1. función biológica del agua

FUNCIN BIOLGICA DEL AGUA 17

Recopilado por Luz del Carmen Ornelas H. Profesora de Bioqumica del Instituto Tecnolgico de Morelia

Unidad I

FUNCIN BIOLGICA DEL AGUA

El agua es un compuesto de vital importancia para los organismos vivos despus del

oxgeno. Es el material ms abundante en todos los seres vivientes y representa

aproximadamente dos tercios de su peso total. La vida surgi hace aproximadamente

3000 millones de aos en su seno y no fue accidental. Como el agua tiene un punto

de congelacin bajo y un elevado punto de ebullicin, esto les permiti a las primeras

formas de vida tener la oportunidad de crecer y adaptarse en un sistema con

temperatu-ra moderada.

El agua no se considera como nutriente, debido a que no tiene un valor

energtico ni sufre cambios qumicos durante su utilizacin biolgica (con excepcin

de su papel en las clulas fotosintticas); sin embargo, sin este lquido no se podran

llevar a cabo las reacciones bioqumicas que sustentan la vida. Las principales

funciones biolgicas del agua se basan en su capacidad para transportar diferentes

sustancias a travs de los organismos, disolver otras y mantenerlas tanto en solucin

como en suspensin coloidal; esto gracias a sus propiedades disolventes y tambin a

que permanece lquida dentro de un intervalo de temperatura muy amplio (4-100 C).

Muchas de las macromolculas de inters biolgico (protenas, enzimas, cidos

nucleicos) adquieren su estructura terciaria en presencia de agua y de esta manera

desarrollan su actividad.

Estructura de la molcula del agua

Qumicamente, el agua es un hidruro no metlico y un xido, con propiedades fsicas

muy diferentes a los compuestos de hidrgeno del grupo VI A de la tabla peridica.

Estructura electrnica

Las estructuras electrnicas de los tomos de hidrgeno y del tomo de oxgeno son:



Peso atmico Nmero atmico Estructura electrnica

Oxgeno 16 8 1s2, 2s2, 2px2, 2py1, 2pz1

Hidrgeno 1 1 1s1

Un orbital s y tres p del oxgeno pueden hibridizarse para formar cuatro orbitales

equivalentes sp3.

Peso

atmico

Nmero

atmico

Estructura electrnica

Oxgeno 16 8 1s2, 2sp3,2e, 2sp3,2e, 2sp3,1e, 2sp3,1e

Hidrgeno 1 1 1s1

Dos de esos orbitales contienen pares de electrones no compartidos; los otros dos se

superponen con los electrones 1s de tomos de hidrgeno para dar una estructura

con ngulo de enlace de 105. En esta estructura, los dos hidrgenos y los dos pares

no compartidos de electrones se encuentran en pices alternos de un tetraedro. Esto

se muestra en la figura



Las propiedades del agua son anmalas y muy diferentes a las de compuestos

similares como los hidruros del mismo grupo de la tabla peridica al que pertenece el

oxgeno, como se muestra en la tabla.

Propiedad H2O H2S H2Se H2Te

Masa molecular (uma) 18.00 34.10 81.00 129.60 Punto de fusin (C) 0 -86 -66 -49 Punto de ebullicin (C) 100.00 -61 -41 -2 Calor molar de fusin

kcal/mol 1.44 0.57 0.60 1.00 kJ/mol 6.02 2.38 2.51 4.18

Calor molar de vaporizacin

kcal/mol 9.72 4.46 4.62 5.55 kJ/mol 40.70 18.70 19.30 23.20

Se puede observar que el agua, con el menor peso molecular, tiene puntos de fusin

y ebullicin muy diferentes a los esperados cuando se le compara con los otros

hidruros. Estas dos constantes fsicas son directamente proporcionales a los pesos

moleculares de las sustancias, lo que no se cumple en el caso del agua cuyos puntos

de fusin y ebullicin son ms altos que todos los mostrados en la tabla. De los cuatro



hidruros, el agua es el nico que se encuentra en estado lquido a las temperaturas

ms comunes de nuestra vida biolgica (15 y 40 C). Todas estas propiedades tan

diferentes del agua se deben a las fuerzas de atraccin (puentes de hidrgeno) que

existen entre sus molculas, que produ-cen una cohesin interna muy importante.

Propiedades fisicoqumicas del agua. Elevada fuerza de cohesin entre sus molculas. Debido a los puentes de

hidrgeno que se establecen, las molculas de agua permanecen unidas entre s de forma ms intensa que en otros compuestos similares.

