CAPÍTULO ICAPÍTULO I

EL AGUA Y SOLUCIONES EL AGUA Y SOLUCIONES ACUOSASACUOSAS

I . Propiedades del aguaI . Propiedades del agua II. Ácidos, Bases y BuffersII. Ácidos, Bases y Buffers III. Problemas y aplicacionesIII. Problemas y aplicaciones

I. I. PropiedadesPropiedades del agua del agua

A. Estructura e interaccionesA. Estructura e interacciones 1. Geometría1. Geometría 2. Enlaces Hidrógeno2. Enlaces Hidrógeno 3. Propiedades Físicas3. Propiedades Físicas 4. Conductividad, autoionización y otras 4. Conductividad, autoionización y otras

propiedades químicas.propiedades químicas. B. El agua como solventeB. El agua como solvente 1. Polaridad1. Polaridad 2. Propiedades anfipáticas2. Propiedades anfipáticas 3. Movilidad de protones (iones Hidronio e 3. Movilidad de protones (iones Hidronio e

Hidroxilo)Hidroxilo)

II. Acidos, bases y buffersII. Acidos, bases y buffers

A. Reacciones ácido-baseA. Reacciones ácido-base 1. Definiciones1. Definiciones

2. Fuerza de un ácido: constante de disociación2. Fuerza de un ácido: constante de disociación

3. El pH: concentraciones relativas de ácidos y 3. El pH: concentraciones relativas de ácidos y

basesbases

B. BuffersB. Buffers 1. Qué es un buffer ?1. Qué es un buffer ?

2. Como escoger y preparar un buffer2. Como escoger y preparar un buffer

BIOQUIMICA IBIOQUIMICA I

CAPITULO I: AGUACAPITULO I: AGUA

PROPIEDADES DEL AGUAPROPIEDADES DEL AGUA

Alto punto de ebulliciónAlto punto de ebullición Solvente universal Solvente universal Molécula dipolarMolécula dipolar Carga neta 0 Carga neta 0 Tensión superficial: debido a la interacción dipoloTensión superficial: debido a la interacción dipolo Densidad del hielo menor que la del agua líquidaDensidad del hielo menor que la del agua líquida El hielo tiene propiedades aislantesEl hielo tiene propiedades aislantes

Estructura del hielo: Los átomos de oxígeno e Estructura del hielo: Los átomos de oxígeno e hidrógeno están en rojo y blanco hidrógeno están en rojo y blanco

respectivamente.respectivamente.

LA MOLÉCULA DE AGUA ES LA MOLÉCULA DE AGUA ES POLAR Y FORMA ENLACES DE POLAR Y FORMA ENLACES DE

HIDRÓGENOHIDRÓGENO El Oxígeno del agua posee una hibridación spEl Oxígeno del agua posee una hibridación sp33 dando una dando una

unión H-O-H de 104.5° (menor a la de un tetraedro por unión H-O-H de 104.5° (menor a la de un tetraedro por repulsión de erepulsión de e- - del O), y no de 90° (si los H estarían unidos del O), y no de 90° (si los H estarían unidos a los orbitales 2pa los orbitales 2pyy y 2p y 2pz).z).

El oxígeno es más electronegativo que el H y por tanto el El oxígeno es más electronegativo que el H y por tanto el enlace O-H es polar.enlace O-H es polar.

La carga parcial del oxígeno es de -0.82 y la del hidrógeno La carga parcial del oxígeno es de -0.82 y la del hidrógeno de +0.41 debyes,produciendo un dipolo permanente.de +0.41 debyes,produciendo un dipolo permanente.

La interacción entre las débiles cargas parciales del La interacción entre las débiles cargas parciales del oxígeno y las del hidrógeno forman los enlaces hidrógenooxígeno y las del hidrógeno forman los enlaces hidrógeno

El enlace hidrógeno tiene una fuerza de 4Kcal/mol y por El enlace hidrógeno tiene una fuerza de 4Kcal/mol y por estabilidad se encuentra en forma colinear.estabilidad se encuentra en forma colinear.

Estructura de la molécula de Estructura de la molécula de aguaagua

El perímetro El perímetro representa la envoltura representa la envoltura de Van der Waals de la de Van der Waals de la molécula (los molécula (los componentes que se componentes que se atraen están atraen están balanceados con los balanceados con los que se repelen). El que se repelen). El modelo esquemático modelo esquemático de la molécula indica de la molécula indica los enlaces covalentes.los enlaces covalentes.

