AGUA , PH Y BUFFERS

TEMA 3: AGUA, PH Y BUFFERS
Lic: María Rosa Fernández
Agua, estructura y propiedades
El agua es el componente más abundante en los seres vivos. En el cuerpo humano
ocupa un porcentaje aproximado de 60%.
Se puede considerar distribuido en dos tipos de líquidos celulares:
Líquido intracelular y Líquido extracelular.
1-Líquido Intracelular: contiene la mayor parte del agua corporal.
2-Líquido extracelular: contiene el resto del agua circundante, a su vez podemos
subdividirlo en varios compartimientos:
a-Líquido Intersticial: en un 25 % ocupa el espacio entre las células.
b-Líquido plasmático: en un porcentaje del 7-8%, se encuentra en los vasos
sanguíneos y linfáticos.
c-Otros líquidos extracelulares: líquido cefalorraquídeo, líquido pleural, líquido
intraocular, cabe aclarar que este último presenta una composición bastante
diferente de los otros líquidos extracelulares.
Es importante considerar que una característica de las células vivas es que son
capaces de
mantener constantes las propiedades y la composición química de
estos líquidos celulares.
El agua que circula en el organismo proviene de una ingesta externa por medio de la
dieta y en menor proporción, es sintetizada en las reacciones metabólicas que
ocurren entre las células.
Por otro lado es expulsada al exterior a través de la orina, las lágrimas y el sudor.
Funciones de agua en el organismo
La importancia del agua en el organismo es debida a la diversidad de funciones que
cumple, ya que no es un compuesto inerte, sino que interviene en numerosos
procesos fisiológicos.
Entre estas funciones se destacan:
1-Es el disolvente universal de todas las sustancias, tanto orgánicas como
inorgánicas que circulan en el cuerpo, esto es importante ya que para que se
produzcan las reacciones metabólicas en el organismo las sustancias reaccionantes
deben estar disueltas. De igual forma, el agua es fácilmente ionizable e interviene en
mayor o menor medida manteniendo ciertos límites de alcalinidad ó acidez, y
permite de esa manera que algunas reacciones enzimáticas por ejemplo, puedan
llevarse a cabo.
2-Es el vehículo necesario para la circulación de los nutrientes en el organismo. Por
medio de la digestión los alimentos se disuelven en el agua corporal y de esta forma
se facilita el intercambio de materiales a través de las membranas celulares.
3-Además debido a sus propiedades físico-químicas es un líquido de acuerdo a la
estructura de sus moléculas.
Estructura química del agua
Químicamente el agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de
hidrógeno que se unen por medio de dos enlaces covalentes al oxígeno, su fórmula
es H2O y su peso molecular 18 gr/mol.
El agua se comporta como un dipolo eléctrico por la estructura que toman los tres
átomos que existen en su molécula. En general en un enlace covalente los dos
electrones que forman dicho enlace se comparten, pero en el caso del agua al ser el
átomo de oxígeno mucho más electronegativo que los iones hidrógeno atraen hacia
él gran parte de la nube electrónica de los enlaces covalentes cargándose el
oxígeno de una densidad de “carga negativa” y dejando en los átomos de hidrógeno
una cierta densidad de “carga positiva”, siendo en conjunto una molécula
eléctricamente neutra, y por esta causa la molécula adopta forma de V, en la que el
átomo de oxígeno ocupa el vértice y los átomos de hidrógeno los dos extremos.
Además entre las moléculas de agua existen uniones débiles llamadas puente
hidrógeno responsables de las fuerzas de cohesión entre moléculas y debido a eso
el agua se comporta como un líquido.
Uniones puente hidrógeno entre las moléculas de agua.
O
°*
°*
H
H
O
°*
°*
H
H
O
°*
H
°*
H
O
°*
H
°*
H
Propiedades físicas del agua.
1-Transparencia.
Como sabemos el agua es un líquido incoloro transparente a la luz, esto es de gran
importancia, ya que gracias a esta característica la luz solar puede atravesar el agua
en mares y ríos y permitir que exista la vida acúatica en las profundidades, y permitir
el desarrollo de organismos que son los primeros eslabones en las cadenas tróficas,
además del crecimiento de algas y líquenes.
