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Biol 3051 - Capítulo 3 Agua y sus propiedades

Dr. Fernando J. Bird-Picó 2016 1

Capítulo 3:El agua y la aptitud del

ambiente y la vidaDr. Fernando J. Bird-Picó

Departamento de BiologíaRecinto Universitario de Mayagüez

La Molécula que apoya y sostiene toda la vida

• El agua es el medio biológico de la Tierra

• Todos los organismos vivientes requieren del agua más que cualquier otra sustancia

• La mayoría de las células están rodeadas de agua, y éstas a su vez tienen una composición de 70–95% de agua

• La abundancia del agua es la razón principal por la cual la Tierra es habitable

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La polaridad de la molécula de agua tiene como resultado la formación de enlaces de hidrógeno

• El agua es una molécula polar : Los lados opuestos de la molécula poseen cargas opuestas

• Esta polaridad permite que las moléculas de agua formen puentes de hidrógenos entre sí.

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Figure 3.2

δ−

δ−

δ−δ−

δ+

δ+

δ+

δ+

Enlaces (puentes)de Hdrógeno

Enlaces covalentespolares

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Cuatro propiedades emergentes del agua contribuyen a que la Tierra sea apta para la vida

• Propiedades del agua que facilitan un ambiente para la vida:

– Comportamiento Cohesivo (fuerza cohesiva)

– Habilidad para moderar temperaturas

– Expansión cuando se congela

– Versatilidad como solvente

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Cohesión

• De forma colectiva, los enlaces de hidrógeno mantienen a las moléculas de agua unidas (juntas), un fenómeno llamado cohesión

• La cohesión ayuda al transporte del agua en las plantas en contra de la fuerza de gravedad

• La adhesión e s una fuerza de atracción entre sustancias diferentes, por ejemplo, entre el agua y las paredes de las células vegetales

Animación: Transporte agua en plantas

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Células que transportan

agua

Adhesión

Cohesión

Direccióndel movimientode agua

Figure 3.3

300 µm

H2O

H2OH2O

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• Tensión de superficie es una medida de cuán difícil es romper la superficie de un líquido

• Esta tensión de superficie esta relacionada a la fuerza de cohesión

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Modulación de la temperatura

• El agua absorbe calor del aire caliente y libera este calor almacenado al aire frío

• El agua es capaz de absorber o liberar una gran cantidad de calor con un cambio mínimo en su propia temperatura

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Calor y Temperatura

• La energía cinética es la energía del movimiento

• El calor es una medida de la cantidad total de energía cinética debida a movimiento molecular

• La temperatura mide la intensidad de calor debida al promedio de la energía cinética de las moléculas

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• La escala Celsius es una medida de temperatura (°C)

• Una caloría (cal) es la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1 gramo de agua 1°C

• Las “calorías” en los empaques de comida son verdaderamente kilocalorías (kcal), en donde 1 kcal = 1,000 cal

• El joule (J) e s otra unidad de energía en donde 1 J = 0.239 cal, o 1 cal = 4.184 J

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El agua posee un calor específico alto

• El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria que se debe absorber o liberar para cambiar la temperatura de 1 g de esa sustancia por 1ºC

• El calor específico del agua es 1 cal/g/ºC

• El agua es resistente a cambios rápidos en su temperatura debido a ese valor de calor específico alto.

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• El valor alto de éste calor específico del agua se puede trazar a los enlaces de hidrógeno:

– Se absorbe (aplica) calor cuando se rompen los enlaces de hidrógeno (evaporación)

– Se libera (sustrae) calor cuando se forman los enlaces de hidrógeno (congelación)

• Este valor alto de calor específico del agua minimiza las fluctuaciones en temperatura a unos límites que permiten la existencia de la vida

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Fig. 3-5

San Diego 72 °

40 millas

Océano Pacífico

70s (°F)

80s

90s

100s

Santa Barbara 73 °

Los Angeles(Aeropuerto) 75 °

Burbank90°

San Bernardino100°

Riverside 96 °Santa Ana

84° Palm Springs106°

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Enfriamiento Evaporativo

• Evaporación es la transformación de una sustancia de su estado líquido a gaseoso

