Agua

Importancia del agua:

El agua es el líquido más abundante de la corteza y uno de los pocos líquidos naturales. Es esencial en los seres vivos. El agua es el componente más abundante en los medios orgánicos, los seres vivos contienen por término medio un setenta por ciento de agua.

 El agua en los seres vivos se encuentra tanto intra como extracelularmente. El agua intracelular es la que está en el interior de las células representa 2/3. El agua extracelular es la que está bañando las células o circulando en forma de sangre, linfa, savia, etc.

Es el componente químico predominante de los organismos vivos.

Presenta singulares propiedades físicas: disuelve una gran cantidad de moléculas orgánicas e inorgánicas, capacidad para formar enlaces de hidrógeno, excelente nucléofilo, es un reactivo o un producto en muchas reacciones metabólicas.

Estructura molecular del agua:

La molécula de agua (H2O) tiene forma de V y el ángulo entre los dos enlaces covalentes O—H es de 104.5°. Algunas propiedades importantes del agua se deben a la forma angulada y a los enlaces intermoleculares que puede formar. El ángulo del enlace H—O-H en el agua es de 104.5°, pero si los orbitales electrónicos apuntaran en realidad a las cuatro esquinas de un tetraedro el ángulo sería de 109.5°. La explicación normal de esta diferencia es que existe una fuerte repulsión entre pares de electrones solitarios y esa repulsión trata de unir los enlaces covalentes, con reducción del ángulo de 109.5° a 104.5°.

El agua es un solvente excelente:

A.      Sustancias iónicas y polares se disuelven en agua: El agua puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos que se ionizan. La ionización se relaciona con la ganancia o pérdida de un electrón. Las moléculas que se pueden
disociar y formar iones se llaman electrólitos. Las sustancias que se disuelven con facilidad en agua se llaman hidrofílicas o amantes del agua.

B.      Concentraciones celulares y difusión: El comportamiento de los solutos en el citoplasma es distinto del que tienen en una sencilla solución en agua. Una de las diferencias más importantes es la reducción de la velocidad de difusión dentro de las células.

Hay tres razones por las que los solutos se disuelven con más lentitud en las células.
1. La viscosidad del citoplasma es mayor que la del agua, lo que se debe a la
presencia de numerosos solutos, como los azúcares. De acuerdo con mediciones recientes parece que la viscosidad del citoplasma sólo es un poco mayor que la del agua, aun en los organelos empacados densamente.
2. Las moléculas con carga se enlazan momentáneamente entre sí dentro de las
células y ello restringe su movilidad. Dichas consecuencias de la unión ejercen un efecto pequeño, pero apreciable, sobre las tasas de difusión.
3. Los choques con moléculas de agua inhiben la difusión a causa de un efecto
que se denomina hacinamiento molecular. Es la principal razón por la que se
desacelera la difusión en el citoplasma.

C.      Presión osmótica: Si una membrana permeable al solvente separa a dos soluciones que contienen concentraciones distintas de sustancias disueltas, o solutos, las moléculas del solvente se difundirán desde la solución menos concentrada hacia la más concentrada en un proceso llamado ósmosis.  La presión necesaria para evitar este flujo de solvente se llama presión osmótica. La presión osmótica de una solución depende de la concentración molar total del soluto y no de su naturaleza química.

Ionización del agua: Una de las propiedades importantes del agua es su pequeña tendencia a ionizarse. El agua pura no está formada sólo por H2O, sino también por una baja concentración de iones de hidronio y una concentración igual de iones de hidróxido. Los iones hidronio e hidróxido se forman por un ataque nucleofílico del oxígeno contra uno de los protones en una molécula adyacente de agua. La reacción de ionización es una reacción reversible típica. Las reacciones de protonación y desprotonación son muy rápidas. Los iones hidróxido tienen corta duración en el agua, al igual que los iones hidronio. Los iones hidróxido pueden aceptar un protón y convertirse de nuevo en moléculas de agua. A los aceptores de protones se les llama bases. La ionización del agua se puede analizar cuantitativamente. Recuérdese que las
concentraciones de reactivos y productos en una reacción deben llegar al equilibrio. La
relación de esas concentraciones define a la constante de equilibrio (Keq). En el caso de la ionización del agua.                                                                        

Escala de pH: Existen varios procesos bioquímicos como el transporte de oxígeno en la sangre, la catálisis de reacciones con enzimas y la generación de energía metabólica durante la respiración o la fotosíntesis que están muy influidos por la concentración de protones. Aunque la concentración de H (o H3O) en las células es pequeña en relación con la concentración del agua, el intervalo de [H] en soluciones acuosas es enorme, por lo que conviene usar una cantidad logarítmica llamada pH como medida de la concentración de H. El pH se define como el logaritmo negativo de la concentración de H:

Constantes de disociación de ácidos débiles:

Los ácidos y bases que se disocian por completo en agua, como el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio, se llaman ácidos fuertes y bases fuertes. Hay muchos otros ácidos y bases, como por ejemplo los aminoácidos que forman las proteínas y las purinas y pirimidinas del ADN y ARN, que no se disocian por completo en el agua. La constante de equilibrio para la disociación de un protón de un ácido en agua se
llama constante de disociación del ácido, Ka. Cuando la reacción llega al equilibrio, lo
que sucede con mucha rapidez, la constante de disociación del ácido es igual a la concentración de los productos dividida entre la concentración de los reactivos.

Ecuación de Henderson-Hasselbalch:

Define al pH de una solución en función del pKa del ácido débil en el par ácido-base, y del logaritmo de la relación de las concentraciones de la especie disociada (base conjugada) entre la especie protonada (ácido débil). Nótese que mientras mayor sea la concentración del aceptador de protón (base conjugada) en relación con la del donador de protón (ácido débil) el pH será mayor.

La ecuación de Henderson-Hasselbalch se usa para calcular el pH final de una solución de ácido débil, una vez que la reacción de disociación llega al equilibrio.

Curva de titulación:

Los valores de pKa de los ácidos débiles se determinan por titulación.
Ejemplo se titula una solución de ácido acético agregando pequeñas alícuotas de una base fuerte de concentración conocida. Se mide el pH de la solución y se grafica en función de la cantidad de equivalentes molares de base fuerte agregados durante la titulación. Cuando se ha titulado el ácido con la mitad de un equivalente de base, la concentración del ácido acético no disociado es exactamente igual a la concentración del anión acetato.

Los amortiguadores (también llamados disoluciones amortiguadoras, sistemas tampón o buffers) son aquellas disoluciones cuya concentración de protones apenas varía al añadir ácidos o bases fuertes.

Región tampón: es la región de la curva donde existe una mezcla en concentraciones relativamente elevadas del ácido débil y su base conjugada.