El agua es un lquido prcticamente incompresible. No es fcil reducir su volumen mediante presin, pues las molculas de agua estn enlazadas entre s manteniendo unas distancias intermoleculares ms o menos fijas. Por ello muchos organismos usan agua para fabricar sus esqueletos hidrostticos, como los anlidos y celentreos.

Elevada tensin superficial. Su superficie opone gran resistencia a romperse, lo que permite que muchos organismos puedan andar sobre el agua y vivan asociados a esa pelcula superficial.

Capilaridad. Fenmeno que depende de la capacidad de adhesin de las molculas de agua a las paredes de los conductos capilares y de la cohesin de las molculas de agua entre si. Las plantas utilizan esta propiedad para el ascenso de la sabia bruta por el xilema.

Elevado calor especfico. Hace falta mucha energa para elevar su temperatura. esto convierte al agua en un buen aislante trmico.

Elevado calor de vaporizacin: Debido a que para pasar al estado gaseoso parte de la energa suministrada se emplea para romper los puentes de hidrgeno esto impide que el agua de los organismos vivos se evapore fcilmente

Mayor densidad en estado liquido que en estado slido. El hielo flota en el agua lo que permite que la vida contine por debajo de los lagos o mares congelados

Elevada constante dielctrica. Al ser un dipolo el agua se convierte en el gran disolvente universal. Compuestos inicos y polares se disuelven fcilmente en agua.

Bajo grado de ionizacin. Slo una de cada 551.000.000 molculas de agua se encuentra en forma inica. La concentracin de iones hidroxilo (OH-) y de iones hidrgeno (protones) H+ es la misma 10-7 Molar. El agua es desde el punto de vista del pH, neutra.



Polaridad del agua Como el oxgeno es ms electronegativo que el hidrgeno, esta diferencia de

electronegatividades hace que los electrones se comporten de manera desigual

durante la formacin del enlace covalente entre el oxgeno y el hidrgeno, donde este

ltimo es parcialmente positivo + y el oxgeno parcialmente negativo -. Esto, a su

vez, empuja a los tomos de hidrgeno y los acerca unos a otros en la molcula del

agua, lo cual explica la desviacin del valor del ngulo de 109.5 (en un tetraedro

regular) a su valor real de 105, como se ve en la figura 1.2.

Esto produce un enlace covalente polar. La resultante de estos enlaces es la

formacin de un momento dipolo en la molcula, como lo muestra la figura 1.2. Una

molcula que tiene un momento dipolo neto es aquella en donde los centros de las

cargas positivas y negativas no coinciden, sino que estn sepa-rados por una

distancia; este momento lo indica el smbolo de una flecha que apunta al centro nega-

tivo.

La forma geomtrica de una molcula es uno de los factores importantes que

determinan su momento dipolar. Si el ngulo de enlace H-O fuera de 180, la

molcula sera lineal y no existira un mo-mento dipolar neto, ya que el centro de las

cargas positivas coincidiran con el de la carga negativa del tomo de oxgeno y su

momento dipolar sera cero.



H - O - H momento dipolar = 0

Propiedades disolventes del agua

Como lo semejante disuelve a lo semejante, el agua es un buen disolvente de compuestos inicos y polares, adems tiene una constante dielctrica (D) muy alta

(78.54) que por definicin es una medida de la capacidad de un sistema para aislar

cargas opuestas.

F = kq q

Dr 1 22

en donde F = fuerza de atraccin entre dos iones de carga opuesta k = constante = 9 x 109 N(m2/C2)* q1, q2 = iones de carga opuesta

D = constante dielctrica r = distancia Por lo anterior:

El agua es por excelencia el disolvente universal

* N = Newton, C = Coulomb.



Micelas

Las molculas hidrofbicas pueden asociarse, con exclusin del agua, y formar

agregados supramole-culares; presentan as menor tensin superficial. De este modo

actan los fosfolpidos de las membranas que forman bicapas lipdicas llamadas

micelas.

Liposomas

Hay varios tipos de molculas lipdicas anfipticas, es decir, molculas que tienen

carcter polar y apolar al mismo tiempo, que pueden mezclarse con agua y formar

liposomas. Estos agregados supramoleculares dieron origen a las membranas

celulares. En el siguiente esquema se muestran algunos de los lpidos con una parte

de la molcula polar y otra parte apolar que son algunos de los constituyentes de las

membranas celulares.



