Química Unidad 3 PDF

93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 40 40 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN 2.4 COMPUESTOS Y SOLUCIONES permite que cada molécula de agua interactúe con varios iones o...

93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 40 40 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN 2.4 COMPUESTOS Y SOLUCIONES permite que cada molécula de agua interactúe con varios iones o moléculas adyacentes. Los solutos con carga o con enlaces covalentes INORGÁNICOS polares son hidrófilos (hidro- = agua; -filo = atracción), que significa que se disuelven con facilidad en agua. El azúcar y la sal son ejemplos OBJETIVOS comunes de solutos hidrófilos. En cambio, las moléculas que contie- nen principalmente enlaces covalentes no polares son hidrófobas Describir las propiedades del agua y las de los ácidos, (-fobas = temor). No son muy hidrosolubles. Las grasas animales y los bases y sales inorgánicos. aceites vegetales son ejemplos de compuestos hidrófobos. Distinguir entre soluciones, coloides y suspensiones. Para comprender el poder disolvente del agua, considere lo que Definir pH y explicar el papel de los sistemas sucede cuando se coloca en agua un cristal de una sal, como el cloru- amortiguadores (buffer) en la homeostasis. ro de sodio (NaCl) (Figura 2.10). El átomo de oxígeno electronegati- vo de las moléculas de agua atrae los iones sodio (Na+), y los átomos La mayoría de las sustancias químicas del cuerpo existen en forma de hidrógeno electropositivos de las moléculas de agua atraen los de compuestos. Los biólogos y los químicos dividen estos compues- iones cloruro (Cl−). Pronto, las moléculas de agua rodean y separan tos en dos clases principales: compuestos inorgánicos y compuestos los iones Na+ y Cl− en la superficie del cristal, lo que rompe los enla- orgánicos. Por lo general, los compuestos inorgánicos carecen de ces iónicos que mantienen juntos al NaCl. Las moléculas de agua que carbono y son simples desde el punto de vista estructural. Sus molé- culas también tienen sólo unos pocos átomos y no pueden ser utiliza- das por las células para realizar funciones biológicas complicadas. Comprenden agua y numerosas sales, ácidos y bases. Los compuestos inorgánicos pueden tener enlaces iónicos o covalentes. El agua repre- Figura 2.10 Cómo disuelven sales y sustancias polares las senta el 55-60% de la masa corporal total de un adulto delgado; todos moléculas de agua polares. Cuando se coloca un cristal de cloruro de los demás compuestos inorgánicos suman un 1-2%. Los ejemplos de sodio en agua, el extremo de oxígeno ligeramente negativo (rojo) de compuestos inorgánicos que contienen carbono son dióxido de carbo- las moléculas de agua es atraído por los iones sodio positivos (Na+), y no (CO2), ion bicarbonato (HCO3−) y ácido carbónico (H2CO3). Los las porciones de hidrógeno (gris) ligeramente positivas de las molécu- compuestos orgánicos siempre contienen carbono, en general contie- las de agua son atraídas por los iones cloruro negativos (Cl−). Además nen hidrógeno y casi siempre tienen enlaces covalentes. La mayoría de disolver el cloruro de sodio, el agua también hace que éste se diso- son moléculas grandes y muchos están formados por largas cadenas cie o separe en partículas con carga, lo que se analizará más adelante. de átomos de carbono. Los compuestos orgánicos representan alrede- dor del 38-43% del cuerpo humano. El agua es un solvente versátil debido a sus enlaces covalentes, en los que los electrones son compartidos de manera desigual, Agua lo que crea regiones positivas y negativas. El agua es el compuesto inorgánico más importante y abundante de H H todos los sistemas vivos. Si bien se podría sobrevivir durante semanas O sin alimentos, sin agua sobrevendría la muerte en cuestión de días. δ– Casi todas las reacciones químicas del cuerpo se producen en un δ– δ– medio acuoso. El agua tiene muchas propiedades que la convierten en Na+ δ+ δ+ δ– un compuesto indispensable para la vida. Ya se mencionó la propiedad H H δ– más importante del agua, su polaridad: los electrones de valencia se O δ– Molécula comparten de manera desigual, lo que confiere una carga negativa par- de agua δ– cial cerca del átomo de oxígeno y dos cargas positivas parciales cerca de