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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