(Tomado de la (Tomado de la Bioquímica de Voet)Bioquímica de Voet)

Enlace de hidrógeno entre dos Enlace de hidrógeno entre dos moléculas de aguamoléculas de agua

La fuerza de la interacción es máxima cuando La fuerza de la interacción es máxima cuando el enlace covalente O-H apunta directamente el enlace covalente O-H apunta directamente hacia una nube de un par de electrones del hacia una nube de un par de electrones del átomo de oxígeno al que se une el hidrógeno.átomo de oxígeno al que se une el hidrógeno.

LOSLOS ENLACES DE HIDRÓGENO SON ENLACES DE HIDRÓGENO SON IMPORTANTES EN LOS SISTEMAS IMPORTANTES EN LOS SISTEMAS

BIOLÓGICOSBIOLÓGICOS

Se forma cuando un átomo de H (unido de modo Se forma cuando un átomo de H (unido de modo covalente a un O o N) se encuentra entre 0.27 y covalente a un O o N) se encuentra entre 0.27 y 0.30nm de un átomo de O o N.0.30nm de un átomo de O o N.

Un enlace C-H no forma enlaces de hidrógeno.Un enlace C-H no forma enlaces de hidrógeno. Un enlace S-H puede formar enlaces débiles de Un enlace S-H puede formar enlaces débiles de

hidrógeno.hidrógeno. Pueden ser intramoleculares (dentro de una Pueden ser intramoleculares (dentro de una

molécula) o intermoleculares (entre moléculas).molécula) o intermoleculares (entre moléculas). La estabilidad en las dos formas anteriores es casi La estabilidad en las dos formas anteriores es casi

igual, razón por la que la ventaja energética en el igual, razón por la que la ventaja energética en el intercambio del tipo de enlace es muy pequeña.intercambio del tipo de enlace es muy pequeña.

LOS ENLACES DE HIDRÓGENO SON LOS ENLACES DE HIDRÓGENO SON IMPORTANTES EN LAS PROPIEDADES IMPORTANTES EN LAS PROPIEDADES

FISICAS DEL AGUAFISICAS DEL AGUA

Cada molécula de agua puede formar cuatro Cada molécula de agua puede formar cuatro enlaces de H, formando con ellos redes extensas.enlaces de H, formando con ellos redes extensas.

Cada molécula de agua está unida en promedio con Cada molécula de agua está unida en promedio con otras 3.4, y su agrupación varía entre 10otras 3.4, y su agrupación varía entre 10-8 -8 y10y10-11 -11 seg.seg.

La densidad del agua es irregular: la densidad La densidad del agua es irregular: la densidad disminuye a 0°C debido a que las moléculas se disminuye a 0°C debido a que las moléculas se hallan unidas por los enlaces hidrógeno, lo que hallan unidas por los enlaces hidrógeno, lo que hace que se formen cristales y esto reduzca la hace que se formen cristales y esto reduzca la cinética molecular.cinética molecular.

Otros efectos de los enlaces de hidrógeno son el Otros efectos de los enlaces de hidrógeno son el alto calor de vaporización y de fusiónalto calor de vaporización y de fusión

LOS IONES ALTERAN LA LOS IONES ALTERAN LA ESTRUCTURA DEL AGUA EN ESTRUCTURA DEL AGUA EN

ESTADO LÍQUIDOESTADO LÍQUIDO

Por su polaridad y capacidad de formar enlaces de Por su polaridad y capacidad de formar enlaces de hidrógeno el agua actúa rápidamente con solutos hidrógeno el agua actúa rápidamente con solutos polares.polares.

En solución, la esfera de solvatación (capa de En solución, la esfera de solvatación (capa de moléculas de agua) rodea cada ión del soluto.moléculas de agua) rodea cada ión del soluto.

La atracción por las cargas del ión es tan fuerte La atracción por las cargas del ión es tan fuerte como los enlaces de hidrógeno. como los enlaces de hidrógeno.

Los iones disueltos alteran la estructura del agua: Los iones disueltos alteran la estructura del agua: - El tiocianato destruye la - El tiocianato destruye la estructura porque incrementa la movilidad y estructura porque incrementa la movilidad y entropía. entropía.

-El fosfato es constructor: disminuye la movilidad y -El fosfato es constructor: disminuye la movilidad y entropía al interior de las moléculas.entropía al interior de las moléculas.