los dos átomos de hidrógeno de una molécula de agua (véase la Ion sodio hidratado Figura 2.5c). Esta propiedad sola convierte al agua en un excelente solvente para otras sustancias iónicas o polares, confiere cohesión a las moléculas de agua (la tendencia a permanecer juntas) y le permite Na+ resistir los cambios de temperatura. H O Cl– Agua como solvente H En épocas medievales, la gente buscaba en vano un “solvente uni- δ+ versal”, una sustancia que disolviera todos los demás materiales. No δ+ δ+ Cristal de NaCl Cl – hallaron nada que funcionara tan bien como el agua. Si bien es el sol- δ+ vente más versátil conocido, el agua no es el solvente universal bus- δ+ δ+ cado por los alquimistas medievales. Si lo fuera, ¡ningún recipiente podría contenerla porque los disolvería a todos! ¿Qué es exactamente un solvente? En una solución, una sustancia denominada solvente disuelve otra sustancia denominada soluto. Por lo general, una solu- Ion cloruro hidratado ción contiene más solvente que soluto. Por ejemplo, el sudor es una solución diluida de agua (el solvente) más pequeñas cantidades de El azúcar de mesa (sacarosa) se disuelve con facilidad en agua, sales (los solutos). pero no es un electrolito. ¿Es probable que todos los enlaces La versatilidad del agua como solvente de sustancias ionizadas o covalentes entre los átomos del azúcar de mesa sean no pola- polares se debe a sus enlaces covalentes polares y su forma curva, que res? Justifique su respuesta. 93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 41 2.4 COMPUESTOS Y SOLUCIONES INORGÁNICOS 41 rodean los iones también reducen la probabilidad de que el Na+ y el ye nitrógeno, oxígeno, argón y dióxido de carbono. Tres mezclas Cl− se aproximen y vuelvan a formar un enlace iónico. líquidas comunes son soluciones, coloides y suspensiones. La capacidad del agua para formar soluciones es esencial para la Una vez mezclados, los solutos de una solución permanecen disper- salud y la supervivencia. Como el agua puede disolver tantas sustan- sos de manera uniforme entre las moléculas de solvente. Como las cias diferentes, es un medio ideal para las reacciones metabólicas. El partículas de soluto de una solución son muy pequeñas, una solución agua también disuelve los productos de desecho, lo que permite su eli- se ve clara y transparente. minación por orina. La diferencia principal entre un coloide y una solución es el tama- ño de las partículas. Las partículas de soluto de un coloide son sufi- Agua en las reacciones químicas cientemente grandes para dispersar la luz, así como las gotas de agua de la neblina dispersan las luces de los faros delanteros de un automó- El agua sirve como medio para la mayoría de las reacciones quími- vil. Por esta razón, los coloides suelen impresionar translúcidos u opa- cas del cuerpo y participa como reactivo o producto en ciertas reaccio- cos. La leche es un ejemplo de un líquido que es, a la vez, un coloide nes. Por ejemplo, durante la digestión, las reacciones de descomposi- y una solución. Las proteínas grandes de la leche la convierten en un ción rompen grandes moléculas de nutrientes en moléculas más coloide, mientras que las sales de calcio, el azúcar de la leche (lacto- pequeñas por el agregado de moléculas de agua. Este tipo de reacción sa), los iones y otras partículas pequeñas están en solución. se denomina hidrólisis (-lisis = aflojar o separar). Las reacciones Los solutos tanto de las soluciones como de los coloides no se depo- hidrolíticas permiten la absorción de los nutrientes de la dieta. En sitan ni se acumulan en el fondo del recipiente. En cambio, en una cambio, cuando dos moléculas pequeñas se unen para formar una suspensión, el material suspendido se puede mezclar con el líquido o molécula en una reacción de síntesis por deshidratación (des- = de, el medio de suspensión durante algún tiempo, pero con el tiempo sedi- reducido o sin; hidra- = agua), uno de los productos formados es una mentará. La sangre es un ejemplo de suspensión. Cuando recién se la molécula de agua. Como se mencionará más adelante en este capítu- extrae del cuerpo tiene un color rojizo uniforme. Después de que per- lo, estas reacciones se producen durante la síntesis de proteínas y otras manece un rato en un tubo de ensayo, los eritrocitos sedimentan