TEMA 2: El Agua PDF

***[TEMA 2: El Agua]*** ***El Agua. Concepto y estructura química:*** El agua es una sustancia (compuesto químico) muy estable, formado por dos átomos de hidrógeno unidos a través de un enlace covalente con un átomo de oxígeno (H~2~O). El agua de los mares, es agua salada con materias sólidas disu...

***[TEMA 2: El Agua]*** ***El Agua. Concepto y estructura química:*** El agua es una sustancia (compuesto químico) muy estable, formado por dos átomos de hidrógeno unidos a través de un enlace covalente con un átomo de oxígeno (H~2~O). El agua de los mares, es agua salada con materias sólidas disueltas: cloruro de sodio, potasio, magnesio y calcio. El agua forma parte de la vida misma, pues todos los seres vivos tienen en su composición, un alto contenido de agua. Es uno de los tantos recursos naturales renovables que nos proporciona la naturaleza y la usamos todos los días en forma individual, en la vida cotidiana en nuestra familia y en la sociedad, para nuestro consumo, aseo, uso doméstico e industrial. Es un líquido inodoro, insípido e incoloro, aunque cuando se concentra en grandes masas tiene cierto color azul. Puede existir en la naturaleza en los tres estados de agregación de la materia, líquida, sólida y gaseosa. Posee un elevado punto de ebullición (100°C). Tiene elevado calor de vaporización, hace que sea un medio ideal para que las reacciones exotérmicas ocurran sin daño para el organismo, y para disipar calor comportándose como termorregulador, por ejemplo, en la sudoración. Tiene un punto de fusión a 0°C. ***Propiedades:*** - *[Polaridad]*: Los electrones no compartidos del oxígeno forman una región de carga negativa, mientras que los núcleos de los átomos de hidrógeno (los protones) forman una carga positiva local; ambas cargas se igualan por lo que la molécula de agua no posee carga neta, pero si tiene un polo positivo y uno negativo - *[Capacidad Calórica]*: El agua posee una capacidad calorífica muy elevada, es superior a la de cualquier otro líquido o sólido, siendo su calor específico de 1 cal/°C.g, esto significa que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura - *[Constante dieléctrica:]* (∈ = 80 a 20 °C). Implica que el agua sea un buen disolvente de compuestos iónicos y sales cristalizadas. El elevado valor de esta constante supone que las moléculas de agua se oponen a la atracción electrostática entre los iones positivos y negativos, debilitando dichas fuerzas de atracción - *[Cohesividad:]* Debido a la interacción entre la carga positiva del protón expuesto del átomo de hidrógeno y la carga negativa de los electrones libres del átomo de oxígeno, así, las moléculas de agua se atraen como si de imanes se tratara, formando los llamados puentes de hidrógeno. En el agua líquida, cada molécula está asociada por puentes de hidrógenos a otras cuatro moléculas de agua; en el agua sólida o hielo estos enlaces son rígidos y permanentes. - *[Interacciones Hidrofóbicas]*: Comúnmente se dice que una sustancia es hidrofóbica cuando no se mezcla con el agua, esto es por la falta de enlaces covalentes polares o de cargas polares en su estructura que le impiden interactuar con los polos de las moléculas de agua. Tal es el caso de las grasas animales y los aceites vegetales - *[Interacciones Hidrofílicas]:* Son aquellas donde el agua puede solubilizar compuesto conocidos como hidrófilos, es decir, que se pueden disolver en agua, esto es gracias a la polaridad que hay en la molécula de agua y la molécula que es disuelta, por ejemplo, la sal de mesa (cloruro de sodio NaCl) se compone de sodio (electropositivo Na^+^) y cloro (electronegativo Cl^-^) unidos por un enlace covalente polar, el agua puede romper este enlace al interactuar con las cargas de ambos elementos, los electrones con carga negativa del oxígeno atraen la carga positiva del sodio y los protones con carga positiva del hidrógeno atraen la carga negativa del cloro ***Electrolito y No Electrolito***: Dependiendo de la capacidad de una sustancia disuelta en agua de conducir la electricidad se le puede clasificar en 3 categorías: - Electrolito: Aquella que si es capaz de conducir la corriente eléctrica, por lo general se trata