Puentes de hidrgeno Las propiedades del agua indicadas en la tabla 1 se deben a la formacin de puentes

de hidrgeno, que es un tipo de fuerza de atraccin, los cuales existen entre las

molculas de agua con fuerza mucho mayor que entre las molculas de los dems

compuestos de hidrgeno (H2S, H2Se, y H2Te). Esto se debe a que la parte cargada

+ que est sobre Imagen tomada de:

Los tomos de hidrgeno de la molcula del agua atrae a la parte cargada - del

tomo de oxgeno; esta atraccin origina la formacin de una unin dbil conocida

como puente de hidrgeno. Un puente de hidrgeno es mucho ms dbil

que un enlace covalente. La energa del

enlace de hidrgeno es de 6.4 kcal/mol y la

energa de un enlace covalente H-O es de

119 kcal/mol; sin em-bargo, debido a que

estos puentes de hidrgeno son cooperativos

(la unin hace la fuerza), mantienen juntas a

dos o ms molculas de agua formando

cadenas o grupos en donde todas las

molculas se atraen mutuamente; la

cohesin es muy grande, lo cual produce una

tensin superficial. Los puentes de hidrgeno se forman entre el hidrgeno y tomos

muy electronegativos, como F, O, N, S.

Al pasar de hielo a agua lquida a 0 C, se debe suministrar el calor suficiente

para romper los puentes de hidrgeno; esto explica el elevado punto de fusin. Al

pasar de estado lquido a vapor a 100 C (1 atm de presin), se rompen casi todos los

puentes de hidrgeno, lo que explica el elevado punto de ebullicin y el alto calor

molar de vaporizacin que tiene el agua, como se muestra en la figura siguiente.



Estructura del hielo

El hielo es una estructura integrada por molculas de agua unidas por puentes de

hidrgeno que for-man una estructura simtrica. En el hielo cada tomo de oxgeno

forma un tetraedro rodeado por otros cuatro tomos de oxgeno a una distancia de

2.76 Angstroms. El ngulo del tetraedro formado es de 109.5, que es muy cercano al

ngulo del dipolo de la molcula del agua (104.5); por tanto, no existe gran tensin

para la formacin del tetraedro, haciendo del hielo una estructura estable. Los tomos

de oxgeno interaccionan de tal manera que generan planos paralelos de molculas

de agua; estas inter-acciones hacen que las molculas de agua en el hielo adquieran

una estructura hexagonal simtrica en donde cada vrtice est formado por un tomo

de oxgeno, como muestra el esquema.

Existen muchas diferencias fsicas entre el agua y

el hielo, como la conductividad trmica de ste, que

es de 5.30 cal/cmsC, aproximadamente cuatro

veces mayor que la del agua (1.34 cal/ cmsC).

La densidad del hielo (0.917 g/ml) es menor que la

del agua a 4 C (1.000 g/ml), esta es la razn por la

que los lagos y los estanques se congelan de la

superficie hacia abajo. Si el hielo fuera ms denso

que el agua, como la mayora de los slidos son

ms densos que sus lquidos correspondientes, los



lagos y estanques se congelaran del fondo hacia la superficie, lo que impedira que

los peces vivieran en ellos.

Reacciones importantes en las que se produce agua

Muchos compuestos orgnicos se queman en presencia de oxgeno formando agua,

CO2 y liberando energa, un ejemplo es el metano.

CH4 + 2O2 2H2O + CO2 + ENERGA

Otro ejemplo es el catabolismo u oxidacin de los alimentos: la combustin completa

de la sacarosa lleva a la for-macin de CO2, H2O y energa.

C H O + 12 O 11 H O + 12 CO + energa12 22 11 2 2 2

Esta energa puede ser utilizada por el organismo para mantener su temperatura.

En el metabolismo intermedio existen varias reacciones en las que interviene el

agua, como en la hidrlisis de protenas, la biosntesis de lpidos, el ciclo del cido

ctrico, etc.

Disociacin del agua y escala de pH

La disociacin del agua es un proceso en equilibrio

2 H O H O + OH2 3+ -

Para simplificar esto lo podemos escribir

H O H + OH2+ -

En donde la constante de equilibrio de la reaccin es

k = [H ] [OH ]

[H O] e

+ -

2



La concentracin del agua es muy elevada: 1000 g/18 gM = 55.5 M

La concentracin de H+ y OH- es muy pequea: 1 x 10-7 M. La concentracin

molar del agua no es afectada por la disolucin.

Si multiplicamos la ke por [H2O] tenemos que

ke [H2O] = [H+] [OH-]

ke = 1.8 x 10-16

a este producto, ke [H2O], se le conoce como producto inico del agua (Kw),

Kw = 1 x 10-14 = (1 x 10-7) (1 x 10-7)

El producto inico del agua constituye la base para la escala de pH, que es un medio

para designar la concentracin de iones H+ y OH- de cualquier solucin acuosa en el

intervalo de concentracin de 1 M de H+ y 1 M de OH-. La escala de pH es

logartmica y la diferencia de pH en una unidad significa que la concentracin de H+

es 10 veces mayor o menor.