fuera moléculas grandes (p. ej., véase la Figura 2.21). de la suspensión y se acumulan en el fondo del tubo (véase la Figura 19.1a). La capa superior, la porción líquida de la sangre, es de color Propiedades térmicas del agua amarillo pálido y se denomina plasma sanguíneo. El plasma sanguí- En comparación con la mayoría de las sustancias, el agua puede neo es una solución de iones y otros solutos pequeños, y un coloide absorber o liberar una cantidad relativamente grande de calor con sólo debido a la presencia de proteínas plasmáticas más grandes. un cambio modesto de su propia temperatura. Por este motivo, se dice La concentración de una solución se puede expresar de varias que el agua tiene una alta capacidad térmica. Esta propiedad se debe maneras. Una manera habitual es mediante un porcentaje de masa a la gran cantidad de enlaces de hidrógeno del agua. A medida que el por volumen, que da la masa relativa de un soluto hallado en un volu- agua absorbe energía térmica, parte de la energía se utiliza para rom- men dado de solución. Por ejemplo, se puede observar lo siguiente en per enlaces de hidrógeno. Entonces, queda menos energía para una botella de vino: “Alcohol 14,1% por volumen”. Otra manera de aumentar el movimiento de las moléculas de agua, lo que aumentaría expresar la concentración es en unidades de moles por litro (mol/L), su temperatura. La alta capacidad térmica del agua es el motivo por el que relaciona la cantidad total de moléculas en un volumen dado de cual se la utiliza en los radiadores de los automóviles; enfría el motor solución. Un mol es la cantidad de cualquier sustancia que tiene una absorbiendo calor sin que su propia temperatura se eleve a un nivel masa en gramos igual a la suma de las masas atómicas de todos sus inaceptablemente alto. La gran cantidad de agua del cuerpo ejerce un átomos. Por ejemplo, 1 mol del elemento cloro (masa atómica efecto similar: reduce la repercusión de los cambios de temperatura = 35,45) es 35,45 g, y 1 mol de solución de cloruro de sodio (NaCl) ambiental, lo que ayuda a mantener la homeostasis de la temperatura es 58,44 g (22,99 por el sodio + 35,45 por el Cl). Así como una doce- corporal. na siempre significa 12 de algo, un mol de cualquier cosa tiene el Asimismo, el agua requiere una gran cantidad de calor para cambiar mismo número de partículas: 6,023 × 1023. Este número enorme se de estado líquido a gaseoso. Su calor de vaporización es alto. A medi- denomina número de Avogadro. Por lo tanto, las mediciones de sus- da que el agua se evapora de la superficie de la piel, elimina una gran tancias expresadas en moles informan acerca de la cantidad de áto- cantidad de calor, lo que representa un mecanismo de enfriamiento mos, iones o moléculas presentes. Esto es importante cuando se pro- importante. ducen reacciones químicas, dado que cada reacción requiere un núme- ro fijo de átomos de elementos específicos. En el Cuadro 2.3 se des- Agua como lubricante criben estas maneras de expresar la concentración. El agua es un componente importante del moco y otros líquidos lubricantes de todo el cuerpo. La lubricación es especialmente necesaria en el tórax (cavidades pleurales y pericárdica) y el abdo- Ácidos, bases y sales inorgánicos men (cavidad peritoneal), donde los órganos internos se tocan y se Cuando los ácidos, bases y sales inorgánicos se disuelven en agua, deslizan uno sobre otro. También es necesaria en las articulaciones, se disocian; es decir, se separan en iones que son rodeados por molé- donde huesos, ligamentos y tendones se frotan entre sí. Dentro del culas de agua. Un ácido (Figura 2.11a) es una sustancia que se diso- tubo digestivo, el moco y otras secreciones acuosas humedecen los cia en uno o más iones hidrógeno (H+) y uno o más aniones. Como alimentos, lo que ayuda a su tránsito suave a través del aparato H+ es un protón único con una carga positiva, un ácido también se digestivo. denomina dador de protones. En cambio, una base (Figura 2.11b) elimina H+ de una solución y, por lo tanto, es un aceptor de proto- Soluciones, coloides y suspensiones nes. Muchas bases se disocian en uno o más iones hidróxido (OH−) y uno o más cationes. Una mezcla es una combinación de elementos o compuestos que Una sal, cuando se disuelve en agua, se disocia en cationes