Agua

Es la principal molécula de los seres vivos, estamos compuestos de un 70% de agua.

Por ejemplo las medusas, tienen un 90% de agua.

La cantidad de agua depende del organismo y de la edad.

Las semillas un 10%

Los huesos un 25%

Estructura química del agua:

-          Siempre la representamos como una molécula electrónicamente neutra: H2O. La unión del H y O se realiza mediante enlaces covalentes.

-          Los elementos se comparten, ni se ganan ni se pierden electrones, cargas polares.

-          El H y O tienen una electronegatividad, por los electrones, muy diferentes.

-          El O es electronegativo.

-          El H es electropositivo.

-          Cuando comparten electrones forman una molécula de agua.

Los electrones están distribuidos asimétricamente, los electrones están más cerca del O que del H.

Pero están eléctricamente cargada, dipolo. El dipolo explica que las propiedades vitales del agua son las que necesitamos los seres vivos.

Se establecen enlaces o puentes de hidrógeno, es el que se establece entre un H y un átomo cargado negativamente.

Las moléculas de agua están aisladas, se encuentran unidas unas a otras por puentes de hidrógeno.

En el agua líquida nos encontramos a las moléculas unidas de 3 en 3, de 4 en 4, de 6 en 6, etc.; formando tetraedros. Son enlaces que se forman y se rompen continuamente en millonésimas de segundos.

Los enlaces de hidrógeno son débiles: son covalentes dativos: los electrones están más cercas unos de otros. Son anómalas las propiedades del agua.

1) Las propiedades y funciones del agua.

• Elevado calor específico: se define como la cantidad de calor que hay que darle a 1 gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1º C. El agua es capaz de absorber su calor y aumentar poco su temperatura. La temperatura es una medida de la energía térmica. La energía térmica agita las moléculas. Esto tiene una consecuencia para los seres vivos: amortiguar los cambios de temperatura, esto es vital para los seres vivos. El agua forma nuestro medio interno, que es donde se desarrollan múltiples reacciones químicas, el metabolismo. Por ejemplo: http://www.um.es/molecula/sbqsa04.htm

• Elevado calor de vaporización: Los puentes de hidrógeno son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua, primero hay que romper los puentes y luego dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía para pasar de la fase líquida a la gaseosa. Un claro ejemplo es el siguiente: http://www.um.es/molecula/sbqsa05.htm , muchos de nosotros muchas veces nos haremos la siguiente pregunta: ¿Por qué el hielo flota sobre el agua? http://www.um.es/molecula/sbqsa06.htm 

• Elevado punto de fusión y baja densidad en estado sólido:

Elevado punto de fusión: el paso de sólido a líquido ocurre a temperatura muy alta. El punto de fusión tan alto permite los tres estados físicos del agua a temperaturas realmente existentes en la tierra, esto permite el ciclo del agua.

Baja densidad en estado sólido: El agua en estado líquido tiene menos volumen que en estado sólido. Cuando el agua se encuentra en estado líquido, los tetraedros y los puentes de hidrógeno están continuamente rompiéndose y formándose. 

Pero cuando el agua está en estado sólido, los tetraedros y los enlace entre las moléculas de agua ya presentes en el líquido se hacen permanentes y están rellenos de aire. El agua sólida tiene más aire que líquida y es menos densa. El hielo flota sobre el agua, esto permite que no se congele el fondo del mar y la vida en los mares fríos.

• Alta tensión superficial: Oposición que presenta la superficie de un líquido en la introducción de un sólido. Un cuerpo flota cuando el volumen es mayor que el peso. Pero una aguja  puede  llegar a flotar (tiene siete veces más peso que volumen).La tensión superficial es una medida de la cohesión que existe entre las moléculas del líquido, es un enlace que hay en el líquido. Las moléculas de agua están unidas entre sí. Esto produce los movimientos celulares. Por ejemplo el zapatero se desplaza por el agua, debido a la tensión superficial.