También permite que los cloroplastos de las células vegetales puedan realizar la
función fotosintética que transforma materia inorgánica en orgánica, muy importante
para el mantenimiento de los seres vivos.
2-Densidad.
Casi todas las sustancias presentan mayor densidad al estado sólido, este no es el
caso del agua, en estado líquido el agua posee mayor densidad que el hielo, y por
eso es que el mismo flota en el agua, y permite vida para las especies acuáticas
animales y vegetales que viven en las zonas muy frías como la Antártida.
3-Constantes Térmicas.
En todos los líquidos existen magnitudes líquidas de un valor constante, en el caso
del agua, esos valores son más elevados en comparación con otros líquidos de
estructura química similar, esa diferencia responde a las uniones puente hidrógeno
entre las moléculas de agua, de tal manera que el agua posee un punto de
ebullición, punto de fusión, calor específico y calor de vaporización elevados.
Desde el punto de vista fisiológico esto es muy importante ya que el agua cumple un
efecto termorregulador, es decir conduce el calor rápidamente desde una zona a
otra del organismo para igualar su temperatura y además actúa como amortiguador
térmico protegiendo al organismo de temperaturas extremas.
4-Constante dieléctrica
Es un parámetro que en el agua es elevado y esto hace que los electrolitos como
ClNa se disuelvan fácilmente en ella y permanezcan disueltos.
Difusión
Podemos definir este proceso como el movimiento de partículas de un soluto en una
solución para distribuirse homogéneamente en toda la solución.
En la figura podemos observar en una zona un recipiente lleno de agua pura, en el
que introducimos un poco de tinta, al poco tiempo todo el soluto se comienza a
distribuir uniformemente en el solvente, agua, esto es debido a que las partículas de
la solución se mueven continuamente al azar.
Este movimiento se produce desde donde hay mayor concentración de soluto, tinta,
hacia donde hay menos, entonces es un movimiento a favor de gradiente de
concentración.
A
B
C
Osmosis
Si tenemos un recipiente dividido en dos compartimientos por medio de una
membrana semipermeable:
Soluto: ClNa
Podemos decir que ósmosis es el pasaje del solvente desde el lado en donde la
solución está más diluida hacia donde la solución está más concentrada, ya que las
moléculas
de
soluto
no
pueden
atravesar
la
membrana
semipermeable,
conservando la tendencia a igualar las concentraciones de ambos lados de la
membrana.
Membrana semipermeable: es una película porosa que sólo permite el paso de
moléculas de solvente pero no de soluto, ej. pergamino, vejiga de animales.
Presión osmótica.
Es la presión que debe ejercerse sobre una solución para mantenerla en equilibrio
con el disolvente puro y evitar que éste pase hacia la solución cuando ambos están
separados por una membrana semipermeable.
Esto tiene gran importancia en los seres vivos ya que debe mantenerse constante un
equilibrio entre medio interno y el exterior.
Si tenemos una solución con una presión osmótica determinada en comparación a
ella habrá:
a) soluciones isotónicas:son las que tienen la misma Presión Osmótica que la
solución dada porque la concentración de solutos puros no difusibles es igual en
ambas.
b) Soluciones hipotónicas : tienen menor presión osmótica porque su concentración
de solutos no difusibles es menor que en la solución dada.
c) Soluciones hipertónicas: tienen mayor presión osmótica porque su concentración
de solutos no difusibles es mayor que en la solución dada.
Ej: Hematíe o glóbulo rojo en distintas soluciones
1-Medio hipotónico( agua destilada ), entra agua hasta que se hincha y se rompe,
esto se llama hemólisis.
GR
H2O destilada
2-Isotónico: plasma sanguíneo: conserva sus características normales.
3-Hipertónico: agua salada. Sale agua de la célula de modo que se arruga, a esto se
lo denomina plasmólisis.