y anio- están combinados físicamente, pero no unidos por enlaces químicos. nes, ninguno de los cuales es H+ u OH− (Figura 2.11c). En el cuerpo, Por ejemplo, el aire que se respira es una mezcla de gases que inclu- las sales, como el cloruro de potasio, son electrolitos importantes para 93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 42 42 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN CUADRO 2.3 Equilibrio ácido-base: el concepto de pH Para garantizar la homeostasis, los líquidos intracelular y extracelu- Porcentaje y molaridad lar deben contener cantidades casi equilibradas de ácidos y bases. Cuanto más iones hidrógeno (H+) hay disueltos en una solución, más DEFINICIÓN EJEMPLO ácida es ésta; cuanto más iones hidróxido (OH−), más básica (alcali- Porcentaje (masa por volumen) na) es la solución. Las reacciones químicas que tienen lugar en el Número de gramos de una Para crear una solución de NaCl al organismo son muy sensibles a cambios incluso pequeños de la acidez sustancia por 100 mililitros (mL) 10%, tome 10 g de NaCl y añada o la alcalinidad de los líquidos corporales en los que se producen. de solución suficiente agua para obtener un total Cualquier desviación de los límites estrechos de concentraciones nor- de 100 mL de solución. males de H+ y OH− altera mucho las funciones corporales. La acidez o alcalinidad de una solución se expresa en la escala de pH, que se extiende de 0 a 14 (Figura 2.12). Esta escala se basa en Molaridad: 5 moles (mol) por la concentración de H+ en moles por litro. Un pH de 7 significa que litro Para crear una solución 1 molar una solución contiene la diez millonésima parte (0,0000001) de Una solución 1 molar (1 M) = 1 mol de soluto en 1 litro de (1 M) de NaCl, disuelva 1 mol de 1 mol de iones hidrógeno por litro. La notación científica del núme- solución NaCl (58,44 g) en agua suficiente ro 0,0000001 es 1 × 10−7, que indica que el número es 1 con el punto para obtener un total de 1 litro de decimal movido 7 veces hacia la izquierda. Para convertir este valor solución. a pH, se cambia el exponente negativo (−7) a un número positivo (7). Una solución con una concentración de H+ de 0,0001 (10−4) moles por litro tiene un pH de 4; una solución con una concentración de H+ de 0,000000001 (10−9) moles por litro tiene un pH de 9; etc. Es transportar corrientes eléctricas (iones que fluyen de un lugar a otro), importante advertir que un cambio de un número entero en la esca- especialmente en tejidos nerviosos y musculares. Los iones de sales la de pH representa un cambio de diez veces en la cantidad de H+. también aportan muchos elementos químicos esenciales de los líqui- Un pH de 6 denota 10 veces más H+ que un pH de 7, y un pH de 8, dos intracelular y extracelular, como la sangre, la linfa y el líquido diez veces menos H+ que un pH de 7 y 100 veces menos que un pH intersticial de los tejidos. de 6. Los ácidos y las bases reaccionan entre sí para formar sales. Por El punto medio de la escala de pH es 7, donde las concentraciones ejemplo, la reacción de ácido clorhídrico (HCl) e hidróxido de pota- de H+ y OH− son iguales. Una sustancia con un pH de 7, como el agua sio (KOH), una base, produce la sal cloruro de potasio (KCl) y agua pura, es neutra. Una solución que tiene más H+ que OH− es una solu- (H2O). Esta reacción de intercambio se puede escribir de la siguiente ción ácida y tiene pH inferior a 7. Una solución con más OH− que H+ manera: es una solución básica (alcalina) y tiene pH superior a 7. HCl + KOH n H+ + Cl− + K+ + OH− n KCl + H2O Mantenimiento del pH: sistemas Ácido Base Iones disociados Sal Agua amortiguadores Si bien, como ya se mencionó, el pH de los líquidos corporales puede diferir, los límites normales para cada líquido son muy estre- chos. En el Cuadro 2.4 se muestran los valores de pH para ciertos líquidos corporales, junto con los de algunas sustancias comunes Figura 2.11 Disociación de ácidos inorgánicos, bases y sales. fuera del cuerpo. Los mecanismos homeostáticos mantienen el pH de la sangre entre 7,35 y 7,45, que es ligeramente más básico que el agua pura. En el Capítulo 27 se comentará que si el pH de la sangre des- Disociación es la separación de ácidos inorgánicos, bases y sales en iones en una solución. ciende por debajo de 7,35, aparece un