de iones positivos y negativos, es el caso de la sal de mesa que se separa en iones de sodio con carga positiva (cationes) y iones de cloro con carga negativa (aniones) - No electrolito: Aquella que no es capaz de conducir la corriente eléctrica, por lo general se trata de moléculas disueltas y no contiene iones libres, por lo que la corriente no puede viajar a través de ella, por ejemplo los carbohidratos - Electrolito débil: aquella disolución que contiene una mezcla de moléculas con cargas y otras sin cargas, por lo que la electricidad se conduce muy débilmente El agua es un electrólito débil. Ello se debe a la naturaleza de su estructura molecular. Libera el mismo catión que los ácidos (H+ o H3O+; ion hidrógeno o protón, o ion hidronio) y el mismo anión que las bases (OH--; ion hidroxilo), la reacción puede expresarse de la siguiente forma: Siendo H~2~O = la molécula de agua que se disociará. H^+^ = el ion Hidronio o Hidrogenión. OH^-^ = el ion Hidroxilo. (Aq) = significa acuoso. Los electrolitos cumplen funciones relacionadas con la homeostasis (equilibrio) de la concentración de agua y la conducción de impulsos eléctricos. Los no electrolitos como la glucosa cumplen funciones metabólicas relacionadas con la producción de energía Entonces obteniendo su fórmula de constante de disociación así: Siendo K~c~ = la constante de disociación del agua, debido a que la disociación es prácticamente siempre la misma, se puede combinar con una nueva constante K~w~: Teniendo entonces que la constante de disociación del agua es 1,0~x~10^-14^ -------------------- HCl ⇔ H^+^ + Cl^-^ -------------------- Un electrolito es fuerte cuando se disocia completamente hasta el final como por ejemplo el ácido clorhídrico: Los no electrolitos son sustancias que no conducen la corriente eléctrica al estar en disolución acuosa, no se disocian y no forman iones. Un ejemplo seria el azúcar de mesa, no es un electrólito o no es una sustancia electrolítica. Se disuelven como moléculas neutras que no pueden moverse en presencia de un campo eléctrico. ***Distribución porcentual del agua en los compartimientos intra y extracelulares***: El Compartimiento Corporal, está formado por el agua corporal total y los solutos totales, siendo éste a su vez, dividido en dos grandes compartimientos: el Compartimiento Intracelular y el Compartimiento Extracelular. El agua contenida en el compartimiento ***intracelular*** equivale al 70% del agua total en el organismo, y en el compartimiento ***extracelular*** equivale al 30% del agua total. Esta agua del **exterior** celular es 7% **agua plasmática** (plasma sanguínea) y 23% **agua** **intersticial**. En cambio en el compartimiento intracelular solo hay **agua libre** y **agua líquida**. Con respecto al peso corporal, se puede decir que el agua extracelular es el 20% del peso corporal y el agua intracelular es el 40% del peso corporal. A su vez, el agua extracelular está distribuida en dos compartimientos: el **Intravascular**, formado por el volumen contenido dentro del árbol vascular y el **Intersticial**, el comprendido entre las membranas celulares por un lado, y la pared de arterias, venas y capilares, por el otro. ***Fuentes de ingreso de agua al organismo***: - *[El agua en líquidos]*: como la leche, las sopas y las bebidas. - *[El agua misma]*: Esta debería compensar cualquier diferencia entre la absorción y la eliminación. - *[El agua en forma de alimentos sólidos]*: Hortalizas y fruta, por ejemplo, tienen un alto contenido de agua. - *[El agua producida durante el metabolismo]*: Al quemar u oxidar en las células los hidratos de carbono, grasas y proteínas. ***Vías normales de pérdida de agua en el organismo***: - *[Por la piel]*: En forma de transpiración (sudoración), ésta puede ser sensible (que se puede ver el sudor) y pérdida insensible (o invisible). - *[A través de los pulmones]*: en forma de vapor de agua en el aire expirado. - *[Por medio de los riñones]*: en forma de orina. - *[Por los intestinos]*: en las heces fecales. ***Balance Hídrico:*** Es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al organismo y los que salen del mismo, en un intervalo de tiempo