Agua, Iones y SolucionesProf. Julio C. Snchez TonohuyeCiencias Dinmicas UNMSM

Agua H2OMolcula muy conocida, pero an no est totalmente comprendida.Sinnimo de vida: es esencial en la estructura y metabolismo celular.Propiedades excepcionales: p.e. efecto hidrfobo y protenas, ADN, lpidos.

1781: PRIESTLEY, sntesis por combustin de hidrgeno. LAVOISIER-CAVENDISH: H y O1805: Gay-Lussac-von Humboldt:H/O=2/1

Agua: distribucin97% en los ocanos.03% en glaciares y tmpanos (aprox. el 10% de la superficie de los continentes). 0.6% agua fresca de uso directo.EL CICLO DEL AGUA SE DA POR LA ABSORCIN DE LA ENERGA SOLAR.

83% del agua evaporada procede de los ocanos.76% retorna a ocanos como lluvia.

Transferencia neta hacia los continentesEn continentes precipita ms agua de la que se evapora.Retorno a ocanos por los ros.

EL AGUA RESIDE EN LA ATMSFERA DE 9 A 11 DAS.

Es el principal componente de los organismos vivos.

COMPOSICIN CORPORAL: ~ 70%

Ejm. 70k. 52.5 litros

Recambio (turnover) es < 5% del agua total corporal (ACT)

Variaciones:

EDADDIETAHORA DEL DA

2/3 INTRACELULAR

1/3 EXTRACELULAR IntravenosaInsterticial

ESTUDIOS DE RMN EN CLULAS.

Estructura del agua

La molcula de agua est formada por dos tomos de H enlazados covalentemente a un tomo de O covalentes. La disposicin tetradrica de los orbitales sp3 del oxgeno determina un ngulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104.5 El oxgeno es ms electronegativo que el hidrgeno y atrae con ms fuerza a los electrones de cada enlace.

Agua: dipoloTiene una carga total neutra (igual nmero de protones que de electrones ), Presenta una distribucin asimtrica de sus electrones (molcula polar): alrededor del oxgeno se concentra una densidad de carga negativa , los ncleos de hidrgeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.ES UN DIPOLO

Una condicin para formar

Interacciones dipolo-dipolo

Enlaces o puentes de hidrgeno

La carga parcial negativa del oxgeno de una molcula ejerce atraccin electrosttica sobre las cargas parciales positivas de los tomos de hidrgeno de otras molculas adyacentes.

Movimientos del AguaRotacinOscilacin-vibracinDifusin-desplazamiento

Propiedades del agua

1. Accin disolvente universal??? El agua es el lquido que ms sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal???. Capacidad para formar puentes de hidrgeno con otras especies qumicas que pueden presentar grupos polares o con carga inica ( alcoholes, azcares con grupos R-OH , aminocidos y protenas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares . Tambin las molculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones inicas.

MOLCULA INTEGRADORA

2. Elevada fuerza de cohesin. Los puentes de hidrgeno mantienen las molculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un lquido casi incomprensible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrosttico, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presin generada por sus lquidos internos.

3. Elevada fuerza de adhesin puentes de hidrgeno que se establecen entre las molculas de agua y otras molculas polarescon la cohesin -fenmeno de la capilaridad.

Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, sta asciende por el capilar como si trepase agarrndose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presin que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presin capilar. A este fenmeno se debe en parte la ascensin de la savia bruta desde las races hasta las hojas, a travs de los vasos leosos.

3. Gran calor especfico Tambin en relacin con los puentes de hidrgeno que se forman entre las molculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de calor (energa) que utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. P.e. temperatura constante en seres vivos.

4. Elevado calor de vaporizacin tambin los puentes de hidrgeno.Para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las molculas de agua de la suficiente energa cintica para pasar de la fase lquida a la gaseosa. Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 caloras, a una temperatura de 20 C.

