciones amortiguadorasuna mezcla de ácido acético y acetato de
sodio; o bien una base débil y la sal de esta base con un ácido
fuerte, por ejemplo, amoníaco
y cloruro de amonio.
Las soluciones amortiguadoras son importantesen
nuestros procesos vitales el PH de los jugos gástricos ayudan a la digestión de
los alimentos se mantienen entre 1.6 - 1.7 mediante la acción amortiguadora. La
saliva se mantiene a un PH de 8.0. La sangre mantiene con mucha exactitud entre
los límites del PH normal de 7.3 y 7.5 por un sistema complejo de soluciones
amortiguadoras que consisten en proteínas del suero que consta de aminoácidos
que contienen grupos ácidos (-COOH) y básicos (-NH2); iones de carbonato CO23-
y los iones de bicarbonato HCO3-; E iones de fosfato ácido (H2PO4 -) y de fosfato
básico HPO42 -. Por lo cual tienen múltiples aplicaciones, tanto en la
industria como en los laboratorios.
Se puede preparardisolviendo en agua cantidades
adecuadas de un ácido débil y una sal de su base conjugada, (o una base débil y
una sal de su ácido conjugado); también se puede obtener una solución
reguladora haciendo reaccionar parcialmente (por neutralización) un ácido débil
con una base fuerte, o una base débil con un ácido fuerte. Una vez formada la
solución reguladora, el pH varía poco por el agregado de pequeñas cantidades de
un ácido fuerte ó de una base fuerte, y pierde su capacidad reguladora por el
agregado de agua (dilución).
El pHo potencial hidrogenado es uno de los
procedimientos analíticos más importantes y más utilizados en bioquímica por la
razón de que esta medida determina características notables de la estructura y
la actividad de las macromoléculas biológicas por consiguiente la conducta de
las células y del organismo.
PH: el potencial hidrógeno (pH), el logaritmo
negativo de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es: PH=-log (H+) En
disoluciones diluidas en lugar de utilizar la actividad del ión hidrógeno, se
le puede aproximar utilizando la concentración molar del ión hidrógeno. Por
ejemplo, una concentración de [H+] = 1×10-7 M (0,0000001) es simplemente un pH
de 7 ya que: pH = -log [10-7] = 7. El pH típicamente va de 0 a 14 en disolución
acuosa, siendo las disoluciones con pH menores a 7 ácidas, y las tiene pH
mayores a 7, básicos. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (siendo
el disolvente agua). Se considera que p es un operador logarítmico sobre la
concentración de una solución: p = -log (...)
También
se define el
pOH, que mide la concentración de iones OH-. Puesto que el agua
está disociada en una pequeña extensión en iones OH- y H+, tenemos que: Kw =
[H+][OH-]=10-14, en donde [H+] es la concentración de iones de hidrógeno, [OH-]
la de iones hidróxido, y Kw es una constante conocida como producto
iónico del agua.
Por lo tanto, Log Kw = log [H+]
+ log [OH-] -14 = log [H+] + log [OH-] pOH = -log [OH-] = 14 + log [H+]. Por lo
que se puede relacionar directamente el valor del pH con el del pOH. En
disoluciones no acuosas, o fuera de condiciones normales de presión y
temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la disolución es
neutra estará relacionado con la constante de disociación del disolvente en el
que se trabaje.
Medición DEL pH: El
valor del pH se puede medir de forma precisa mediante un pH metro, un
instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un
electrodo de referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo
de vidrio que es sensible al ión hidrógeno.
También
se puede medir de forma aproximada el pH de una disolución empleando
indicadores, ácidos
o bases débiles que presentan diferente color según el pH. Generalmente se emplea papel indicador,
que se trata de papel impregnado de una mezcla de indicadores.
Amortiguadores biológicos
Los
amortiguadores son sistemas acuosos que tienden a resistir los cambios en el pH
cuando se les agregan pequeñas cantidades de ácido (H+) o base (OH-).
Un sistema
amortiguador consiste de un ácido débil (dador de protones) y su base conjugada
(aceptor de protones). Por ejemplo una mezcla de concentraciones iguales de
ácido acético e ion acetato,
que se encuentra en el punto medio de las graficas
anteriores en un sistema amortiguador.
Nótese que la
capacidad amortiguadora de los ácidos débiles varía y para los mostrados en las
gráficas anteriores. Para el ácido acético es de 3.76 a 5.76 unidades de pH;
para el fosfato dihidrogenado es
de 5.86 a 7.86 unidades de pH y para el amoniaco es de 8.25 a 10.25 unidades de
pH.
La capacidad
amortiguadora va una unidad por arriba y una por debajo de su pKa,
pues es precisamente en esta región en donde el agregar H+ u OH- tiene menor efecto.
En esta región
los dos equilibrios que existen en la solución, la disociación del agua y la
del ácido en cuestión, balancean las concentraciones agregadas de ácido o base,
de tal manera que la suma de los componentes de las reacciones no varía, solo
lo hace su relación de acuerdo con:
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