PROPIEDADES DEL AGUA II

4. MAYOR DENSIDAD DEL AGUA LÍQUIDA

En general para todas las sustancias:

ESTADO SÓLIDO: átomos más juntos, ocupan menos volumen. Es mayor la densidad.

ESTADO LÍQUIDO: átomos más separados, ocupan más volumen. Es menor la densidad.

ESTO ES ASÍ EXCEPTO PARA EL AGUA ENTRE UNAS TEMPERATURAS: EL AGUA SÓLIDA ES MENOS DENSA (ocupa más volumen al separarse los átomos) QUE EL AGUA LÍQUIDA (ocupa menos volumen al juntarse los átomos)

DENSIDAD

Al disminuir la T, los cuerpos contraen su volumen y por tanto aumentan su densidad. Esto también ocurre en el agua, pero al llegar a 4ºC, cesa la contracción y empieza a dilatarse hasta transformarse en hielo a 0ºC.

EXCEPCIÓN EN EL AGUA ENTRE 0º y 4ºC:

Al bajar T desde los 4ºC, los átomos se separan, aumenta volumen y baja densidad, hasta llegar a 0º, punto de congelación.

POR TANTO, EL HIELO TIENE MENOR DENSIDAD QUE EL AGUA LÍQUIDA

Átomos separados formando hexágonos. Mayor volumen y menor densidad.

EL HIELO FLOTA SOBRE EL AGUA LÍQUIDA

Átomos más juntos. Menor volumen y más densidad

• Por regla general, toda sustancia, sea en estado sólido, líquido o gaseoso, se contrae o disminuye su volumen al enfriarse. El agua también sigue esta regla dentro de un amplio intervalo de temperatura. Partiendo de 100º y hasta llegar a 4º C el volumen disminuye en forma continua. A partir de los 4º C y hasta el punto de congelación, el proceso se invierte: en lugar de seguir contrayéndose, el agua se dilata. Esto obedece a que, al disminuir los movimientos moleculares, los puentes de hidrógeno se fijan, congelando a las moléculas en una red en la que las distancias entre una y otra son mayores. En la red cristalina del hielo, las moléculas están más separadas unas de otras que al estado líquido. Caben más moléculas en 1 cm3 de agua líquida que en un 1 cm3 de hielo. Dicho en otros términos: la densidad o relación masa/volumen del agua líquida es mayor que la densidad del hielo.

• A medida que el agua se enfría hacia su punto de congelación, las moléculas se mueven más despacio, lo suficiente como para que se forme su máximo nº de puentes de H. Para ello, las moléculas de agua en el agua líquida deben apartarse dejando espacio suficiente para que quepan los 4 puentes de H. Así el agua se expande a medida que se congela de forma que el hielo tiene más volumen y menos densidad que el agua líquida.

Cada molécula de agua forma el máximo de 4 puentes hidrógeno en una red cristalina regular.

En el agua líquida, cada molécula forma un promedio de 3.4 puentes hidrógeno con otras moléculas de agua.

La red cristalina del hielo ocupa mas espacio que el mismo número de moléculas de agua líquida. El hielo es menos denso que el agua líquida y por eso flota.

Estructura del hielo

Dilatación anómala del agua

¿Por qué el hielo flota en el agua líquida si la densidad en los sólidos aumenta con respecto a los estados líquidos?

El agua tiene densidad máxima a 4ºC

El agua, a 4 ºC presentala máxima densidad (cadamolécula establece demedia 3,4 puentes de H).

La estructura del hielo (0 ºC)resulta menos densa que la delagua líquida (cada moléculaestablece 4 puentes de H).

.

El hielo flota sobre el agua líquida: capa superficial termoaislante

Gracias al comportamiento anómalo del agua, ésta empieza a congelarse desde la superficie hacia abajo. Es esta costra de hielo lo que sirve de abrigo a los seres que viven abajo, pues aunque la T ambiental sea extremadamente baja (-50º -60ª), el hielo de la superficie mantiene constante su T en 0º y el agua del fondo queda protegida térmicamente del exterior, y puede alcanzar los 4 o 5ºC, que es suficiente para la supervivencia de ciertas especies.

Función: Supervivencia de seres vivos bajo el hielo

5. Alta reactividad químicaBajo grado de ionizaciónSe ioniza y proporciona al medio H+ y OH- para reacciones celulares ( se ioniza 1 molécula de cada 550 millones)

Ionización• 2 moléculas de agua pueden ionizarse debido a las fuerzas de atracción por puentes de

hidrógeno que se establecen entre ellas. El proceso es el siguiente: un ion hidrógeno de una molécula se disocia de su átomo de oxígeno (el oxigeno se queda con el par de electrones del enlace covalente robándoselo al hidrógeno), al que se encuentra unido covalentemente, y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de la otra molécula, con el que ya mantenía relaciones mediante el puente de hidrógeno. Ésta es la causa de que el agua no sea pura, ya que se trata de una solución iónica que siempre contiene algunos iones H3O+ y OH- (por convenio se utiliza el símbolo H+ en lugar de H3O+, aunque no hay que olvidar que en el agua no existen protones desnudos H+, sino hidratados en forma de ión hidronio H3O+.