Teora de cidos y bases

Segn Brnsted, un cido es una sustancia que puede ceder protones. Una base es

una sustancia que puede aceptar protones. Esta definicin muestra la relacin que

existe entre un cido y su base conjugada, que puede representarse mediante el

esquema general:

HA H + A+ -



cido protn base conjugada

Cuando un cido cede un protn se produce una base que se denomina base

conjugada de ese cido.

Segn la teora de Brnsted, el agua es un cido y una base

Los subndices indican los pares cido-base conjugados. Si se observa, cada cido se

diferencia en un protn de su base conjugada. Una molcula de agua se comporta

como cido y como base, por ello es anfiprtica; es decir, puede aceptar o donar

protones.

Los cidos y bases que difieren solamente en el nmero de protones se

denominan pares conjugados y algunos son anfiprticos o anfolitos, ya que son

cidos y bases a la vez, como los marcados a continuacin:

Fuerza de los cidos y bases Los cidos y bases se clasifican en fuertes y dbiles para indicar as su grado de

disociacin. Los ci-dos y bases fuertes son aquellos que se disocian completamente

en un disolvente dado. Como la reaccin es completa, se puede considerar

irreversible o lentamente reversible.

Entre los cidos fuertes tenemos: HCl, HBr, HI, HNO3, HClO4, H2SO4, R-SO3H.



Las bases fuertes son los xidos e hidrxidos de los elementos del grupo IA y IIA de

la tabla peridica, con excepcin del berilio.

NOTA. Quimica del Berilio. La qumica del Berilio es significativamente diferente de la de los dems elementos del grupo II porque en sus compuestos tienen un alto porcentaje de enlace covalente. (Debido a que su electronegatividad es grande 1.57 y al unirse con el Oxgeno cuya electronegatividad es 3.44 si restamos una de otra nos da un valor absoluto de 1.87 lo que indica que tiene un 55% de carcter inico y un 45% de covalente)

Esto es debido a su carga nuclear efectiva que es grande, ya que atrae a sus electrones muy fuertemente y esto determina su electronegatividad, su radio atmico pequeo, su radio inico pequeo, que lo hace ser un pequeo cation que tiene una densidad de carga tan elevada (1100 C.mm-3) que polariza cualquier anion que se aproxima y se produce traslape de densidad electrnica, lo que ocasiona que se forme un enlace covalente.

Los cidos y bases dbiles son aquellos que se disocian parcialmente en solucin y cuya reaccin es reversible.

Clculo de pH para cidos y bases fuertes

cido fuerte HCl + H O H O + Cl2 3

+ - ][H log - = pH +

Base fuerte NaOH + H O Na + OH (hidratado)2

+ - pOH = - log [OH ]-

pH = 14 pOH Tambin se puede calcular el pH: pH = 14 + log [OH-] Clculo de pH para cidos y bases dbiles cido dbil

HA + H O H O + A2 3+ -

k = [H O ] [A ] [HA] [H O]e

3+ -

2



k [H O] = [H O ] [A ]

[HA]e 23

+ -

a este producto, ke [H2O], se le conoce como ka (constante de acidez).

k = [H O ] [A ]

[HA]a3

+ -

como se trata de la solucin acuosa de un cido dbil, la concentracin [H3O+]=[A-] se

puede escribir [H3O+]2. Entonces se tiene:

k = [H O ]

[HA]a3

+ 2

[H3O+]2 = ka [HA]

[HA] k = ]O[H a+

3 [HA]k = ][H a+

pH = - log [H+]

Otra forma de realizar los calculos es restando a la concentracin de cido original la

cantidad de cido que se disocia, resultando de esta manera una ecuacin cuadrtica,

que se resuelve como se muestra a continuacin.

x- [HA]]O[H = k

2+3

a

X- [HA][X] = k

2

a

[ ] = xHAKa 2[X]

Simplificando



= KaXKaHA 2[X]

Para ajustar al modelo de una ecuacin cuadrtica

[ ] 02 =+ HAKaKaXX Una ecuacin cuadrtica como la que se muestra a continuacin, se resuelve de la siguiente manera.

