Potencial químico del agua

POTENCIAL QUÍMICO DEL AGUA

Dra. Irene Ávila DíazMarzo 2009


Es un concepto muy útil e importante en Fisiología Vegetal ya que todos los movimientos del agua

pueden explicarse con éste.


ENERGÍA LIBRE DE GIBBS: Una medida de la energía disponible para realizar un trabajo

G =E + PV – TSdonde:

E- energía interna (incluye la velocidad o mov. cinético de las partículas, energía de electrones, efectos de absorción de energía radiante, energía de enlaces químicos)PV- Presión X Volumen-TS: factor de desorden (temperatura por entropía)

No se puede cuantificar G, pero si el cambio en este parámetro: G


CAMBIO EN ENERGÍA LIBRE DE GIBBS

Si G = - (espontáneo)

G = + (requiere energía)

G = 0 (en equilibrio)

CAMBIO EN ENERGÍA LIBRE DE GIBBS

G = - RT Ln Keqdonde:

R- cte de los gases ideales: 8.344/ mol K; 1.987 cal/ mol KKeq = conc productos / conc reactivos

ENERGÍA LIBRE:energía disponible (a Tº constante) para realizar trabajo.

POTENCIAL QUÍMICO: es la energía libre por mol de una sustancia.

POTENCIAL QUÍMICOmide la energía con la cual reaccionará

o se moverá una sustancia.


OPOTENCIAL DE AGUA

OPOTENCIAL HÍDRICO

“…MEDIDA DE LA ENERGÍA DISPONIBLEPARA REACCIÓN O MOVIMIENTO DEL AGUA…”

El Potencial de Agua se representa por la letra griega Ψ (psi)El Ψ se ha medido en atmósferas, bars o dinas/cm2

1 atm = 1.01 bars1 bar = 0.985 atm1 bar = 106 dinas/cm2


> a <

1 atm = 1.01 bars1 bar = 0.985 atm1 bar = 106 dinas/cm2

El movimiento del agua SIEMPRE es de un potencial químico mayor a uno menor

Por definición, el pot. Químico del agua pura es = 0 ,

cualquier sustancia disuelta disminuye su actividad, su potencial, por lo que será negativo (- a presión atmosférica).

EL AGUA SE MUEVE DE UNA REGIÓN DE ALTO POTENCIAL A OTRA DE BAJO POTENCIAL.

•El agua se mueve a favor de un gradiente de energía.(El agua se desplaza hacia la región de más baja energía)•Cede energía a medida que se mueve.(Se pierde energía como resultado del movimiento del agua)

∆Ψ = ΨA - ΨB

∆Ψ = diferencia de potencial de agua

ΨA = potencial de agua de la región A

ΨB = potencial de agua de la región B

∆Ψ = ΨA - ΨB

Si ΨA > ΨB ; ∆Ψ (+)el agua se moverá de la región A a la región B

Si ΨA < ΨB; ∆Ψ (-)el agua se moverá de la región B a la región A

El Ψ del agua pura = 0

Toda solución tendrá un Ψ inferior a cero o negativo

Movimiento de las moléculas individuales de un punto a otro del espacio, debido a sus actividades cinéticas

al azar, tendiendo a un equilibrio dinámico

Movimiento de las moléculas de una región de alto potencial a otra región de bajo potencial

Movimiento de las moléculas de una región de alto potenciala otra región de bajo potencial

En una SOLUCIÓN imperfectamente mezclada

> las moléculas de agua difunden en gradiente> las moléculas del soluto difunden hacia abajo

de los gradientes de concentración

Factores de la tasas de difusión de las moléculas* su tamaño* su energía cinética* densidad del medio que atraviesan* el gradiente de concentración del medio

AGUA SOLUTO

DIFUSIÓN DE AGUA A TRAVÉS DE UNA MEMBRANACON PERMEABILIDAD DIFERENCIAL, DE UNA REGIÓN

DE ALTO POTENCIAL (agua pura o solución débil) A OTRADE BAJO POTENCIAL (solución concentrada).

