agua - Medicina Univalle 2014

IMPORTANCIA DEL AGUA EN EL MUNDO BIOLOGICO
• Facilita las reacciones metabólicas
• Amortigua cambios de temperatura
• Interviene en el transporte de sustancias
• Lubrica y amortigua el roce entre órganos
• Favorece la circulación y turgencia
• Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos
• Es reactivo en reacciones metabólicas.
Importancia biológica del agua
Las propiedades del agua permiten aprovechar esta
molécula para algunas funciones para los seres vivos.
•
Disolvente polar universal: el agua, debido a su elevada constante dieléctrica, es el mejor
disolvente para todas aquellas moléculas polares. Sin embargo, moléculas apolares no se
disuelven en el agua.
•
Medio en el cual se realizan reacciones químicas: debido a ser un buen disolvente, por
su elevada constante dieléctrica, y debido a su bajo grado de ionización.
•
Función estructural: por su elevada cohesión molecular, el agua confiere estructura,
volumen y resistencia.
•
Transporte: por ser un buen disolvente, debido a su elevada constante dieléctrica, y por
poder ascender por las paredes de un capilar, gracias a la elevada cohesión entre sus
moléculas, los seres vivos utilizan el agua como medio de transporte por su interior.
•
Función amortiguadora: debido a su elevada cohesión molecular, el agua sirve como
lubricante entre estructuras que friccionan y evita el rozamiento.
•
Función termorreguladora: al tener un alto calor específico y un alto calor de
vaporización el agua es un material idóneo para mantener constante la temperatura,
absorbiendo el exceso de calor o cediendo energía si es necesario.
•
Recordar que……..
El mundo biológico está
constituído principalmente por
átomos pequeños
La biosfera y el cuerpo humano,
están constituídos por 70% de agua
Durante el invierno, a pesar de las
bajas temperaturas, en el interior
de los lagos congelados, hay vida
En la luna las noches son muy frías,
en tanto que en la TIERRA SON
MAS CÁLIDAS ……..
No existe un líquido que disuelva
mas sustancias que el agua
Algunos insectos pueden caminar
sobre el agua
Los árboles llevan agua hasta lo
mas alto de sus hojas a pesar de la
gravedad
Sudar es un mecanismo para
regular su temperatura
….lo anterior es posible debido a las
propiedades del AGUA, las cuales son el
resultado de la estructura química de la
misma……
Y entonces cómo es la molécula del AGUA?
Cada molécula de agua está compuesta por un átomo
de Oxígeno, unido a dos átomos de Hidrógeno (H2O),
mediante enlaces covalentes y que se orientan
describiendo un tetrahedro asimétrico…..
δ-
δδ+
δ+
La molécula es un Dipolo Eléctrico
H pobre en
electrones
 carga
+
e-
positiva
ee-
e- e-
0.0965 nm
e-
O2 rico en
electrones
ee-
 carga
negativa
…es una sustancia polar y su
reactividad depende de esta
característica….
DIPOLO
ELÉCTRICO
La distribución electrónica en cada molécula de agua
representada mediante los siguientes modelos …..
δ+
δ+
δ….le permite unirse mediante un enlace de hidrógeno
con cada una de cuatro moléculas vecinas de agua.
Estos enlaces de hidrógeno
son débiles (tienen poca
energía de enlace).
INTERACCIONES
ENTRE MOLÉCULAS
DE AGUA
Pares de
electrones
“libres” del O
Electrones
del enlace
Estructura
electrónica de una
molécula de H2O
Puentes de hidrógeno
en el agua
Los enlaces de H se
hacen y deshacen
permanentemente.
En el agua líquida,
un enlace de
hidrógeno dura en
promedio 10-11 s
En su estado
sólido, el agua es
una estructura
rígida, cristalina,
y muy ordenada.
Temperatura < 0°C
En el hielo, las
moléculas de agua
están muy
organizadas y algo
separadas
A medida que
aumentamos la
temperatura, el
agua pasa del
estado sólido al
estado líquido.
La estructura pierde su
organización y aumenta la
relación de molécula por
volumen
A 4°C las
moléculas están
mas próximas
que en el hielo,
y se alcanza la
máxima
densidad
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA……
No
tan
densamente
empacado como el agua
líquida  el hielo flota
sobre el agua líquida.