Acidos y Bases. PH
Acidos: se puede definir un ácido a las sustancias que al ionizarse liberan iones H+
al medio, que en sí no quedan libres, sino que son captados por otras sustancias.
Se los puede clasificar en ácidos fuertes, que son aquellos que en un medio acuoso
se disocian totalmente Ej. Ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico; y también
existen los ácidos débiles cuya disociación se realiza en forma parcial ej: ácido
acético, ácido benzoico, al disociarse estos últimos en forma parcial podemos
plantear un equilibrio entre la parte disociada y la sin disociar ej:
AcH
Ácido
Ac- + H+
ion acetato + protón
La doble flecha indica una reacción reversible, de forma tal que podemos escribir
una constante de equilibrio:
[Ac-] x [H+]
Keq=
[ AcH]
Nota Importante: como los ácidos fuertes se disocian totalmente, se dice que su
constante de equilibrio tiende a infinito, es decir a un valor sumamente grande, y por
eso NO SE PLANTEA NUNCA UNA CONSTANTE DE EQUILIBRIO DE UN ACIDO
FUERTE.
Bases: son sustancias capaces de captar los protones liberados como tal por los
ácidos ó liberar grupos oxidrilos, al igual que en los ácidos hablaremos de bases
fuertes y bases débiles, ej de base fuerte NaOH, KOH y de base débil NH3 .
En el medio de reacción, que en la mayoría de los casos es acuoso, donde se
producen estas reacciones, cuando un ácido de la molécula donante queda cargada
negativamente se llama anión, en cambio cuando una base capta un protón H + o
cede un oxidrilo HO- esa molécula queda cargada positivamente y se llama catión
En fórmula esto se puede expresa así:
A
B- + H+
Ácido
base conjugada
Sales: Son electrolitos que al disociarse no producen ni H+ ni HO- sino cationes y
aniones
Ej ClNa
Sal neutra
Cl- + Na+
anión catión
Disociación del agua. Producto íonico
El agua como tal no siempre se encuentra así, sino que es una mezcla de moléculas
sin disociar:H2O, iones hidronio H3+O e iones oxidrilo HO- .
Las moléculas de agua se dice que son anfóteras, es decir que se pueden
comportar como ácidos y bases liberando o captando protones en el medio.
Una reacción entre dos moléculas de agua ocurre de la siguiente manera:
H2O + H2O
H 3O+ + HO- cuya Keq sería
= [ H 3O+ ] x [ HO- ]
[ H2O ] x [ H2O ]
Esta reacción está muy desplazada hacia la izquierda, eso significa que existen
muchas más moléculas sin disociar que ionizadas, entonces al ser el denominador
tan grande y constante se puede incluir en la constante de equilibrio Keq, y se
denomina producto iónico del agua, cuyo valor es de 1x10-14
Kw = [ H3 O+ ] x [ HO- ] = 1x10-14
En el agua pura la concentración de oxidrilos [HO- ] es igual a la [H+ ]= 1x10-7 ,
entonces podemos decir que el agua es químicamente neutra.
Concepto de pH
Como vimos anteriormente los valores que determinan la acidez ó alcalinidad de una
solución son muy bajos numéricamente hablando y es difícil trabajar con ellos,,
entonces fue conveniente tener una escala arbitraria de valores que nos indiquen la
naturaleza de una solución.
Así surgió el concepto de pH, una escala para medir la concentración de protones
[ H+] en una solución dada.
Por definición pH = - lg [ H+ ].
La escala de los valores varía de 0 a 14, entonces dependiendo del valor de pH
tendremos:
a) pH =7 la solución es neutra ya que [ H+ ] = [ HO- ]= 1 x 10-7
b) pH < 7 solución ácida porque la [ H+ ] es mayor que en una solución neutra
ej:10-5 entonces el pH es 5.
c) pH >7 solución básica ó alcalina, la [ H+ ] es menor que en una solución neutra
d) ej: 10-8 entonces el pH es 8.
En resumen.
