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Soluciones acuosas

Patricio Muñoz Torres patricio.munozt@gmail.com

Importancia del agua n  Lugar donde se inició y ocurre la vida.

n  D i v e r s a s p r o p i e d a d e s c o m o 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.

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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 en laces (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).

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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 m e d i d a q u e s e a u m e n t a l a 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).

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Agua como disolvente n  Las sales iónicas se mantienen

reunidas por fuerzas electrostáticas, cuya fuerza, F, está definida por la ley de Coulomb:

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.

F = k * Q1 * Q2 D * r2

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 so lub i l idad de compuestos orgánicos en agua aumenta al incluir grupos hidroxilo, ceto, carbonilo o aminos, ya que pueden formar puentes de H con el agua.

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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 h id róx ido (OH-) , respectivamente.

n  Bronsted y Lowry: un ácido es una sustancia capaz de ceder protones y una base es la que acepta protones:

HA + H2O H3O+ + 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 H3O+ se abrevia como H+.

Ácido acético

Amoniaco

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Reacciones ácido-base n  Ácido fuerte: altas constantes de

disociación (mayor que la del H3O+) y s e h a l l a n i o n i z a d o s c a s i completamente en agua. Ej: HCl, H2SO4.

n  Base fuerte: se disocia completamente en agua. Ej. NaOH, KOH. Aceptan H+.

n  Ácido débil: bajas constantes de disociación (menor que la del H3O+) y están parcialmente ionizado en soluciones acuosas. Ej. ácido acético.

n  Base débil: parcialmente ionizado en soluciones acuosas. Ej. jabones.

Ácido acético

Amoniaco

Reacciones ácido-base

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Reacciones ácido-base

K = [H3O+][A-] [HA][H2O] Constante de disociación, K:

Soluciones acuosas diluidas [H2O] = 55,5 M y K se transforma en Ka:

Ka = [H+][A-]

[HA]

H2O H+ + OH- Para la disociación del agua:

K = [H+][OH-] [H2O]

Kw = [H+][OH-]

pH = -log[H+]

A 25 °C Kw es 10-14 M y el agua pura debe contener igual cantidad de H+ y OH- y (Kw)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.

Cuando pH = 7 la solución es neutra; pH > 7 es básica; y pH < 7 es ácida.

Reacciones ácido-base

K = [H+][A-] [HA]

El pH de una solución está determinado por las concentraciones relativas de ácidos y de bases.

[H+] = K [HA] [A-] /-log

-log[H+] = -logK + log [HA] [A-]

pH = pK + log [HA] [A-] Ecuación de Henderson-

Hasselbach

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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 f u n c i o n a m i e n t o d e u n 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.

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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

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Sistema amortiguador Fosfato n  Las dos especies del sistema fosfato son: dihidrógeno de

fosfato (H2PO4-) y monohidrógeno de fosfato (HPO4

-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 H2PO4

-.

n  En acidosis prolongada, los huesos disocian el fosfato cálcico y el fosfato se convierte en H2PO4

-.

Sistema amortiguador Bicarbonato n  Sistema efectivo en animales con pulmones.

n  Consta de 3 equilibrios reversibles.

n  Bajas cantidades de CO2 se transforman en H2CO3, su pKa es 6,1.

n  Amortigua a 7,4 al mantener muy bajas las concentraciones de CO2 (20 veces más baja que la de HCO3

-).

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Sistema amortiguador Bicarbonato Los pulmones

no logran eliminar el

CO2. Causada por

hipoventilación

Los pulmones eliminan

rápidamente CO2. 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).

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Amortiguadores biológicos

Amortiguadores biológicos

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Ácidos polipróticos n  Sustancias portadoras de más de

un grupo ácido-base. Ej. H3PO4 o H2CO3.

n  Poseen varios valores de pKa, u n o p a r a c a d a e t a p a d e 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.

H3PO4

Ácido oxálico

Muchas gracias

Patricio Muñoz Torres patricio.munozt@gmail.com