• Calor de evaporización es la cantidad de calor que un líquido debe absorber para que 1 g del mismo sea convertido a gas

• A medida que un líquido se evapora, la superficie remanente del mismo se enfría, un proceso llamado enfriamiento evaporativo

• El enfriamiento evaporativo del agua ayuda a estabilizar la temperatura en los organismos y en cuerpos de agua

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Aislamiento de cuerpos de agua por hielo flotante

• El hielo flota en el agua líquida porque los enlaces de hidrógeno en el hielo estan ordenados, haciendo el hielo menos denso

• El agua alcanza su densidad máxima a los 4°C

• Si el hielo se hundiese, todos los cuerpos de agua eventualmente se congelarían del fondo a la superficie, haciendo la vida en la Tierra imposible

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• El agua la encontramos en varios estados físicos como gas, líquido, o sólido

• Los enlaces de hidrógeno se forman y se establecen nuevamente a medida que el agua cambia de estado físico.

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Fig. 3-6

Enlaces dehidrógeno

Agua en forma líquidaEnlaces de hidrógeno se rompen

y se forman continuamente

HieloEnlaces de hidrógeno estables

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El solvente de la Vida

• Una solución es un líquido que es una mezcla homogénea de sustancias

• Un solvente es el agente disolvente en una solución

• El soluto es la sustancia que es disuelta

• Una solución acuosa es una en la que el agua es el solvente

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• El agua es un solvente versátil debido a su polaridad, que le permite establecer puentes de hidrógeno fácilmente

• Cuando un compuesto iónico se disuelve en agua, cada ión es rodeado por una esfera de moléculas de agua llamada la capa de hidratación

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Figure 3.7

Na+

Na+

Cl– Cl−

++

+

+ +

+

+

+

−

−−

− −

−

−−

−

−−

Hidratación

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• El agua también puede disolver compuestos de moléculas polares no-iónicas

• Aún moléculas polares de gran tamaño como las proteínas se pueden disolver en agua si poseen regiones iónicas y polares en su estructura

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Fig. 3-8

(a) Molécula de lisozima en ambiente no-acuoso

(b) Molécula de lisozima (púrpura) en ambienteacuoso

(c) Las regiones iónicas yPolares en la proteína atraenLas moléculas de agua

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Sustancias hidrofílicas e hidrofóbicas

• El agua facilita las reacciones químicas:

– Hay substancias hidrofílicas —interactúan con agua fácilmente (sal de mesa)

– Hay substancias hidrofóbicas — aquellas que no se mezclan o disuelven en agua (grasas, aceites, ceras, etc. )

• Un coloide es una suspensión estable de partículas finas en un líquido

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Concentración de solutos en soluciones acuosas

• La mayor parte de las reacciones bioquímicas se llevan a cabo en presencia de agua

• Las reacciones químicas dependen de la colisión de moléculas y por lo tanto, de la concentración de solutos en una solución acuosa

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• Masa molecular es la suma de todas las masas de los átomos en una molécula

• El número de moléculas se mide en moles, en donde 1 mole (mol) = 6.02 x 1023 moléculas

• El número de Avogadro y la unidad daltonfueron definidadas de forma tal que 6.02 x 1023 daltons = 1 g de la sustancia

• Molaridad ( M) es el número de moles de soluto por litro de solución

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Las condiciones acídicas y básicas afectan a los organismos

• Un átomo de hidrógeno en un enlace de hidrógeno entre dos moléculas de agua puede cambiarse de la una a la otra:

– El átomo de hidrógeno deja a su electrón y es transferido como un protón, o ión dehidrógeno (H+)

– La molécula con el protón adicional es ahora un ión de hidronio (H3O+), pero se representa como H+

– La molécula que pierde el protón es ahora un ión hidróxido (OH–)

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Fig. 3-UN2

Ión dehidronio(H3O+)

Ión Hidróxido

(OH–)

2H2O

H

H

H

H

H

H

H

H

OOOO

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• El agua se encuentra en un estado de equilibriodinámico en el cual las moléculas de agua se disocian a la misma tasa o razón de la que se forman nuevamente

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• Aunque estadísticamente raro, la disociación de las moléculas de agua tiene un efecto sobre los organismos