Densidad hielo : 0.92 g/mL
Densidad agua : 1 g/mL
DENSIDAD DEL AGUA: máxima a 40C
La formación de enlaces de H
es un fenómeno cooperativo
1,01
1
0,99
0,98
0,97
0,96
0,95
0,94
Density (g/ml)
0,93
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
La estructura de cristal que se
forma en hielo sólido tiene
realmente grandes huecos.
Por consiguiente, en un
volumen dado de hielo, hay
menos moléculas de agua
que en el mismo volumen de
agua líquida. En otras
palabras, el hielo es menos
denso que el agua líquida y
flotará en la superficie del
líquido.
Por qué los lagos solo se congelan en
la superficie, a pesar de que la
temperatura sea muy baja?
De no ser así, durante el invierno no
sería posible la vida en lagos y
lagunas.
Se sigue
aumentando la
temperatura...
En este proceso,
la energía en
forma de calor,
rompe los
enlaces de
hidrógeno.
En el vapor de
agua, las
moléculas están
mas separadas, y
presentan pocos
enlaces de H
HIELO
O
oC
HIELO
DERRITIENDOSE
>O
OC
AGUA
LIQUIDA
O – 100 O C
AGUA EN
EBULLICION
100 O C
Por qué el agua es un regulador del
clima mundial, y por qué nuestro
cuerpo mantiene su temperatura?
Debido a la gran cantidad de enlaces de hidrógeno, el agua
es una sustancia con propiedades muy especiales.
PROPIEDAD
IMPORTANCIA
Alto Calor Específico
4.18 J/g.K
Modera la temperatura en el
ambiente y en los organismos
Alto Calor de Evaporación
2250 J/g
Libera grandes cantidades de
energía térmica, contribuye a
mantener la temperatura
corporal mediante sudoración.
Alta Tensión Superficial
7.3 x 10-2 J/m2
Contribuye a la capilaridad en
plantas, facilita intercambio de
materiales en tejidos.
Alta Conductividad Térmica
O.6 J/s.m.K
Conduce calor y ayuda en la
termorregulación, distribuyendo
homogéneamente el calor de un
medio.
Alta Constante Dieléctrica
80
Facilita la disolución de
sustancias iónicas.
El agua tiene un alto Calor Específico
°C
Puede recibir mucha energía (del sol, por ejemplo)
sin modificar significativamente su temperatura,
así como podemos entrar a un sitio muy caliente sin que se
eleve nuestra temperatura interna
Debido a la gran cantidad de enlaces de hidrógeno, el agua
es una sustancia con propiedades muy especiales.
PROPIEDAD
IMPORTANCIA
Alto Calor Específico
4.18 J/g.K
Modera la temperatura en el
ambiente y en los organismos
Alto Calor de Evaporación
2250 J/g
Libera grandes cantidades de
energía térmica, contribuye a
mantener la temperatura corporal
mediante sudoración.
Alta Tensión Superficial
7.3 x 10-2 J/m2
Contribuye a la capilaridad en
plantas, facilita intercambio de
materiales en tejidos.
Alta Conductividad Térmica
O.6 J/s.m.K
Conduce calor y ayuda en la
termorregulación, distribuyendo
homogéneamente el calor de un
medio.
Alta Constante Dieléctrica
80
Facilita la disolución de
sustancias iónicas.
Cómo pueden los árboles grandes llevar agua
hasta las hojas más altas?
Aprovechan una
característica del
agua debida a los
enlaces de H:
La Cohesión
La cohesión, a su vez es
responsable de otras
dos características :
la capilaridad
y
la tensión superficial
TENSIÓN SUPERFICIAL
Las moléculas ejercen
presión hacia arriba.
Permite el transporte
de fluídos hasta
las copas de los árboles por
capilaridad y es el
resultado de la cohesión
de las moléculas de H2O.
“Arboles de Sequoia gigante”
TENSIÓN SUPERFICIAL
TENSIÓN SUPERFICIAL
TENSIÓN SUPERFICIAL
Cada molécula de agua tiende a
interactuar formando enlaces de H
con otras 4 .
En la capa más superficial de
moléculas de agua, las moléculas
solo interactuan con otras 3, porque,
no hay más.
Y se forma una interacción mas
fuerte que en las capas inferiores de
la columna de agua.