determinado. -------------------------------- ------------------------- **Ingestión:** **Excreción:** Bebidas **1300ml** Respiración **500ml** Alimentos **900ml** Transpiración **700ml** Oxidación Metabólica **500ml** Orina **1400ml** Heces **100ml** -------------------------------- ------------------------- ***Ionización del Agua:*** El agua pura es un electrolito débil que se disocia en muy baja proporción en sus iones hidronio o hidrógeno H~3~O^+^ (también escrito como H^+^) e hidróxilo OH^--^. Dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a las fuerzas de atracción por puentes de hidrógeno que se establecen entre ellas. Al producto de la concentración de iones hidroxonio o hidronio (H~3~O^+^) por la concentración de iones hidróxido o hidroxilo (OH^−^) se le denomina producto iónico del agua y se representa como K~w~. Las concentraciones de los iones H^+^ y OH^--^ se expresan en moles/litro (molaridad). Este producto tiene un valor constante igual a 10^−14^ a 25º C. Debido a que en el agua pura por cada ion hidronio (o ion hidrógeno) hay un ion hidróxido (o hidroxilo), la concentración es la misma. Las concentraciones de hidronios (también llamada de protones) (H^+^) y de hidroxilos (OH^--^) son inversamente proporcionales; es decir, para que el valor de la constante de disociación se mantenga como tal, el aumento de una de las concentraciones implica la disminución de la otra. La ionización del agua tiene una importancia biológica inmensa pues éste regula el metabolismo y es el garante de su buen funcionamiento. ***Ácido y Bases, según Bronsted y Lowry:*** La teoría de Bronsted-Lowry describe el comportamiento de ácidos y bases, resaltando el concepto de pH y su importancia en los procesos químicos, biológicos y ambientales debido a que ayuda a entender por que un ácido o base fuerte desplazan a otro ácido o base débil de sus compuestos, contemplando a las reacciones ácido-base como una competencia por los protones. Un ácido de Bronsted-Lowry se define como cualquier sustancia que tenga la capacidad de perder, o "donar un protón" o hidrogenión \[H+\]. Una base de Bronsted-Lowry es una sustancia capaz de ganar o "aceptar un protón" o hidrogenión \[H+\]. Así, bajo el concepto de Bronsted-Lowry, ácido es sinónimo de donador del hidrogenión \[H+\], mientras que la base significa un aceptor del hidrogenión \[H+\]. La reacción ácido-base es aquella en la que el ácido transfiere un protón a una base. El amoníaco recibe un protón del cloruro de hidrógeno y se comporta como una base de Bronsted-Lowry mientras que el cloruro de hidrógeno al donar el protón se comporta como un ácido de Bronsted-Lowry. Para que una sustancia actúe como un ácido de Bronsted-Lowry es necesario que el hidrógeno esté unido a un átomo más electronegativo que el. De la misma forma, para que una sustancia actúe como base de Bronsted-Lowry es indispensable que tenga un par de electrones no compartidos con el cual pueda establecerse el enlace covalente con el protón. En el organismo por ejemplo el transporte de oxígeno en la sangre se efectúa a un pH ligeramente alcalino de 7.4, la saliva es de grado neutro de 7.0 y los jugos gástricos son ácidos de 2.0. ***pH y pK:*** El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de hidrogeniones \[H~3~O+\] presentes en determinadas sustancias. La sigla significa 'potencial hidrógeno', 'potencial de hidrógeno' o 'potencial de hidrogeniones'. Este término fue acuñado por el químico danés S. P. L. Sørensen, quien lo definió como el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es: ![\\mbox{pH} = -\\exp\_{10} \\left\[ \\mbox{a}\_{H\^+} \\right\]](media/image4.png) Desde entonces, el término \"pH\" se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno. Por ejemplo, una concentración de \[H3O+\] = 1 × 10--7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 ya que: pH = --log \[10--7\] = 7 La escala de pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones en la disolución) y alcalinas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua). Por otro lado pK o pK~a~ es la fuerza que tienen las moléculas de disociarse (es el logaritmo negativo de la constante de disociación ácida de un ácido débil). Se refiere a la constante