• En el agua pura a 25ºC el producto H+ . OH- = 10 -14 se denomina producto iónico del agua, y es la base para establecer la escala de Ph que sirve para medir la acidez o alcalinidad de una disolución acuosa.

HidrogenionesHidroxilos

En el agua líquida hay una leve tendencia a que un átomo de hidrógeno salte del átomo de oxígeno al que está unido covalentemente, al otro átomo de oxígeno al que se encuentra unido por puente de hidrógeno. En esta reacción se producen 2 iones: el hidróxido y el hidronio. En cualquier volumen dado de agua pura se encuentra así ionizado un nº pequeño pero constante de moléculas de agua. El nº es constante porque la tendencia del agua a ionizarse se contrapesa con la tendencia de los iones a reunirse.Así, aunque algunas moléculas están ionizándose, otras están formándose: equilibrio dinámico.

+-

H2O + H2O H3O+ + OH-

+ -++

Ión hidronio

Ión hidroxilo

El agua pura estará formada por moléculas de agua y una pequeñacantidad de iones hidroxilos e hidronios

IONIZACIÓNDEL AGUA

En las células sirvenpara las reacciones de hidrólisis

  Bajo grado de ionización. De cada 551000000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada:

Por eso, la concentración de iones hidronio (H30+) e hidroxilo (OH-) es muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H30+] = [OH-] = 10-7).

Se utiliza el pH o magnitud potencial de hidrógeno para indicar la [H+] o grado de acidez del medio. Dados los bajos niveles de H30+y de OH- , si al agua se le añade un ácido (se añade H30+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente.

En el agua pura la [H+] es igual a 10 -7, por lo que el pH es igual a 7, neutra. Cuando una disolución tiene una [H+] superior a 10 -7, el pH es inferior a 7 y la disolución es ácida. Si la disolución presenta una [H+] inferior a 10 -7, el valor del pH será superior a 7 y será básica.

• Ácido: especie química que tiende a

• ceder protones (H+)

• Base: especie química que tiende a

• aceptar protones (H+)

• AH …………… A- + H+

• B + H+…………………. BH+

+-

Los ácidos disminuyen el valor del pH del agua pues aportan iones [H3O+].

H2O + HA H3O+ + A-

+

+

Las bases aumentan el valor del pH del agua pues captan iones [H3O+].

HOB + H3O+ 2H2O + B+

9. SISTEMAS TAMPON O AMORTIGUADORES DE pH Los líquidos que forman el medio interno tienen un pH constante próximo a la neutralidad. Para que los procesos biológicos que tienen lugar en este medio interno se desarrollen con normalidad, es necesario que no se produzcan variaciones bruscas del pH. En los procesos metabólicos se están desprendiendo continuamente productos ácidos y básicos que variarían el pH. Para evitar esto los seres vivos han desarrollado unos mecanismos químicos que tienen como función mantener constante el pH del medio interno. Estos mecanismos son las disoluciones amortiguadoras, reguladoras, tampón o buffer Estas soluciones están formadas por una mezcla de dos sustancias que actúan una como ácido y la otra como base y que se mantienen en equilibrio. Por lo general suelen ser un ácido débil y la sal de dicho ácido. El funcionamiento en esencia consiste en lo siguiente: AH A- + H+ ácido base Si hay un aumento de H+ en el medio disminuye el pH, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, actúa el componente básico de la reguladora que reacciona con ellos y se rebaja la concentración de H+ y el pH aumenta. Si hay una disminución de H+ aumenta el pH-, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, actúa el componente ácido de la reguladora y se liberan H+ aumentando su concentración y disminuye el pH.

SISTEMAS TAMPÓN

• Los valores de pH en diferentes compartimentos del organismo deben ser mantenidos dentro de rangos muy estrechos, para que el metabolismo se lleve a cabo adecuadamente. Pequeñas desviaciones en el pH sanguíneo causan la muerte. Para compensar esas desviaciones del pH, tanto en la sangre como en la célula existen los buffers o amortiguadores. Un buffer es un moderador del pH que está compuesto por un par conjugado ácido/base. Al contener el ácido y la base, el buffer puede ceder o captar protones según las circunstancias, retornando el pH a sus valores normales.