Solución de azúcar

Membrana

AGUA

AGUA

Membrana

Soluciónde azúcar

AGUA

Soluciónde azúcar

POTENCIAL OSMÓTICO (Ψπ) DE UNA SOLUCIÓNPotencial con que el agua pura difunde hacia esa solución

( El Ψπ de una solución siempre es negativo )

El POTENCIAL OSMÓTICO es una medida de la presión real generadamediante la difusión del agua por ósmosis

PRESIÓN DE TURGENCIAPresión ejercida sobre la solución por las paredes de unacélula turgente.

ΨP del agua a presión atmosférica = 0

ΨP de una solución fluctúa de valores negativosa altamente positivos

El agua difunde al exterior de la célula,hacia abajo de un gradiente de presión

0 (a presión atmosférica)- (bajo tensión)+ (bajo presión)

ΨP del agua a presión atmosférica = 0

ΨP de una solución fluctúa de valores negativos a altamente positivos

EL POTENCIAL DE AGUA tiene dos componentes

Potencial osmótico (Ψπ)Potencial de presión (ΨP)

En equilibrio:

Ψπ (fuera) + ΨP (fuera) = Ψπ (dentro) + ΨP (dentro)

Como en el agua pura, a presión atmosféricaΨπ = 0 y el ΨP = 0

- Ψπ (dentro) = ΨP (dentro)

- Ψπ (dentro) = ΨP (dentro)

La presión de turgencia de una célula es numéricamente igual perode sentido opuesto al potencial osmótico de la solución contenida en ella

Si el fluido externo no es AGUA, sino una SOLUCIÓN (Ψπ < 0)la presión de turgencia se medirá por la diferencia entre

el potencial osmótico dentro y fuera de la célula

ΨP = ∆Ψπ = Ψπ fuera - Ψπ dentro

AGUAPURA

OSMÓMETROdispositivo que mide la presión que se produce por ósmosis

Peso = Ψπ

La presión que se produce(P) es proporcionala la concentración del soluto

Membrana

AGUA AGUA

SOLUCIÓN

Ψπ = - nRT / V

P = nRT / VP es la presión producida

en un osmómetro,siendo igual y opuesto

al potencial osmótico en equilibrio

R= constante de los gases T= temperatura absoluta ºKV= volumen de solución/soluton= No de molesn/V = m= molalidad de la solución moles soluto/1000g agua

ΨP (dentro) = - Ψπ (dentro)

Ψπ = - mRT

Ψπ afuera > Ψπ dentro(el agua difunde al interior)

Ψπ afuera = Ψπ dentro(el agua no difunde)

Ψπ afuera < Ψπ dentro(el agua difunde al exterior)

Sol.Hipotónica

Sol.Isotónica

Sol.Hipertónica

Célula A: Ψ = 5 – 12 bars = -7 barsCélula B: Ψ = 3 – 6 bars = -3 bars

La célula A posee un potencial de presión (presión de turgencia) de 5 barsy contiene un citoplasma con un potencial osmótico de -12 bars;la célula B tiene un potencial de presión de 3 barsy una solución interna cuyo potencial osmótico es de - 6 bars.

Sí ambas células están en contacto,¿Hacia dónde se moverá el agua y con qué fuerza?

A – B: ΔΨ = -7 - (-3) = - 4 bars

1 bar = 0.1 MPa (MegaPascal) De célula B a célula A- 4 bars = - 0.4 MPa

ΔΨ = Ψ1 – Ψ2 = 0

Cuando la diferencia del potencial hídrico (ΔΨ) entre los dos lados de la membrana es = 0,

significa que este potencial es igual en ambos ladosy se ha alcanzado el equlibrio

El equilibrio se alcanza por PRESIÓN (en un sistema cerrado)

DILUCIÓN (en un sistema abierto)

ΨM = fuerzas que causan la imbibición o retienen el agua

(Fuerzas de atracción químicas o electrostáticas)

Los solventes se imbiben o difunden sólo en materialescon los que tienen afinidad: agua en proteínas y acetona en caucho

TRABAJO -------------> unidades de energía

POTENCIAL de AGUA -------------> unidades de presión

Una solución 1.0 molal de glucosa

ΨS = - 2.5 kJ kg-1 (energía)ΨS = - 2.5 MPa (presión)

2.5 MPa = 25 bars = 24.67 atmósferas = 18.75 m Hg = 25.49 kg cm-2

Solución:M (molar): ?m (molal): ?