[ ] 02 =+ HAKaKaXX 2aX + bX + C = 0

aX

24ac - b b-

2=

sustituyendo la ecuacin de nuestro ejercicio, tenemos:

[ ] [ ]a

X2

HA4(1)Ka - Ka Ka-

2=

Ejemplo Calcular el pH de una solucin 0.1 M de cido cloroactico ( CH2Cl-COOH) cuya Ka= 1.4 x 10-3

[ ] [ ][ ][ ]12

10 x 1.40.14 10 x 1.4 10 x 1.4-

3-23-3- +=X

[ ] [ ][ ]12

10 x 1.44 101.96x 10 x 1.4- 4-6-3- +

=X

[ ] [ ][ ]12

105.6x 101.96x 10 x 1.4- 4-6-3- +

=X

[ ]1250.02370569 10 x 1.4-

-3 =X

[ ]1250.02230569 =X



X = 0.01115 = H+ pH = - log [H+]

pH = - log [0.0115] pH = 1.954

Tambin podemos calcular el pH de un cido dbil

2log[cido] -

2 pk = pH a

2log[0.1] -

22.8539 = pH

(-0.5) -1.42695 = pH 0.51.42695 = pH +

1.92695 = pH Resuelve algunos ejercicios usando las diferentes formas vistas en este documento y compara los resultados. Para una base dbil

B + H O BH + OH2-

k = [BH] [OH ][B] [H O]e

-

2

k [H O] = [BH] [OH ][B]e 2

-

a este producto, ke [H2O], se le conoce como kb (constante de basicidad).

k = [BH] [OH ][B]b

-

como se trata de la solucin acuosa de una base dbil, la concentracin [BH] = [OH-]

se puede escribir [OH-]2. Entonces se tiene:



pOH = -log [OH-] pH = 14 - pOH

Tambin podemos calcular el pH de una base dbil

pH = 7 + pk

2 +

log[base]2

a

Amortiguadores de pH

La forma inica de las biomolculas depende del pH del sistema, por lo cual es de

vital importancia que el pH se mantenga estable dentro de un rango determinado en

los lquidos intracelulares y extracelulares al cual se le denomina pH fisiolgico. Este

control se realiza gracias a la accin de sistemas amortiguadores de pH.

El uso de amortiguadores en el laboratorio de bioqumica es de gran importancia, ya

que permite controlar el pH para poder estudiar y caracterizar las biomolculas.

Soluciones amortiguadoras

Una solucin amortiguadora es una mezcla constituida por un cido dbil y su sal

correspondiente, o una base dbil y la sal de dicha base, a los cuales se les conoce

como par cido-base. Cuando se titula un cido dbil con una base fuerte se forma

una solucin amortiguadora. Esta solucin es capaz de resistir cambios de pH al diluir

o agregar cantidades de un cido fuerte o una base fuerte.

Se puede agregar mucho cido o mucha base, de forma que el pH rebase la regin

amortigua-dora y se eleve o disminuya con gran rapidez. La cantidad de cido o base

que puede soportar una solucin manteniendo el pH en un intervalo muy

[B]][OH =k

2-

b

[B] k= ][OH b-



pequeo se denomina capacidad amortiguadora de la solucin. Desde el punto de vista cuantitativo la capacidad amortiguadora se define como el nmero de moles de

una base fuerte que se necesitan para elevar el pH de 1 lt. de solucin amortiguadora

una unidad. Una solucin amortiguadora mantiene el pH en un rango de ms o menos

una unidad, encontrndose su mxima capacidad de amortiguacin cuando la

concentracin de cido y base conjugada son equimolares.

Ecuacin de Henderson-Hasselbalch

Partiendo de

H + conjugada base conjugado cido + + H + A HA -

K = [H ][A ]

[HA] a

+ -

Sacando el logaritmo de ambos miembros y multiplicando por (-1) y si pKa = - log Ka, se tiene:

- log K = - log [H ][A ]

[HA]a+ -

pK = - log [H ][A ]

[HA]a+ -

por leyes de logaritmos

pK = - log[H ] - log[A ][HA]

a+

-

pK = pH - log [A ][HA]a

-

despejando pH

pH = pK + log [A ][HA]

a-



[cido]conjugada] [base log + pK = pH a Ecuacin de Henderson-Hasselbalch

cuando [HA] = [A-]

pH = pKa + log 1

pH = pKa

En estas condiciones la solucin tiene su mxima capacidad amortiguadora, puede recibir cido o base y el pH no aumentar de manera significativa. A continuacin se presenta un resumen grfico de este anlisis.

FIGURA 1.7 La curva de titulacin nos muestra un cido dbil (NaH2PO4-) que se titula con una

base fuerte (NaOH) o la base conjugada (Na2HPO4-) que se titula con HCl. La regin

intermedia ms plana de la curva corresponde a la regin de amortiguamiento y el

punto medio representa el pKa.