cuadro denominado acidosis, y si el pH asciende por encima de 7,45, aparece un cuadro denominado HCl KOH KCl alcalosis; ambos cuadros pueden causar grave compromiso de la homeostasis. La saliva es ligeramente ácida y el semen, ligeramente básico. Como los riñones ayudan a eliminar el exceso de ácido del cuerpo, la orina puede ser bastante ácida. Si bien el organismo capta y forma continuamente ácidos y bases fuertes, el pH de los líquidos del interior y exterior de las células se mantiene casi constante. Una razón importante es la presencia de sis- H+ Cl – K+ OH – K+ Cl – temas amortiguadores (buffer), cuya acción consiste en convertir ácidos y bases fuertes en ácidos y bases débiles. Los ácidos (o bases) fuertes se ionizan con facilidad y aportan numerosos H+ (u OH−) a una solución. Por lo tanto, pueden modificar de manera sustancial el pH, (a) Ácido (b) Base (c) Sal lo que puede alterar el metabolismo corporal. Los ácidos (o bases) débiles no se ionizan tanto y aportan menos H+ (u OH−) a la solución. El compuesto CaCO3 (carbonato de calcio) se disocia en un ion Por consiguiente, ejercen menos efecto sobre el pH. Los compuestos calcio (Ca2+) y un ion carbonato (CO32–). ¿Es un ácido, una base químicos que pueden convertir ácidos o bases fuertes en débiles se o una sal? ¿Cuál es el caso del H2SO4, que se disocia en dos denominan amortiguadores (buffers). Lo hacen eliminando o agre- H+ y un SO42–? gando protones (H+). 93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 43 2.4 COMPUESTOS Y SOLUCIONES INORGÁNICOS 43 Figura 2.12 Escala de pH. Un pH inferior a 7 indica una solución ácida: más H+ que OH–. Un pH superior a 7 indica una solución básica (alcalina): más OH– que H+. Cuanto más bajo es el valor numérico del pH, más ácida es la solución porque la concentración de H+ se torna progresivamente más alta. Cuanto más alto es el pH, más básica es la solución. –14 –13 –12 –11 –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0 [OH–] 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 (moles/litro) 0 –1 –2 –3 –4 –5 –6 –7 –8 –9 –10 –11 –12 –13 –14 [H+] 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 CADA VEZ NEUTRA CADA VEZ MÁS MÁS ÁCIDA BÁSICA (ALCALINA) A pH 7 (neutralidad), las concentraciones de H+ y OH– son iguales (10–7 mol/litro). ¿Cuáles son las concentraciones de H+ y OH– a pH 6? ¿Qué pH es más ácido: 6,82 o 6,91? ¿Qué pH está más cerca del neutro: 8,41 o 5,59? CUADRO 2.4 Un sistema amortiguador importante del cuerpo es el sistema ácido carbónico-bicarbonato. El ácido carbónico (H2CO3) puede actuar Valores de pH de determinadas sustancias como ácido débil, y el ion bicarbonato (HCO3−) como base débil. En consecuencia, este sistema amortiguador puede compensar un exceso SUSTANCIA* VALOR DE pH o una escasez de H+. Por ejemplo, si hay un exceso de H+ (un cuadro ácido), el HCO3− puede actuar como una base débil y eliminar el Jugo gástrico (hallado en el estómago) 1,2-3,0 exceso de H+, de la siguiente manera: Jugo de limón 2,3 Vinagre 3,0 H+ + HCO3− ⎯⎯n H2CO3 Gaseosa carbonatada 3,0-3,5 Ion hidrógeno Ion bicarbonato (base débil) Ácido carbónico Jugo de naranja 3,5 Líquido vaginal 3,5-4,5 Por el contrario, si hay una escasez de H+ (un cuadro alcalino), el Jugo de tomate 4,2 H2CO3 puede funcionar como un ácido débil y aportar los H+ necesa- Café 5,0 rios, de la siguiente manera: Orina 4,6-8,0 Saliva 6,35-6,85 H2CO3 ⎯⎯n H+ + HCO3− Ácido carbónico Ion hidrógeno Ion bicarbonato Leche 6,8 (ácido débil) Agua destilada (pura) 7,0 Sangre 7,35-7,45 En el Capítulo 27 se describen con mayor detalle los amortiguado- Semen (líquido que contiene espermatozoides) 7,20-7,60 res y sus funciones para mantener el equilibrio ácido-base. Líquido cefalorraquídeo (líquido asociado con el sistema nervioso) 7,4 P R E G U N TA S D E R E V I S I Ó N Jugo pancreático (jugo digestivo del páncreas) 7,1-8,2 12. ¿Cómo difieren los compuestos inorgánicos de los compues- Bilis (secreción que ayuda a la digestión de grasas) 7,6-8,6 tos orgánicos? Leche de magnesia 10,5 13. Describa dos maneras de expresar la concentración de una solución. Lejía (hidróxido de sodio) 14,0 14. ¿Qué funciones cumple el agua en el cuerpo? 15. ¿Cómo previene el bicarbonato la acumulación de un exce- so de H+? * Los puntos ( ) denotan sustancias del cuerpo humano.