• Disolvente universal: Esta propiedad se debe al dipolo. El agua tiene cargas eléctricas, entonces cuando se ponen con otra sustancia que también tiene cargas eléctricas, ocurre que se rompen los enlaces iónicos, aísla las cargas eléctricas y rompen los enlaces iónicos y si estos se rompen, se disuelven.

Esto pasa por ejemplo con el sodio (Na) y el agua (H2O). Solo se disuelven las sustancias polares, se disuelven el agua.

Esta propiedad es la que hace que el agua sea el medio interno de los seres vivos, ya que la mayoría de las materias orgánicas son polares. Esto sirve como medio de transporte gratuito para las sustancias polares. También determina la forma de las sustancias apolares (insolubles en agua).

Todas estas propiedades del agua son pasivas pero también activas, ya que intervienen en muchas reacciones químicas.

Intervienen en la hidratación, en la hidrólisis, redox y en la fotosíntesis. Hace falta agua para sintetizar los ácidos grasos. Gracias a los ácidos grasos,  permite que los camellos acumulen agua y alimentos en su joroba.

2) Disoluciones y dispersiones acuosas:

El agua es la mayor parte del medio interno. El medio interno esta formado por hialoplasma, que es el líquido del interior de la célula, plasma sanguíneo, plasma intercelular y plasma.

En todos ellos predomina el agua con otras sustancias. En estas sustancias se dan varios tipos de propiedades:

-          Que sea polar, soluble y pequeña, esto forma una disolución.

-          Insolubles y muy grandes, esto ocurre por ejemplo con los orgánulos hialoplasmas. Estas sustancias se sedimentan, esto se llama suspensión (disolvente/soluto).

-          Entre las dos propiedades anteriores se encuentra las dispersiones acuosas o coloidales o coloidales: combinación del agua con otras sustancias. Aquí las otras sustancias de fase dispersante (disolvente) y fase dispersa (soluto).

 Ø      Fase dispersa: es insoluble pero no se disuelve, no es apolar. Es tan grande que no se puede disolver. No sedimentan porque la agitación térmica del agua es suficiente para impedirlo. Además, generalmente tienen cargas eléctricas de igual signo y se repelen. También tiene repulsión eléctrica y turbias, se dispersan homogéneamente.

Dependiendo de cómo sean las fases, dispersas o dispersantes, se dan tres tipos de situaciones:

• Aerosoles: aire más líquido sólido. Esto es lo que constituyen el humo o la nieve, por ejemplo.
• Agua y sólido: si predomina el sólido, esto se llama genes, como el flan, la gelatina, el queso, etc. Si predomina el agua se llama sol, como el hielo, esto es el hialoplasma. También se llama citosol.
• Emulsiones: es la dispersión de dos líquidos inmiscibles gracias a una sustancia emulsionante. La emulsión esta estabilizada porque el jabón favorece la emulsión. La bilis estabiliza la emulsión de las grasas.

La leche, contiene agua y grasa. La caseina de la leche emulsiona la grasa de la leche.

Todas las propiedades nombradas anteriormente, son propiedades del agua pura. Cuando hay una disolución las propiedades del agua varían. Todas estas situaciones que se dan en el agua, son vitales para los seres vivos, es decir, mantener la constancia de las variables del medio interno, la homeostasis, a mayor control del medio interno, más independencia del medio externo y más evolución. 

-          Ósmosis y presión osmótica

Se define ósmosis como una difusión pasiva, caracterizada por el paso del agua, disolvente, a través de la membrana semipermeable, desde la solución más diluida a la más concentrada. Hasta que se igualan las concentraciones, difusión.

Lo que empuja las moléculas a moverse en disoluciones es la presión osmótica, que es igual a la concentración de un soluto.

Un caso especial de difusión como forma de visualizar la presión osmótica, es la membrana semipermeable (membrana plasmática, celofán, pergamino, etc.)  Solo permite el paso del disolvente pero no del soluto. El agua pasa al compartir más concentrado, ósmosis.