0
7
Solución ácida
14
Solución alcalina
Solución neutra
Soluciones reguladoras de pH. Sistemas buffers
El mantenimiento del pH de los líquidos corporales es fundamental para que puedan
realizarse en el organismo todas las reacciones metabólicas correctamente. En el
organismo existen principalmente tres barreras defensivas:
1-Las soluciones Buffers
2-Los pulmones
3-Los riñones
En este capítulo solo nos interesan las soluciones buffers puesto que son las que
se oponen a los cambios bruscos del valor de pH de un organismo y permiten
que este tenga un valor constante dentro de ciertos límites.
Por ejemplo si comparamos la variación del pH de agua y de la sangre cuando a
ambas se les agrega la misma cantidad de ácido, se observa una variación de
pH brusca en el agua, mientras que no ocurre lo mismo con la sangre.
Estas soluciones amortiguadoras ó buffers están constituidas por una mezcla de
dos sustancias:
1-Un ácido débil y la sal de dicho ácido con una base fuerte, ej
ácido acético CH3COOH , también lo simbolizamos Ac- y acetato de sodio
CH3COO- ó AcEl acetato de sodio se obtiene de hacer reaccionar:
AcH + NaOH
AcNa + H2O
2-Una base débil y su sal con un ácido fuerte, por ejemplo amoníaco NH3 y
cloruro de amonio Cl NH+4 que se obtiene de hacer reaccionar amoníaco con
ácido clorhídrico
NH3 + ClH
ClNH+4
En el organismo existen varias soluciones amortiguadoras cuya función es
regular el equilibrio ácido-base, es decir mantener el pH dentro de los límites
fisiológicos, los más importantes son:
1-Sistema ácido carbónico-bicarbonato. Este es el principal sistema buffer del
plasma sanguíneo. Está constituido por una mezcla de ácido carbónico (H 2CO3)
que actúa como dador de H+, y iones bicarbonatos (HCO3-) que actúa como
aceptor de protones.
Lo importante de este sistema de regulación es que actúa en forma conjunta con
la respiración, ya que el ácido carbónico se forma a expensas de dióxido de
carbono (CO2) y H2O. Este sistema es muy eficaz para mantener el pH
plasmático aproximadamente en 7,4 que es el pH óptimo de la sangre.
2-Sistema fosfato monobásico-fosfato dibásico, este es el segundo sistema
amortiguador en importancia y actúa en el interior de las células, donde la
concentración de fosfato es abundante. El fosfato monobásico actúa como dador
de protones y el dibásico como aceptor de protones. El pH que regula es de
aprox. 7,4 similar al del plasma sanguíneo.
3-Sistema de proteínas plasmáticas. Las proteínas poseen carácter anfótero, lo
que les permite actuar como ácidos en los sistemas básicos y bases en los
sistemas ácidos y de esa forma pueden regular el pH como en los sistemas
anteriores.
4-Sistema Hemoglobina: es un sistema amortiguador que a corto plazo es más
potente que el sistema bicarbonato, su capacidad amortiguadora está basada en
la diversidad de grupos ácidos y básicos existentes en los aminoácidos de sus
moléculas.
Efectos de las alteraciones del equilibrio ácido-base
El pH normal del plasma es de 7,4, un pH más bajo esta indicando una anomalía
que se denomina acidosis. Si el pH es más alto se denomina alcalosis.
El primer tipo es de origen respiratorio, cuando existe una disminución en la
ventilación pulmonar, se produce una mayor producción de CO2 lo que lleva a
una mayor producción de ácido carbónico, al revés, si los pulmones realizan una
hiperventilación eliminan demasiado CO2 y se produce una alcalosis respiratoria.
La acidosis metabólica se da cuando disminuye la concentración de bicarbonato
en el plasma sanguíneo, ej en individuos con diarreas y vómitos ó hay una
disminución en la excreción de protones a nivel de los túbulos renales, por el
contrario se da una alcalosis metabólica cuando se retienen grandes cantidades
de bicarbonato plasmático ya sea por una alteración orgánica o por una ingesta
excesiva de bicarbonato.
Lic: María Rosa Fernández