MOLECULAS APOLARES NO SON MOLECULAS APOLARES NO SON SOLUBLES EN AGUASOLUBLES EN AGUA

Las substancias apolares y los hidrocarburos no Las substancias apolares y los hidrocarburos no se disuelven en agua.se disuelven en agua.

Esto se debe a que las interacciones agua-agua Esto se debe a que las interacciones agua-agua son más fuertes que las agua-hidrocarburo y las son más fuertes que las agua-hidrocarburo y las obliga a ubicarse en un solo lugar.obliga a ubicarse en un solo lugar.

Las substancias apolares son hidrofóbicas (se Las substancias apolares son hidrofóbicas (se repelen con el agua y son solubles en disolventes repelen con el agua y son solubles en disolventes orgánicos)orgánicos)

Las substancias polares son hidrofílicas (afines a Las substancias polares son hidrofílicas (afines a y solubles en agua y compuestos polares).y solubles en agua y compuestos polares).

AUTOIONIZACIÓN DEL AGUAAUTOIONIZACIÓN DEL AGUA

El agua presenta conductividad eléctrica debido a sus El agua presenta conductividad eléctrica debido a sus iones, ya que surgen porque el agua puede ser iones, ya que surgen porque el agua puede ser donador o aceptor de un protón con si misma. Esto es donador o aceptor de un protón con si misma. Esto es la autoionización. la autoionización.

El hidrógeno se puede donar a una molécula de agua El hidrógeno se puede donar a una molécula de agua cercana uniéndose a electrones no compartidos del cercana uniéndose a electrones no compartidos del oxígeno. Esta misma molécula donadora puede aceptar oxígeno. Esta misma molécula donadora puede aceptar un hidrógeno de una molécula distinta en estado Hun hidrógeno de una molécula distinta en estado H3300+ + o o HH22O. Así, una molécula de agua puede actuar como O. Así, una molécula de agua puede actuar como ácido generando una base conjugada: ácido generando una base conjugada: H-O-H + H-O-H H-O-H + H-O-H H H3300++ (hidronio)+ OH (hidronio)+ OH-- (hidroxilo)(hidroxilo)

La constante de equilibrio es: La constante de equilibrio es: Kc= [HKc= [H++] [OH] [OH--] / [H] / [H22O] O]

Solvatación de los iones negativos y Solvatación de los iones negativos y positivos según la orientación de las positivos según la orientación de las

moléculas de aguamoléculas de agua

La concentración del agua es 55,6 molar, por lo que se La concentración del agua es 55,6 molar, por lo que se deduce que: 55,6 M = [Hdeduce que: 55,6 M = [H22O]. Así, Kw es igual a O]. Así, Kw es igual a multiplicar Kc por la molaridad: Kw = Kc (55.6) = [Hmultiplicar Kc por la molaridad: Kw = Kc (55.6) = [H++] ] [OH[OH--]. ].

La La constante Kw se denomina constante del producto constante Kw se denomina constante del producto iónico del agua; a 25 grados centígrados su valor es de iónico del agua; a 25 grados centígrados su valor es de 1.0 x 101.0 x 10-14 . -14 . Este valor es una constante real, por lo que Este valor es una constante real, por lo que permanece valida aunque cambien las concentraciones permanece valida aunque cambien las concentraciones de los iones: si [Hde los iones: si [H++] es mayor que [OH] es mayor que [OH--]] se producirá una se producirá una solución ácida, mientras que si [OHsolución ácida, mientras que si [OH--]es mayor que [H]es mayor que [H++] ] habrá una solución alcalina.habrá una solución alcalina.

Estas dos concentraciones son recíprocas: únicamente Estas dos concentraciones son recíprocas: únicamente cuando son iguales la solución será neutra. cuando son iguales la solución será neutra.

CONCEPTO ACIDO - BASECONCEPTO ACIDO - BASE

Los pares de electrones libres del oxígeno de la Los pares de electrones libres del oxígeno de la molécula de agua determinan el molécula de agua determinan el comportamiento de la misma.comportamiento de la misma.