TRANSFERENCIAS PROTNICAS5. Ionizacin del agua Disociacin del agua TRANSFERENCIAS PROTNICAS

El agua pura tiene la capacidad de disociarse en iones, por lo que en realidad se puede considerar una mezcla de : agua molecular (H2O ) protones hidratados (H3O+ ) e iones hidroxilo (OH-)

Esta disociacin es muy dbil en el agua pura, y as el producto inico del agua a 25C es:

disolucin neutra pH = 7 disolucin cida pH < 7 disolucin bsica pH > 7

smosis

smosis y presin osmtica

Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentracin separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto ), se produce el fenmeno de la smosis que sera un tipo de difusin caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a travs de la membrana semipermeable desde la solucin ms diluida ( hipotnica ) a la ms concentrada (hipertnica ), sto continuar hasta que las dos soluciones tengan la misma concentracin ( isotnicas o isoosmticas ). smosis

Presin OsmticaLa presin que sera necesaria para detener el flujo de agua a travs de la membrana semipermeable.

X

CO2Transporte electrnicoATPH2OEnerga del O2ENERGA PROTNICA

Energa de los puentes de hidrgeno:

~ 21 Kj/molAgua lquida: el 80% de la energa de unin lo determina los p. de hidrgeno.(el 20%: atracciones dipolo-dipolo intermolecular)

SLIDOLQUIDOGASEOSOAGUA ESTRUCTURADA

Agua a 1 atmsferaPunto de congelacin: 0CPunto de fusin:0C (T en la cual pueden coexistir el estado slido y lquido).Punto de ebullicin: 100C (T en la que la presin de vapor es igual a la presin externa).Presin de vapor

Presin de vaporPresin de las molculas que se desprenden de la superficie del lquido.Depende de las fuerzas atractivas entre las molculas (H2O: p.de h.)

Presin de vapor

Tensin Superficial: 72.8 dinas/cm

Calor latente de fusin: 79.7 cal/g

Densidad del aguaA 4C tiene la mxima densidadA ms de 4C es menorA menos de 4C es menor

El hielo flota en agua lquidaImportante para la vida

Puente de HidrgenoEnlace de la vidaHO HNRelacin electrostticaH-O : 80-100 Kcal/molHO : 3-5 Kcal/molPuente dbil (importancia biolgica)Termoestable a T ambiental

Puente de HidrgenoPermite conformar grupos de molculasEs bifurcadoCondiciones:Momento dipolar elctricoUno (o ms) dobletes electrnicos libres (O,N)

Puente de HidrgenoRuptura-reconstitucin permanentePuente de hidrgeno (DBIL)Dbilfuerte

Agua UnstirredAgua que recubre todas las superficies(interacciones puentes de hidrgeno y dipolo-dipolo).

SolucinEs una mezcla homognea de dos o ms substancias, en donde aquella que se encuentra en mayor cantidad se denomina SOLVENTE y las dems, SOLUTOS. Tratndose del medio ambiente, la mayora de las soluciones de inters, son soluciones en las que el solvente es el AGUA.

SolutosPueden clasificarse como Substancias Electrolticas y No Electrolticas.

Soluciones

Soluciones

Mezclas Homogneas y Mezclas Heterogneas.Las mezclas homogneas se conocen mas genricamente como Soluciones y las dems, como mezclas propiamente dichas. Existen sin embargo algunos materiales que tienen propiedades intermedias entre las mezclas heterogneas y las mezclas homogneas; estos sistemas se conocen como Coloides o Suspensiones.

Sistemas Coloidales

Los Coloides son sistemas heterogneos formados por una fase dispersante y una o ms fases dispersas. Estos sistemas difieren de las soluciones verdaderas en el tamao de partcula de la fase dispersa. As, en un sentido general, cuando se habla de soluciones el tamao de las partculas o molculas de soluto es siempre inferior a dos 2 nm, En los sistemas coloides las partculas dispersas tienen un tamao que vara entre los 2 y los 2.000 nm.

Una de las consecuencias fsicas de esta diferencia de tamao consiste en que los sistemas coloidales dispersan la luz, (efecto Tyndall), mientras que las soluciones verdaderas no.

Sistemas Coloidales

Efecto Tyndall

Sistemas ColoidalesEn los sistemas coloidales el tamao de partcula no es constante sino que vara dentro de un amplio rango y la afinidad fase dispersa fase dispersante, puede o no existir.

Soluciones, Propiedades Coligativas

Las propiedades coligativas, (o colectivas), de las soluciones, son aquellas que dependen exclusivamente de la concentracin de partculas en la solucin, es decir del nmero de partculas de soluto, por unidad de volumen de solvente o de solucin, independientemente de su naturaleza.Independientemente de que dichas partculas sean tomos, iones o molculas.