Cuando un objeto relativamente
liviano se posa sobre el agua, puede
“flotar” sobre ella, siempre que no
rompa la tensión superficial.
TENSIÓN SUPERFICIAL
Disminuye con el aumento de la temperatura
Agua caliente : mejor limpiador (humedece más).
Por qué cuando hay calor (corporal o
ambiental), el cuerpo suda?
De qué modo la temperatura corporal
tiende a mantenerse constante?
El agua tiene un alto Calor de Evaporación.
Por esto, la evaporación tiene un efecto de
enfriamiento en la superficie del cuerpo (sudor), y
en el ambiente.
EXAMEN PARCIAL I
PRIMER SEMESTRE
Comportamiento del Agua en un compartimento rodeado por
una membrana semipermeable……
Por qué se dice que el agua es un
solvente universal?
……porque posee una CONSTANTE DIELECTRICA alta
PROPIEDAD
IMPORTANCIA
Alto Calor Específico
4.18 J/g.K
Modera la temperatura en el
ambiente y en los organismos
Alto Calor de Evaporación
2250 J/g
Libera grandes cantidades de
energía térmica, contribuye a
mantener la temperatura corporal
mediante sudoración.
Alta Tensión Superficial
7.3 x 10-2 J/m2
Contribuye a la capilaridad en
plantas, facilita intercambio de
materiales en tejidos.
Alta Conductividad Térmica
O.6 J/s.m.K
Conduce calor y ayuda en la
termorregulación, distribuyendo
homogéneamente el calor de un
medio.
Alta Constante Dieléctrica
80
Facilita la disolución de
sustancias iónicas.
Solventes: POLARES y NO POLARES
• Constante Dieléctrica: capacidad de
mantener cargas separadas.
• Ej: agua = 78.5 (el mejor solvente polar)
etanol = 24.5 (solvente intermedio)
hexano = 1.9 (solvente no polar)
EL AGUA ES UN SOLVENTE UNIVERSAL
a. Disuelve sustancias polares iónicas….
+Cl-Na
+
ClNa
Na-+ Cl
+Cl Na
Cl
Na+ Na-+ ClCl Na+ - +
ClNa Na-+
Cl
+Cl Na
Cl
Na+Cl
Na+ - +Cl Na
Cl
EL AGUA ES UN SOLVENTE UNIVERSAL
Como consecuencia de su estructura química, y de sus
propiedades particulares, disuelve sustancias (solutos) polares
con carga(por ser un dipolo), mediante interacciones
electrostáticas o enlaces débiles. Disuelve las sustancias iónicas
formando capas de solvatación en las que las moléculas de agua
se orientan ofreciendo una carga contraria a la de cada ión.
INTERACCIONES DEBILES
•
Diga las características de los enlaces débiles, explique su importancia
fisiológica.
•
Explique en términos energéticos como se situan los enlaces débiles con
respecto a los enlaces covalentes. Qué consecuencia fisiológica presenta
esta característica.
•
En qué consisten los enlaces o fuerzas de van der waals? A temperatura
fisiológica qué sucede con estas fuerzas. Qué circunstancias deben existir
entre los grupos unidos por enlaces de van der waals? Qué son los radios
de van der Waals?
•
En qué consiste el enlace de hidrógeno? Qué característica presenta? Qué
características geométricas presentan los enlaces de hidrógeno? Qué
quiere decir el efecto cooperativo de los enlaces de hidrógeno?
•
•
•
•
•
De cuatro ejemplos de enlaces de hidrógeno entre
biomoléculas
En qué consisten las propiedades únicas de enlace de
las biomoléculas?
Cuál es la fuerza impulsora para que se produzcan las
interacciones hidrofóbicas? Cómo es la tendencia del
factor entrópico en la formación de las interacciones
hidrófobicas?
Cuál es la ventaja fisiológica de la energía libre tan
baja de los enlaces débiles?
Por qué se dice que las formas moleculares de las
biomoléculas está determinada por los enlaces débiles.
Dibujar la distribución de los
electrones de O y H en la
molécula de agua
Explique:la estructura del agua
determina sus propiedades
Fisicoquímicas?
Por qué se dice que el agua es
un buen solvente?
Mencione otras propiedades
fisicoquímicas del agua que
la hacen útil para la vida.