Según Bronsted & Lowry:Según Bronsted & Lowry: Acido.- Sustancia capaz de donar un protón Acido.- Sustancia capaz de donar un protón

al solvente formando el ión hidronio (Hal solvente formando el ión hidronio (H33OO++))

Base.- Sustancia capaz de aceptar un Base.- Sustancia capaz de aceptar un protón del solvente y formar el ión hidroxilo protón del solvente y formar el ión hidroxilo (OH(OH--))

CONSTANTE DE CONSTANTE DE DISOCIACIÓNDISOCIACIÓN

Soluciones ácidas.-Soluciones ácidas.- HX --> HHX --> H++ + X + X--

àcido base conjugaàcido base conjuga

Constante ácida: Ka = [HConstante ácida: Ka = [H++] [X] [X--] / [HX]] / [HX]– Mientras más bajo sea el valor de Ka, más Mientras más bajo sea el valor de Ka, más

débil es el ácido.débil es el ácido.– H - C --> no se ionizaH - C --> no se ioniza– H - O --> se ionizaH - O --> se ioniza– Del valor de Ka se calcula [HDel valor de Ka se calcula [H++] en una ] en una

solución ácidasolución ácida– Si Ka es bajo no se utiliza la ecuación Si Ka es bajo no se utiliza la ecuación

cuadráticacuadrática

Soluciones alcalinas.-Soluciones alcalinas.-

NHNH33 + H + H22O --> NHO --> NH44 + OH + OH--

base ácido acido basebase ácido acido base

conjugado conjugadaconjugado conjugada

Constante básica: Kb = [NHConstante básica: Kb = [NH44++] [OH] [OH--] *] * [[ NHNH33] ]

[H[H22O]O]

* * El término [HEl término [H22O] al ser constante, es incorporado dentro de la O] al ser constante, es incorporado dentro de la constante de equilibrio:constante de equilibrio:

Kc [HKc [H22O] = Kb = [NHO] = Kb = [NH44++] [OH] [OH--] /] / [[ NHNH33]]

RELACIÓN ÁCIDO-BASE RELACIÓN ÁCIDO-BASE CONJUGADOSCONJUGADOS

Si un ácido es de carácter fuerte, su base Si un ácido es de carácter fuerte, su base conjugada será relativamente débilconjugada será relativamente débil

NHNH44+ + --> NH --> NH3.3. + H + H++ (1) (1)

Si la base es de carácter débil, su ácido Si la base es de carácter débil, su ácido conjugado es relativamente fuerte.conjugado es relativamente fuerte.

NHNH3 3 + H+ H22O --> NHO --> NH44++ + OH + OH-- (2) (2)

PRINCIPIO DE EQUILIBRIO PRINCIPIO DE EQUILIBRIO QUÍMICOQUÍMICO

NHNH44+ + --> NH --> NH3.3. + H + H++ (1) (1)

NHNH3 3 + H+ H22O --> NHO --> NH44++ + OH + OH-- (2) (2)

Si:Si: reacción (1) + reacción (2) = reacción reacción (1) + reacción (2) = reacción (3)(3)

entonces, entonces, K1 x K2 = K3K1 x K2 = K3

por tanto, por tanto, Ka x Kb = Kw Ka x Kb = Kw

Kw= constante de disociación del aguaKw= constante de disociación del agua

pH - MEDIDA DE ACIDEZpH - MEDIDA DE ACIDEZ

pH = - log [HpH = - log [H++] = log ] = log 1 1

[H[H++]]

Kw= [HKw= [H++] [OH] [OH--] = 1.0 X 10] = 1.0 X 10-14-14

pH < 7.0 --> [HpH < 7.0 --> [H++] > [OH] > [OH--] ácido] ácido

pH = 7.0 --> [HpH = 7.0 --> [H++] = [OH] = [OH--] neutro] neutro

pH > 7.0 --> [HpH > 7.0 --> [H++] < [OH] < [OH--] básico] básico

SOLUCIONES TAMPÓN (buffers)SOLUCIONES TAMPÓN (buffers)

Son mezclas de ácidos débiles con sus sales o Son mezclas de ácidos débiles con sus sales o de bases débiles con sus sales, debido a que de bases débiles con sus sales, debido a que estas soluciones resisten a un cambio en la estas soluciones resisten a un cambio en la [H[H++] al añadir cantidades pequeñas de ácidos o ] al añadir cantidades pequeñas de ácidos o bases (fuertes).bases (fuertes).

Existe una relación entre el pH y el pKa, que es Existe una relación entre el pH y el pKa, que es el pH al cual se disocia la mitad de un ácido.el pH al cual se disocia la mitad de un ácido.

K= [HK= [H++] [A] [A--] pK = -log K] pK = -log K

[HA][HA] Ecuación de Henderson-HasselbachEcuación de Henderson-Hasselbach

pH = pKa + log ([ApH = pKa + log ([A--]/ [HA])]/ [HA])