NaH PO + NaOH Na HPO + H O2 4-

2 4-

2



Na HPO + HCl NaH PO + NaCl2 4-

2 4-

Cmo elegir un amortiguador

El requisito principal es que el valor de pKa del cido que va a formar el par conjugado

sea muy cerca-no al pH al que se pretende usar el amortiguador; que no sea txico,

que sea estable y soluble en agua.

Cmo preparar una solucin amortiguadora

La preparacin puede ser de dos formas:

1) Los dos componentes del par cido-base conjugado se pesan por separado y

se disuelven en agua.

2) Se cuenta con el cido, y su base conjugada se obtiene por incorporacin de

cierta cantidad de base fuerte; o se cuenta con la base, y el cido conjugado

se obtiene por incorporacin de un cido fuerte.



CIDO BASE pKa

Fosfato monobsico H2PO4-

Fosfato dibsico HPO4=

7.2

N-Tris(hidroximetil)aminometano PM 122.14TRIS.H+

(HOCH2)3CNH3+

TRIS (amina libre) (HOCH2)3CNH2 PM 121.14

8.3

Sulfonato de

N-2hidroxietilpiperazin-N-2etano (HEPES.H+

HEPES

7.55

TES.H+

(HOCH2)3CN+H2CH2CH2SO3- Sulfonato de

N-tris(hidroximetil)metil-2-aminoetano

TES

(HOCH2)3CNHCH2CH2SO3-

7.55

A continuacin se dan varios ejemplos de ejercicios de clculo de pH, resulvelos.

El pH de una disolucin acuosa es 12,6. Cual ser la [H3O+] y el pOH a la temperatura de 25C?

Ejemplo:

pH = log [H3O+] = 12,6, de donde se deduce que: [H3O+] = 10-pH = 10-12,6 M = 2,5x10-13 M Como Kw = [H3O+]x[OH] = 1014 M2, entonces: pOH = log [OH] = log 0,04 M = 1,4 Comprobamos como pH + pOH = 12,6 + 1,4 = 14

Justifica porqu el in HCO3 acta como cido frente al NaOH y como base frente al HCl.

Ejemplo:

0,04+

= = =

-14 2-

-133

10 [ ][ ] 5 10

WK MOHH O M

HOCH2N+ NCH2CH2SO3

H

HOCH2N NCH2CH2SO3



El NaOH proporciona OH a la disolucin: NaOH (ac) Na+ + OH, por lo que HCO3

+ OH CO32 + H2O, es decir, el in HCO3 acta como cido. Asimismo, el HCl proporciona H+ a la disolucin: HCl (ac) H+ + Cl. por lo que HCO3 + H+ H2CO3 (CO2 + H2O), es decir, el in HCO3 acta como base.

En disoluciones acuosas diluidas ([H2O] constante) la fuerza de un cido HA depende de la constante de equilibrio:

FFuueerrzzaa ddee cciiddooss..

HA + H2O A + H3O+

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

+ + = = =

3 3

22

C C aA H O A H OK K H O KHA H O HA

A Ka se le llama constante de disociacin o constante de acidez. Segn su valor hablaremos de cidos fuertes o dbiles: Si Ka > 100 El cido es fuerte y estar disociado casi en su totalidad. Si Ka < 1 El cido es dbil y estar slo parcialmente disociado.

El cido actico (CH3COOH) es un cido dbil ya que su Ka = 1,8 x10-5 M su pKa = 4.7

Ejemplo:

Son aquellos que pueden ceder ms de un H+. Por ejemplo el H2CO3 es diprtico. cciiddooss ppoolliipprrttiiccooss

Existen pues, tantos equilibrios como H+ disocie:

H2CO3 + H2O HCO3 + H3O+ Ejemplo:

HCO3 + H2O CO32 + H3O+

Se dice que HCO3 es un anfolito o tiene propiedades anfotricas ya que se comporta como cido y como base al mismo tiempo dependiendo del medio en el que se encuentre.

23 3 3 3

1 22 3 3

[ ] [ ] [ ] [ ] ;

[ ] [ ]a aHCO H O CO H O

K KH CO HCO

+ +

= =

Ka1 = 4,5x107 M Ka2 = 5,7x1011 M



La constantes sucesivas siempre van disminuyendo.

En disoluciones acuosas diluidas ([H2O] constante) la fuerza de una base BOH depende de la constante de equilibrio: B + H2O BH+ + OH.

FFuueerrzzaa ddee bbaasseess..

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

+ + = = =

22C C b

BH OH BH OHK K H O KB H O B

A Kb se le llama constante de basicididad.