de ionización de una sustancia. \\mbox{p}K\_a = - \\log K\_a \\, Una forma conveniente de expresar la relativa fortaleza de un ácido es mediante el valor de su pKa, que permite ver de una manera sencilla en cambios pequeños de pKa los cambios asociados a variaciones grandes de Ka (constante de disociación). Valores pequeños de pKa equivalen a valores grandes de Ka y, a medida que el pKa decrece, la fortaleza del ácido aumenta. Un ácido será más fuerte cuanto menor es su pKa y en una base ocurre al revés, que es más fuerte cuanto mayor es su pKa. Esas constantes de disociación no son fijas, dependen de otras variables. Por ejemplo, la constante de disociación cambia a temperaturas diferentes. Sin embargo, mantiene su valor a la misma temperatura, ante cambios de la concentración de alguna de las especies o incluso ante la acción de un catalizador. La importancia del pH en los procesos biológicos es muy grande, ya que es uno de los factores para que se lleven a cabo las miles de reacciones químicas en un organismo, por ejemplo las Enzimas son proteínas que catalizan las reacciones química en los seres vivos, y estas se ven alterado su funcionamiento en base al pH y a otro factor también importante que es la temperatura. Al igual es muy importante en sistemas biológicos como la nutrición humana ya que el pH del jugo gástrico es de 2.0 es decir muy acido, lo cual tiene como principal objetivo disminuir el pH del bolo alimenticio (actúa como solución amortiguadora) y activar enzimas como la pepsina para que estas actúen sobre los alimentos, y en nutrición hay una dieta que es alcalina y consiste en el equilibrio del pH pues de lo contrario esto generaría gastritis y otras enfermedades. ***Fórmula de Henderson-Hasselbalch:*** Es una fórmula química que se utiliza para calcular el pH, de una solución buffer, o tampón, a partir del pKa (la constante de disociación del ácido) y de las concentraciones de equilibrio del ácido o base, del ácido o la base conjugada. ![pH = pK\_a + \\log \\left ( \\frac{\[A\^-\]}{\[AH\]} \\right )](media/image6.png) Donde: pH: Medida de concentración de hidrogeniones. pK: Constante de ionización. \+ log: logaritmo. \[A^-^\]: Base Conjugada \[AH\]: Ácido Conjugado. ***Buffer, tampones o amortiguadores:*** Un tampón, buffer, solución amortiguadora o solución reguladora es la mezcla en concentraciones relativamente elevadas de un ácido débil y su base conjugada, es decir, sales hidrolíticamente activas. Tienen la propiedad de mantener estable el pH de una disolución frente a la adición de cantidades relativamente pequeñas de ácidos o bases fuertes. Este hecho es de vital importancia, ya que solamente un leve cambio en la concentración de hidrogeniones en la célula puede producir un paro en la actividad de las enzimas. Se puede entender esta propiedad como consecuencia del efecto ion común y las diferentes constantes de acidez o basicidad: una pequeña cantidad de ácido o base desplaza levemente el equilibrio ácido-base débil, lo cual tiene una consecuencia menor sobre el pH. Los tampones mantienen la cantidad de ácidos y de bases en equilibrio en un determinado pH en el cual la actividad biológica de las proteínas, hormonas, enzimas, bombas de iones\... sea óptima. En humanos, los valores compatibles con el mantenimiento de funciones vitales son de pH entre 6,8 y 7,8; siendo el intervalo de 7,35 a 7,45 el de normalidad. En concreto, podemos decir que cada líquido fisiológico tiene un nivel característico normal de pH: Sangre arterial: pH= 7,4. Sangre venosa: pH= 7,35. Líquido intersticial: pH= 7,35. Líquido intracelular: pH= 6 - 7,4. Orina: pH= 4,5 -- 8. HCl gástrico: pH= 0,8. Los tampones son los primeros responsables de mantener estos niveles de pH constantes aunque en el organismo se produzcan altas cantidades de ácidos debido al metabolismo. Así, los tampones son el primer nivel de defensa contra los cambios de pH. También contribuyen al equilibrio la regulación respiratoria (segunda línea de defensa) y la regulación renal (tercera línea de defensa). Cuando hay alteraciones debidas a enfermedades de los riñones, pulmones o por diabetes mellitus, el pH se ve alterado y se padece acidosis (pH\7,43).