• Cuando hay exceso de H+, éstos son tomados por la base que se transforma en un ácido. Si hay pocos H+, éstos son cedidos por el ácido que se transforma en la base

Buffer, amortiguadores o tampones

Tampón ácido carbónico (H2CO3) y hidrógeno carbonato de sodio (NaHCO3)

• Si en el organismo se producen sustancias ácidas en exceso, éstas se ionizarán y los hidrogeniones causarían un aumento de acidez:

• HA--------A- + H+• Para que esto no tenga lugar, el hidrógeno carbonato del tampón reacciona con la sustancia

ácida:• HA + NaHCO3----------- NaA + H2CO3

• La sal NaA es neutra, y además su exceso se elimina por orina. El ácido carbónico se descompone en dióxido de carbono y agua. El agua es neutra y el CO2 se expulsa por pulmones. Así se evita la acidez que provocarían los iones H+. Se parte de una sustancia ácida HA y se obtiene una sal neutra, agua y CO2 que se elimina.

• Cuando se producen demasiadas sustancias básicas, al ionizarse originan hidroxilos que harían variar el Ph hacia la basicidaz:

• BOH-------------- B+ + OH-• Para oponerse a este cambio, el ácido carbónico del tampón reacciona:• BOH + H2CO3 ……………….. BHCO3 + H2O• El agua y la sal son neutras y el exceso se elimina al medio.

• Así los tampones se oponen automáticamente a los cambios de PH y se mantiene la neutralidad de los líquidos orgánicos.

Supongamos que el organismo se ve sometido a un exceso de ácido clorhídrico que, en  consecuencia  liberará    protones  que  harán  disminuir  el  pH.  En  este  momento entra en funcionamiento el sistema amortiguador y ocurre lo siguiente: 1.- La sal (bicarbonato sódico) reacciona con el ácido clorhídrico:

CO3HNa + ClH NaCl + H2CO3

La sal que se forma (NaCl) es neutra y, aunque se disocie, no libera protones y, además, es habitualmente expulsada por la orina. 2.- El ácido carbónico que se ha formado podría incrementar la acidez, pero rápidamente se descompone en CO 2, que se libera con la respiración, y agua que es neutra:

CO3H2 CO2 + H2O

En resumen, todos los hidrogeniones que podrían provocar un estado de acidez desaparecen manteniéndose el estado de neutralidad.

Aumenta H+Aumenta OH-

Si en las reacciones celulares:

1. Se desprenden H+ (aumenta la acidez y el PH disminuye) éstos son absorbidos porel tampón.2. Se desprenden OH- (aumenta la alcalinidad y el PH) el tampón libera H+

Así en el interior celular H+ = OH- , es decir, el PH es 7.

Otra consecuencia de la capacidad de disociación del agua es que permite que actúe como reactivo químico en las reacciones metabólicas de hidrólisis, introduciendo una molécula de agua:

A-B + H2O AH + BOH El agua y los productos de ionización participan en las reacciones de hidrólisis (para dividir grandes moléculas). El proceso inverso se llama condensación (moléculas sencillas se unen para formar otras mayores) y origina o desprende moléculas de agua que se denominan agua metabólica (camellos)

Función bioquímica: Actúa de reactivo

En las células, el agua proporciona los hidroxilos y los hidrogeniones necesarios para las reacciones de hidrólisis, en las que se rompen enlaces de moléculas con intervención del agua

El agua y sus productos de ionización intervienen en reacciones metabólicas como por ejemplo:

1.Fotosíntesis: Actúa como fuente de protones y electrones. Además es la molécula que al romperse origina el oxígeno

2. Hidrólisis: El agua provoca la rotura de una molécula en sus componentes.

Función estructural

Función mecánica amortiguadora

Al ser incompresible, permite la función amortiguadora en las articulaciones de vertebrados ya que las lubrica y reduce el rozamiento entre cartílagos y huesos.El líquido cefalorraquídeo también amortigua golpes.

Función estructural

El agua ocupa la mayor parte del volumen celular en la vacuola (turgencia)

EL AGUA: Líquido incompresible

Líquido incompresible:

Debido a la cohesión entre las moléculas, el volumen de agua líquida no disminuye apreciablemente aunque se apliquen presiones muy altas. Esta propiedad controla las deformaciones citoplasmáticas y permite que el agua actúe como esqueleto hidrostático.