Al igual que el pH se denomina pK a: pKa= log Ka ; pKb= log Kb ppKK

Cuanto mayor es el valor de Ka o Kb mayor es la fuerza del cido o de la base. Igualmente, cuanto mayor es el valor de pKa o pKb menor es la fuerza del cido o de la base.

Determinar el pH y el pOH de una disolucin 0,2 M de NH3 sabiendo que Kb (25C) = 1,8 105 M

Ejemplo:

Equilibrio

: NH3 + H2O NH4+ + OH

conc. in.(mol/l): 0,2 0 0

conc. eq.(mol/l): 0,2 x x x

2-54

3

[ ] [ ]1,8 10

[ ] 0,2bNH OH xK M

NH x

+ = = =

De donde se deduce que x = [OH] = 3,0 103 M

pOH = log [OH] = log 1,88 103 = 2,52

pH = 14 pOH = 14 2,52 = 11,48

RReellaacciinn eennttrree KKaa yy KKbb ccoonnjjuuggaaddaa..

Equilibrio de disociacin de un cido

: HA + H2O A + H3O+

Reaccin de la base conjugada con el agua

: A + H2O AH + OH

[ ] [ ] [ ] [ ]; [ ] [ ]

+

= =3a b

A H O HA OHK KHA A



[ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ]

[ ] [ ]a b WA H O HA OH

K K H O OH KHA A

+ +

= = =

3

3

En la prctica, esta relacin (Ka x Kb = KW) significa que si un cido es fuerte su base conjugada es dbil y si un cido es dbil su base conjugada es fuerte. A la constante del cido o base conjugada en la reaccin con el agua se le suele llamar constante de hidrlisis (Kh).

Calcular la Kb del KCN si sabemos que la Ka del HCN vale 4,9x1010 M. Ejemplo:

El HCN es un cido dbil (constante muy pequea). Por tanto, su base conjugada, el CN, ser una base relativamente fuerte. Su reaccin con el agua ser:

CN + H2O HCN + OH -14 2

10

104,9 10

Wb

a

K MKK M

= = =

52,0 10 M

En la disociacin de un cido o una base: RReellaacciinn eennttrree llaa ccoonnssttaannttee yy eell ggrraaddoo ddee ddiissoocciiaacciinn ((iioonniizzaacciinn))

+

= = =

23

1 1[ ] [ ]

[ ] ( - )aA H O c c cK

HA c

Igualmente:

bcK

=

2

1

En el caso de cidos o bases muy dbiles

(Ka/c o Kb/c < 104), a se desprecia frente a

1 con lo que: Ka = c 2 (o Kb = c 2 )

De donde:

= aKc

Igualmente

bKc

=

Una disolucin de HBO3 en concentracin 10-2 M tiene un valor de pH de 5,6. a) Razone si el cido y su base conjugada sern fuertes o dbiles. b) Calcule la constante de disociacin del cido (Ka). c) Calcule, si es posible, la constante de basicidad del ion borato (Kb).

Ejemplo



a) [H3O+] = 10pH = 105,6 = 2,51x106 M

b) 6

432

[ ] 2,51 1010

H O Mc M

+

= = = 2,5110

lo que significa que est disociado en un 0,025 % luego se trata de un cido dbil. Su base conjugada, BO2, ser pues, relativamente fuerte.

b) Ka = c2 = 102 M (2,51x104)2 = 6,3x1010

c)

14

10

106,3 10

wb

a

KK

K

= = =

-51,58 10

En un laboratorio se tienen dos matraces, uno conteniendo 15 ml de HCl cuya concentracin es 0,05 M y el otro 15 ml de cido etanoico (actico) de concentracin 0,05 M a) Calcule el pH de cada una de ellas. b) Qu cantidad de agua se deber aadir a la ms cida para que el pH de las dos disoluciones sea el mismo? Dato: Ka (cido etanoico) = 1,8 10-5

Ejercicio

Disoluciones amortiguadoras (tampn) Son capaces de mantener el pH despus de aadir pequeas cantidades tanto de cido como de base. Estn formadas por:

Disoluciones de cido dbil + sal de dicho cido dbil con catin neutro:

Ejemplo: cido actico + acetato de sodio. Disoluciones de base dbil + sal de dicha base dbil con anin neutro:

Ejemplo:

amoniaco y cloruro de amonio.

Ed. Santillana. Qumica 2 Bachillerato



Indicadores de PH (cido- base). Son sustancias orgnicas que cambian de color al pasar de la forma cida a la bsica:

HIn + H2O In + H3O+ forma cida forma bsica

Uno de los indicadores ms utilizados e la fenolftaelna cuya forma cida es incolora y la forma bsica rosa fucsia, y cuyo intervalo de viraje se encuentra entre 8 y 10 de pH. Igualmente, para medir el pH de una disolucin de manera aproximada en el laboratorio se utiliza habitualmente el papel de tornasol que da una tonalidad diferente segn el pH, por contener una mezcla de distintos indicadores.