Para el caso particular de las soluciones acuosas, las principales propiedades coligativas son:

Reduccin de la presin de vapor:Los solutos slidos disminuyen la presin de vapor del agua en la solucin, como consecuencia de la disminucin de la cantidad de molculas de agua en la superficie de la solucin. Dicha disminucin es directamente proporcional a la concentracin del soluto.

La disminucin del punto de fusin:El punto de fusin de un lquido es la temperatura a la cual este, adquiere el ordenamiento cristalino del slido correspondiente. Dicho ordenamiento es termodinmicamente ms estable, cuanto menor es el nmero de partculas que obstruyen la red slida, es decir, cuanto menor es la concentracin del soluto en la solucin.

Presin Osmtica:

Cuando se pone en contacto una solucin acuosa y agua pura, a travs de una membrana selectivamente permeable al agua, se observa un flujo de agua a travs de la membrana y en ambos sentidos; La tendencia hacia la igualacin de las concentraciones har que el agua fluya preferencialmente desde el reservorio de agua pura hacia la solucin, con el objeto de igualar por dilucin estas dos concentraciones. La fuerza de esta tendencia se manifiesta en que el nivel o volumen lquido de la solucin aumentar en relacin con el volumen en el reservorio del agua. A la diferencia de altura obtenida cuando se alcanza el equilibrio es a lo que se le conoce como presin osmtica:

Expresin de la Concentracin de una Solucin soluciones diluidas, concentradas, saturadas o sobresaturadas

Molaridad, el Porcentaje Peso a Volumen, el Porcentaje Peso a Peso y las Partes por Milln.

La MolaridadEs el nmero de moles de soluto que se hallan contenidos en un litro de solucin y se representa por M. As, por ejemplo, una solucin 0,01 M es una solucin que contiene 0,01 moles de soluto en cada litro de solucin. Una solucin 2,0 molar es una solucin que contiene 2,0 moles de soluto por cada litro de solucin.

Porcentaje Peso a Peso El porcentaje Peso a Peso es una relacin que expresa los gramos de soluto que se hallan contenidos en cada 100 gramos de solucin.

Porcentaje Peso a Volumen

Es una relacin que expresa los gramos de soluto que se hallan contenidos en cada 100 mililitros de solucin.

Las Partes por MillnRelacin que expresa las partes de soluto que se hallan contenidas en un milln de partes de solucin.

As, las partes por milln son equivalentes a los gramos de soluto por metro cbico de solucin,los gramos de soluto por tonelada de solucinlos miligramos de soluto por kilogramo de solucin.

IONCuando se agregan o eliminan electrones a un tomo o molcula neutros.Partcula cargadaCatin: carga neta positivaAnin: carga neta negativa

tomo de Sodio Na: 11 p, 11 eIn de Sodio Na+: 11 p, 10 e

Compuesto inicoFormado por cationes y aniones

Energa de ionizacinEs la mnima energa requerida para quitar un electrn de un tomo gaseoso en su estado fundamental.Se mide en Kj/mol.Es la cantidad de enrga en Kj que se necesita para quitar un mol de electrones de un mol de tomos gaseosos (o iones).La ionizacin es un proceso endergnico.

Radio InicoCuando un elemento gana o pierde electrones se transforma en un ion, y el valor de su radio ionico es diferente el valor del radio atmico anteriormente analizado.

El radio inico es, al igual que el radio atmico, la distancia entre el centro del ncleo del tomo y el electrn estable ms alejado del mismo, pero haciendo referencia no al tomo, sino al in. Se suele medir en picmetros (1 pm=10-12 m o Angstroms (1 =10-10 m).

En el caso de cationes, la ausencia de uno o varios electrones diminuye la fuerza elctrica de repulsin mutua entre los electrones restantes, provocando el acercamiento de los mismos entre s y al ncelo positivo del tomo del que resulta un radio inico menor que el atmico.

En el caso de los aniones, el fenmeno es el contrario, el exceso de carga elctrica negativa obliga a los electrones a alejarse unos de otros para restablecer el equilibrio de fuerzas elctricas, de modo que el radio inico es mayor que el atmico.

Radio inicoNa+ 0.95 AK+ 1.33 ACl- 1.81

Gracias por su atencinJulio C. Snchez Tonohuye

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