Cuando la presión hidrostática es igual que la presión osmótica, ya no pasa más agua.

El choque osmótico es aquel al que siempre están expuestos los seres vivos en su funcionamiento y las células no pueden soportar el choque osmótico. Esto se llama homeostasis.

Esquema del modo de acción de la presión osmótica. En azul se representan las moléculas de disolvente y en rojo las de soluto. La disolución más concentrada se denomina hipertónica y la diluida hipotónica. Como

consecuencia de la diferencia inicial de concentraciones se produce una presión osmótica, apareciendo

diferencia de altura h, hasta que las concentraciones se igualan.

Ejemplo de ósmosis con un huevo: http://www.youtube.com/watch?v=1DZ569fuXxk

3) Producto iónico del agua y escala de PH

El agua tiene un electrolito débil. Es una molécula que se ioniza, es decir, gana o pierde electrones. Solamente se ioniza 1 de cada 550 millones.

La fuerza del puente de hidrógeno es suficiente para que una molécula capture a un protón de la otra molécula y la primera molécula pierda un protón. Estas dos moléculas se convierten en H₃O⁺ y OH^- . (Se utiliza el símbolo H⁺, en lugar de H₃O⁺).

Cuando la reacción 2H2O--->(OH-) + (OH+) esta en equilibrio, el agua pura a 25º C, resulta: 

 

Producto de las cargas negativas por las cargas positivas. Son inversamente proporcionales, si una carga sube la otra carga tiene que bajar.

El agua en estas condiciones es neutra: (H+)= (H-)= 10 exp. -7. 

Se utiliza como referencia para saber si una disolución es ácido o básica, para medir la acidez o basicidad de las disoluciones. Si tiene más cargas positivas es ácido y si tiene más cargas negativas es básica.

Es incómodo utilizar potencias negativas,para facilitar esto se utiliza el concepto de:

 pH = –log[10^–7] = 7, por ejemplo.

Si el PH sube disminuyen las cargas positivas y aumentan las cargas negativas.

 HA(ácido sin disociar) → H^- + A- (ácido disociado) : ácido

OHB→ O- + HO-: base

Bases del nitrógeno (NH2): Todas las bases desprenden cargas negativas menos la base del nitrógeno, que captura las cargas positivas: NH2 + H--> NH3

Muchas bases orgánicas son del nitrógeno.

El número de cargas que sueltan depende de que sea un ácido fuerte (suelta mucha carga) o un ácido débil.

Cuantificado por su constante de disociación:

En cuanto se pone en disolución fuerte se disocia completamente |HA|=|A-|*|H+| Esto tiene una repercusión:

-Cuando un ácido esta disociado tiene carga eléctrica. Siempre no puede afirmar que tiene carga eléctrica.

Los ácidos débiles: son los que tienen los seres vivos. Aquí la constante de disociación no sirve, existe otro concepto: PK.

El PK es aquel valor de PH en la que el ácido o base débil está mitad disociada y mitad sin disociar.

Pueden o no pueden tener carga eléctrica. Lo que nos interesa saber es si la tienen.

El PH al que se comporta como si fueran fuerte, tiene carga eléctrica. Esto nos lleva de nuevo a la homeostasis.

Durante el metabolismo, continuamente se producen cargas positivas y negativas.

Si se producen cargas positivas baja el PH.

Si se producen cargas negativas sube el PH.

Si cambia el PH se pierden cargas deseables o se ganan cargas indeseables. Las proteínas tienen muchos ácidos de bases débiles. Sus cargas eléctricas determinan la forma de la proteína y esta su función.

No soportamos cambios de PH de unas décimas sobre la neutralidad. Para contrarrestar los cambios de PH se hace mediante un tampón, que son dos sustancias que siempre son ácido base débil que están en cierta proporción,el tampón, capturan los H+ | HO- al capturar las cargas no cambian el PH.

http://www.youtube.com/watch?v=U6OwBwcL9A8