Algunos indicadores de los ms utilizados son:

Indicador Color forma

cida Color forma

bsica Zona de viraje

(pH) Violeta de

metilo Amarillo Violeta 0-2 Rojo Congo Azul Rojo 3-5

Rojo de metilo Rojo Amarillo 4-6 Tornasol Rojo Azul 6-8

Fenolftalena Incoloro Rosa 8-10 Para facilidad en el clculo y dado que el pH es una escala logartmica en base 10, el

cambio de color se considera apreciable cuando:

[HIn] > 10 [In] o [HIn] < 1/10 [In]

++

= = 3 3

[ ] [ ] [ ][ ][ ] [ ]a a

In H O HInK H O KHIn In

Aplicando logaritmos decimales y cambiando de signo:

= + = [ ]( ) log 1[ ]a a

InpH viraje pK pKHIn

Valoraciones cido-base Valorar es medir la concentracin de un determinado cido o base a partir del anlisis volumtrico de la base o cido utilizado en la reaccin de neutralizacin.



La neutralizacin de un cido/base con una base/cido de concentracin conocida se consigue cuando n(OH) = n(H3O+).

La reaccin de neutralizacin puede escribirse: b HaA + a B(OH)b BaAb + axb H2O

Todava se usa mucho la concentracin expresada como Normalidad: Vcido x Ncido = Vbase x Nbase

100 ml de una disolucin de H2SO4 se neutralizan con 25 ml de una disolucin 2 M de Al(OH)3 Cul ser la [H2SO4]?

Ejemplo de valoraciones cido-base.

3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 3SO42 +2Al3+ + 6 H2O

2211 V V xNxN =

cido = Base

De acuerdo a la ecuacin valanceada tenemos:

2211 V 3 V 2 xNxN =

25ml 3(2N) 100ml 2 1 xxN =

100ml

25ml 3(2N)2 1 xxN =

100ml

25ml (6N)2 1xN =

20 40 60 V NaOH(ml)

12 10 8 6 4 2

Zona de viraje fenolftalena

Grfica de valoracin de vinagre con NaOH



100ml

150Nml2 1 =N

2(100ml)150Nml

1 =N

75.01 NN =

Tambien:

2211 V V xNxN =

25ml (2N) 100ml 1 xxN =

100ml

25ml (2N)1 x

xN =

5.15.01 xN =

75.01 =N

0.5 se multiplica por el factor 1.5 que resulta de que 3 H2SO4 requieren de 2 Al(OH)3 3/2= 1.5

n(H2SO4) x 2 = n[Al(OH)3] x 3

25 ml x 2 M x 3 = 100 ml x Mcido x 2, de donde:

2 425 2 [H SO ]100 2

ml Mml

= =

0,75M

Vcido x Ncido = Vbase x Nbase (Nbase= 3 x Mbase)

100 ml x Ncido = 25 ml x 6 N Ncido = 1,5 N

2cido

cidoN

M = = 0,75M



Podramos haber calculado n(H2SO4) a partir del clculo estequiomtrico, pues conocemos:

n(Al(OH)3 = V x M = 25 ml x 2 M = 50 mmoles:

3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 3SO42 +2Al3+ + 6 H2O

32 42 4

2 4

2 Al(OH)3 H SO(H SO ) = 75

(H SO ) 50 molmol

n mmoln mmoles

=

2 42 4

2 4

(H SO ) 75 [H SO ]=(H SO ) 100

n mmolV ml

= = 0,75M

FUNCIN BIOLGICA DEL AGUAEstructura de la molcula del aguaEstructura electrnicaPropiedades fisicoqumicas del agua.Propiedades disolventes del aguaEstructura del hieloClculo de pH para cidos y bases dbilesAmortiguadores de pHUFuerza de cidos.Ucidos poliprticosUFuerza de bases.UpKURelacin entre Ka y Kb conjugada.URelacin entre la constante y el grado de disociacin (ionizacin) (

Disoluciones amortiguadoras (tampn)UDisoluciones de cido dbil + sal de dicho cido dbil con catin neutro:UDisoluciones de base dbil + sal de dicha base dbil con anin neutro:

Indicadores de pH (cido- base).Valoraciones cido-baseLa neutralizacin de un cido/base con una base/cido de concentracin conocida se consigue cuando n(OH) = n(H3O+).

1. función biológica del agua

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