“Soluções aquosas, pH e sistemas tampões”

FIT5205-02501A/B/C (20201)

Bioquímica Agrícola

Carolina Herrera Mazo

Química Farmacêutica, Mestranda em Biologia

de Fungos, Algas e Plantas

chm.udea@gmail.com

Setembro, 2020

Na nossa experiência quotidiana, é uma substância muito familiar e abundante, sendo, no entanto, um composto excepcional do ponto de vista físico-químico e bioquímico.

A grande maioria das células é composta por 80% de água, razão pela qual esta molécula é a mais abundante entre os constituintes dos seres vivos.

Consequentemente, o organismo humano troca com seu ambiente externo um maior número de moléculas de água do que todas as demais moléculas combinadas. Além de sua abundância, as características da molécula de água têm profunda influência na estrutura, organização e funcionamento dos seres vivos.

ÁGUA

¿Porque a importância da água?

Conteúdo

Conhecer os átomos constituintes da água

Compreender a formação da molécula de água

Perceber a água como solvente

Assimilar as características de pH

Interpretar as soluções tampão

Os átomos de água

núcleo central

nuvem de elétrons –

(forças

eletromagnéticas)

Prótons e nêutrons

• elétrons dispostos em

diferentes níveis de energia

ou camadas de elétrons

• Último nível: camada de

valência

Niels Bohr

Elétrons de valência: elétrons que um átomo pode compartilhar.

Valência atômica: elétrons que um átomo aceita ou doa.

≠

Lewis

Forças intermoleculares

Ligações iônicas:

atração eletrostática entre íons de diferentes cargas

Ligações metálicas:

atração entre átomos metálicos

Ligações covalentes:

interação e compartilhamento de um ou mais pares de elétrons entre átomos

Niels Bohr

Lewis

elétrons

disponíveis

elétrons

compartilhados

Eletronegatividade: capacidade de atrair outros elétrons para formar ligações. A molécula de água é polar devido a essa característica do oxigênio.

Forças intramoleculares

ligação íon-íon

ligação íon-dipolo

ligação íon-dipolo induzida

Forças de Van der Waals: (ligações mais fracas)

ligação dipolo-dipolo induzida (ocorre entre moléculas não polares)

Ligação dipolo instantâneo-dipolo induzido

ligações dipolo-dipolo (ocorre em moléculas polares), a estas pertencem as pontes de hidrogênio, i.e., hidrogênio ligado ao oxigênio, flúor ou nitrogênio

As pontes de hidrogênio são responsáveis por algumas propriedades das moléculas: densidade, estado físico, ponto de ebulição e formação de estruturas secundárias e terciárias nas proteínas.

contra o exemplo de pontes de

hidrogênio.

Características físico-químicas

Água à 0°C forma 15% menos pontes de hidrogênio do que gelo. Sabe-se também que essas pontes de hidrogênio na água líquida são um sistema dinâmico, com flutuações rápidas, onde moléculas individuais têm ações mutáveis.

Compreender as características físico-químicas da água ajuda-nos a ter uma percepção do comportamento destas molécula e da interação com outras moléculas nos sistemas biológicos, para posteriormente montar o quebra-cabeças dos sistemas complexos que pertencem à bioquímica.

Densidade H2O δ solido= 0.92g/mL δ liquida= 1g/mL

Propriedades físico-químicas da água líquida

Calor específico

quantidade de energia térmica para

aumentar 1°C em 1g de água (sistemas biológicos estáveis)

Calor de fusão ou molar de fusão

Energia usada na fusão de um mol de

água (80 cal/g) (protege do congelamento os sistemas biológicos)

Calor de evaporação ou molar de

evaporação

Energia investida na evaporação de um

mol de água em seu ponto de

evaporação. (Evita a perda de água e desidratação em sistemas biológicos)

Tensão superficial Manifesta-se na superfície de um

líquido e corresponde à quantidade de

energia necessária para aumentar a

superfície por unidade de área. (valor elevado para a água)

Adesão Força de ligação com uma superfície

Viscosidade Resistência ao fluxo através de um tubo

capilar. (fluxo menos viscoso ocorre mais rapidamente)

Características físico-químicas Propriedades físico-químicas da água

Constante dielétrica

É propriedade dos solventes de separar íons de cargas opostas. A constante dielétrica da água é muito alta.