ΨS = Ψπ

M (molar): moles de soluto / lt disoluciónm (molal): moles de soluto / kg disolvente

Una solución 1.0 molal de glucosa

ΨS = - 2.5 kJkg-1 (energía)ΨS = - 2.5 MPa (presión)

ΨS = - miRT

ΨS = potencial osmótico

M = concentración de la solución, expresado como molalidad(moles de soluto / kg de H2O)

i = constante para la ionización de los solutos y/ootras desviaciones de las soluciones perfectas

R = constante de los gases ideales:0.00831 kg·MPa mol-1 K-1

0.00831 kg·kJ mol-1 K-1

0.0831 kg· bars mol-1 K-1

0.080205 kg· atm mol-1 K-1

0.0357 kg· cal mol-1 K-1

T = temperatura absoluta (K) = grados C + 273

ΨS = - miRT

m = concentración de la solución, expresado como molalidad(1.0 mol / kg)

i = constante para la ionización de los solutos( moléculas no ionizadas = 1.0)

R = constante de los gases ideales(0.00831 kg·MPa mol-1 K-1)

T = temperatura absoluta (K)(30°C + 273 = 303 K)

Calcular el Ψπ o ΨS de una solución de glucosa 1.0 molal a 30° C

ΨS = - (1.0 mol / kg) (1.0) (0.00831 kg·MPa / mol K) (303 K)

ΨS = - 2.518 MPa (a 30° C = 303 K)

ΨS = - miRT

m = concentración de la solución, expresado como molalidad(1.0 mol / kg)

i = constante para la ionización de los solutos( moléculas no ionizadas = 1.0)

R = constante de los gases ideales(0.00831 kg·MPa mol-1 K-1)


Calcular el Ψπ o ΨS de una solución de glucosa 1.0 molal a 5° C


ΨS = - 2.310 MPa (a 5° C = 278 K)

¿ Hacia cuál solución se moverá el agua ?

ΨS = - 2.518 MPa (a 30° C = 303 K)

ΨS = - 2.310 MPa (a 5° C = 278 K)

Calcular el Ψπ o ΨS de una solución de NaCl 1.0 molal a 20° C

ΨS = - CiRTC = concentración de la solución

(1.0 mol / kg)i = constante para la ionización de los solutos

( moléculas ionizadas = 1.8)R = constante de los gases ideales

(0.00831 kg·MPa mol-1 K-1)



ΨS = - 4.38 MPa (a 20° C = 293 K)

Gradientes de potencial químico o potencial de agua, producen la fuerza motora para la difusión

Factores más comunes que producen gradientes de potencial químico del agua:

Concentración o actividad (concentración efectiva) e.j. mov. de solutos de alta actividad a baja actividad.

En el agua cambia poco su actividad, e.j. al agregar solutos.


Temperatura.

Vapor de la comida difunde al congelador


Temperatura.

frío

cálido

cálido

Agua liq. o vapor de agua

en la noche:

frío

Día:


Temperatura.

tibio

GAS con dos temp separados por membrana:

frío

frío

(más concentrado)

P cte. y diferencia en concentración es más importante que veloc ligeramente mayores de moléculas

EFECTO DE LA TEMPERATURA ES COMPLEJO

En gral se ignoran sus efectos porque en las ecuaciones de termodinámica se asume una temp. Constante en el sistema y en sus alrededores!!

Sin embargo…..

En las plantas algunas veces hay fuertes diferencias en temp. Ej plantas de tundras alpinas, pequeñas, en suelo muy baja temp y en parte aérea ca. 20 grados

frío

cálido



Presión al incrementar P, aumenta G.

+

- ?

0



Efectos del soluto Disminuyen pot químico del solvente

- ?

0



Efectos mátricos Disminuyen pot químico del solvente

- ?

0

Potencial químico del agua

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