7. Elevada fuerza de adhesión (unión de moléculas de agua aotras superficies sólidas)

El fenómeno de capilaridad depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas de agua entre sí. Esta propiedad explica por ejemplo, que la savia bruta ascienda por el xilema

Adhesión: Fuerza que mantiene unidas las moléculas de sustancias diferentes

Capilar devidrio

Fuerzas deadhesión

Las fuerzas de adhesión entre las moléculas de agua yel vidrio, son mayores que las de las moléculas de aguaentre sí. Por esto el líquido asciende por las paredes delCapilar: CAPILARIDAD

CAPILARIDAD: el agua asciende por un tubo gracias a la cohesión y adhesión de las moléculas del agua a las paredes del tubo (ascensión de savia bruta)

8. Elevada tensión superficial

La gran cohesión del agua hace que tienda a “cerrarse” sobre sí misma. Por eso las gotas tienen forma esférica, ya que ésta es la forma que opone menor superficie para un volumen dado.La fuerte cohesión provoca que la superficie del agua se comporte como una película o membrana. Esta fuerza resultante de la cohesión se llama tensión superficial. Su superficie opone una gran resistencia a romperse, a que se separen sus moléculas.

Capilaridad NM3 Física

Superficie

Tensión superficial

Capilaridad NM3 Física

• En las moléculas que están presentes en un líquido, por ejemplo agua, hay fuerzas de atracción entre ellas, las que hacen que el líquido esté cohesionado.

• La resultante entre esas fuerzas hace que se anulen.

Tensión superficial

Capilaridad NM3 Física

• Ahora bien, si esa molécula está en la superficie, las moléculas que están debajo y a los lados sienten fuerzas hacia abajo y hacia el lado respectivamente, pero no hacia arriba, porque allí no hay moléculas.

• Entonces tenemos una resultante que empuja a la molécula hacia abajo.

Tensión superficial

Capilaridad NM3 Física

Superficie

Tensión superficial

Capilaridad NM3 Física

Capilaridad NM3 Física

• Imaginemos que esto está ocurriendo en todas las moléculas de agua que están en la superficie.

• Entonces tenemos que las moléculas están encadenadas.

• Este encadenamiento hace a la superficie del líquido comportarse como si fuese una membrana elástica

Tensión superficial

Capilaridad NM3 Física

Superficie

Tensión superficial

9. Alta conductividad térmica.

Disipa el calor desprendido en las reacciones metabólicas

• Esta propiedad determina que el calor aplicado a un punto de una masa de agua no se acumule en dicho punto, sino que ese calor se transmite al resto de la masa de agua. Esto evita la acumulación de calor en un determinado punto del organismo. El calor se distribuye gracias a la estructura reticular del agua y ello permite que toda la masa se caliente al mismo tiempo, necesitándose, además, una gran cantidad de energía para calentar una masa de agua.

Propiedades del agua

1. Elevada fuerza de cohesión2. Elevada tensión superficial3. Elevada fuerza de adhesión (capilaridad).4. Elevado calor específico.5. Elevado calor de vaporización.6. Alta conductividad.7. Densidad máxima a 4ºC. 8. Elevada capacidad disolvente:-Solvatación iónica-Alta constante dieléctrica9. Bajo grado de ionización (Disociación del agua)

Funciones del agua

1. Función disolvente de las sustancias. 2. Función bioquímica (reactivo)3. Función de transporte. 4. Función estructural. 5. Función mecánica amortiguadora. 6. Función termorreguladora.

FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUAFUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

Aporta H+ y OH- en reacciones bioquímicas,

El agua pura es capaz de disociarse en iones

Capacidad de disociación iónica

Mares y ríos se hielan sólo en su superficie. Permite vida bajo el hielo

Los puentes de hidrógeno “congelados” mantienen las moléculas más separadas

Más densa líquida que sólida

Mantiene forma y volumen de las células; permite cambios y deformaciones del citoplasma , turgencia en plantas, esqueleto hidrostático, amortiguación en articulaciones

Los puentes de hidrógeno mantienen juntas las moléculas de agua

Alta cohesión

Transporte de sustancias y de que en su seno se den todas las reacciones metabólicas

La mayoría de las sustancias polares se disuelven en ella al formar puentes de hidrógeno.

Es un excelente disolvente

Desplazamiento de algunos organismos sobre el agua

Las moléculas superficiales están fuertemente unidas a las del interior, pero no a las externas de aire.

Elevada tensión superficial

Para elevar su Tª ha de absorber mucho calor, para romper los puentes de H.

Alto calor específico

Función termorreguladora: ayuda a mantener constante la temperatura corporal de los animales homeotermos.

La energía calorífica debe ser tan alta que rompa los puentes de hidrógeno.

Alto calor de vaporización

Medio de transporte en el organismo y medio lubricante

Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas unidas

Líquida a Tª ambiente

FUNCIÓN BIOLÓGICADEBIDA APROPIEDAD

Alta adhesión Unión de moléculas de agua a otras sustancias

Ascenso de la savia bruta por capilaridad