• Los cambios en las concentraciones de H+ y OH– pueden afectar de forma drástica el ambiente químico de la célula

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Efectos del cambio en pH

• Concentración de H+ y OH– son iguales en agua pura (destilada)

• El añadir algunos solutos, llamados ácidos y bases, modifican las concentraciones de H+ y OH–

• Los biólogos utilizan la escala de pH para describir si una solución es ácida o básica

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Ácidos y Bases

• Un ácido es cualquier sustancia que aumenta la concentración de H+ de una solución

• Una base es cualquier sustancia que reduce la concentración de H+ de una solución

• Ácidos y bases fuertes se disocian por completo en agua

• Ácidos y bases débiles liberan y aceptan H+ y pueden cambiar el balance de H+ y OH- del punto neutral

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La escala de pH

• En cualquier solución acuosa a 25°C el producto de H+ y OH– es constante y puede expresarse de esta forma:

[H+][OH–] = 10–14

• El pH de una solución se define como el negativo del logaritmo de la concentración de H+, expresado de esta forma: pH = –log [H+]

• Para una solución acuosa neutral [H+] es 10–7 = –(–7) = 7

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• Soluciones ácidas tienen un valor de pH menor que 7

• Soluciones básicas tienen un valor de pH mayor de 7

• La mayoría de los fluídos biológicos tienen un rango de valor de pH entre 6 y 8

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Figure 3.10

H+H+

H+

H+H+

H+

H+H+

H+OH–

OH–

OH–

OH–OH–

OH–

OH–OH–

H+ H+

H+H+

H+

H+

OH–

OH–

OH–OH–

OH–

OH–

Basicsolution

Neutralsolution

Acidicsolution

Incr

easi

ngly

Aci

dic

[H+] >

[OH

−]

Neutral[H+] = [OH−]

pH Scale

Incr

easi

ngly

Bas

ic[H

+] <

[OH

−]

Battery acid

Gastric juice, lemon juice

Vinegar, wine,cola

Tomato juiceBeerBlack coffeeRainwater

Pure waterHuman blood, tearsSeawaterInside of small intestine

Urine Saliva

Milk of magnesia

Household ammonia

HouseholdbleachOven cleaner

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

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Amortigüadores

• El pH interno de las células se mantiene cerca de 7

• Los amortigüadores son sustancias que minimizan cambios en las concentraciones de H+ y OH– en una solución

• Muchos amortigüadores consisten de una combinación de un ácido-base que se combinan de forma reversible con H+

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Amenazas a la calidad de agua en la Tierra

• La precipitación ácida hace referencia a la lluvia, nieve, o neblina con un pH menor que 5.6

• Esta precipitación ácida es ocasionada principalmente por la mezcla de diferentes contaminantes con el agua en el aire y que ésta se precipite a cierta distancia de la fuente en donde se originó

• Esta precipitación ácida puede dañar y afectar la vida en lagos y riachuelos

• Los efectos de la precipitación ácida en la química del suelo están contribuyendo a la destrucción de ciertos bosques

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Fig. 3-10

Másacídica

0

Lluviaácida

Lluvianormal

Másbásica

123456789

1011121314

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• La actividad humana como la quema de combustibles fósiles amenazan la calidad del agua

• CO2 es liberado por la combustión de hidrocarburos fósiles y contribuyen a:

– Un calentamiento de la Tierra llamado el efecto de “invernadero”

– La acidificación de los océanos; esto es conducente a una merma en la habilidad de los corales para formar arrecifes calcificados

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Figure 3.11

CO2

CO2 + H2O → H2CO3

H2CO3 → H+ + HCO3−

H+ + CO32− → HCO3

−

CO32− + Ca2+ → CaCO3

Fig. 3-11

EXPERIMENTO

RESULTADOS

[CO32–] (µmol/kg)

150 200 250 3000

20

40

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Fig. 3-UN5

Bases donan OH –

o aceptan H + enSoluciones acuosas

Ácidos donan H + enSoluciones acuosas

Acídica[H+] > [OH–]

Neutral[H+] = [OH–]

Básica[H+] < [OH–]

14

7

0

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Fig. 3-UN6

Superficie de la TierraSuperficie de Marte

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