Hidratação

É a capacidade de envolver íons com moléculas de água orientadas em camadas concêntricas de moléculas ao redor de um íon. Quando o solvente não é água, esse fenômeno é denominado solvatação.

Hidrólise

Reação química envolvendo uma molécula de água que reage com uma molécula quimicamente diferente. Ambas as moléculas são fragmentadas na reação.

Ionização de água Compreende a separação da água nos íons que a formam H+ e OH-. Ocorre espontaneamente, em alguma extensão.

Água como solvente

Conhecida como solvente universal, por sua capacidade de dissolver mais substâncias e em maior quantidade do que qualquer outro solvente. As propriedades físico-químicas da água e o fato de ser o solvente dos demais componentes celulares têm influência decisiva na organização e arranjo espacial de todas as demais moléculas depositárias da vida: lipídios, proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos.

Equilíbrio químico: processo dinâmico

Constante de equilíbrio

Constante de equilíbrio da água

Soluções Ácidas e Básicas

Ácido: são compostos capazes de transferir um íon H+

(Entrega H+)

Exemplo: HCl, CH3COOH, H2SO4

Base: são substâncias que liberam o ânion OH- em soluções aquosas. (Recebe H+) Exemplo: NaOH, NH3, Ca (OH) 2

Ácidos fortes: dissociam-se completamente

Ácidos fracos: dissociam-se parcialmente e a reação é reversível (equilíbrio dinâmico)

Bases fortes: dissociam-se completamente

Bases fracas: dissociam-se parcialmente e a reação é reversível (equilíbrio dinâmico)

Constante de ionização ou dissociação

No caso da água, a constante de dissociação é conhecida como Kw, por se tratar de um composto especial que se comporta como um anfótero.

Ka = constante de dissociação de ácido Kb = constante de dissociação de base

Soluções tampão ou “ Buffer”

Uma solução neutra (com H+ e OH- balanceados) tem um pH = 7 Quanto mais alta a concentração de H+, mais alta a acidez e o pH oscilará em uma faixa entre 0-7. Quanto menor a concentração de H+ , maior a alcalinidade e o pH oscilará em uma faixa entre 7 e 14.

Cada unidade na escala de pH indica um aumento ou diminuição de 10 vezes na concentração de prótons (o pH está em uma escala logarítmica)

A medição do pH é uma forma simples que indica a concentração de H+ em uma solução. Conhecer os conceitos de pH, ácidos e bases é fundamental para entender as interações em sistemas biológicos, lembrando que são 80% agua e as concentrações de H+ impactam muito nos processos biológicos essenciais à vida.

¿Como a acidez ou alcalinidade é medida em uma solução?

https://youtu.be/zosqquhAQx0

pH-metro

https://youtu.be/0eDSH7O6fZM

Fita indicadora Equação de Henderson

Hasselbalch

Soluções tampão ou “ Buffer”

Soluções que mantêm o valor de pH, em alguma extensão, quando adicionadas de álcalis ou ácidos. Usualmente são constituídos por uma mistura de um ácido fraco e o sal de sua base conjugada. Exemplo: ácido acético + acetato de sódio.

Características das soluções tampão 1. Concentrações dos componentes do sistemas tampão 2. Quão próximo o valor do pH da solução tampão está do valor de pKa do ácido 3. Quanto maior for a concentração do tampão e quanto mais próximo seu valor de pH do pKa, maior será a capacidade tamponente do sistema.

https://youtu.be/QGOeklR_CLI

https://youtu.be/yQAWCxvrEak

Soluções tampão ou “ Buffer”

Nos organismos, os sistemas tampão presentes nas células e os fluidos extracelulares

garantem a constância da concentração de H+. Os mais úteis são os sistemas de CO2

(anidrido do ácido carbônico) e sua base conjugada, bicarbonato e ácido fosfórico (HPO4 -2/H2PO4

-), porque a maioria das funções celulares são realizadas sob condições de pH

próximo da neutralidade, no qual estes sistemas tamponantes têm maior margem de

ação.