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5.7: Agua - Biología

5.7: Agua - Biología


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Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir las propiedades del agua que son fundamentales para mantener la vida.

¿Alguna vez te has preguntado por qué los científicos dedican tiempo a buscar agua en otros planetas? Es porque el agua es esencial para la vida; incluso rastros diminutos de ella en otro planeta pueden indicar que la vida podría existir o existió en ese planeta. El agua es una de las moléculas más abundantes en las células vivas y la más crítica para la vida tal como la conocemos. Aproximadamente el 70 por ciento de su cuerpo está compuesto de agua. Sin él, la vida simplemente no existiría.

Los átomos de hidrógeno y oxígeno dentro de las moléculas de agua forman enlaces covalentes polares. Los electrones compartidos pasan más tiempo asociados con el átomo de oxígeno que con los átomos de hidrógeno. No hay una carga total en una molécula de agua, pero hay una ligera carga positiva en cada átomo de hidrógeno y una ligera carga negativa en el átomo de oxígeno. Debido a estas cargas, los átomos de hidrógeno ligeramente positivos se repelen entre sí y forman la forma única que se ve en la Figura 1. Cada molécula de agua atrae otras moléculas de agua debido a las cargas positivas y negativas en las diferentes partes de la molécula. El agua también atrae otras moléculas polares (como los azúcares), formando enlaces de hidrógeno. Cuando una sustancia forma fácilmente enlaces de hidrógeno con el agua, puede disolverse en agua y se la denomina hidrófila ("amante del agua"). Los enlaces de hidrógeno no se forman fácilmente con sustancias apolares como aceites y grasas (Figura 1). Estos compuestos apolares son hidrófobos ("temerosos del agua") y no se disuelven en el agua.

El agua estabiliza la temperatura

Los enlaces de hidrógeno en el agua le permiten absorber y liberar energía térmica más lentamente que muchas otras sustancias. La temperatura es una medida del movimiento (energía cinética) de las moléculas. A medida que aumenta el movimiento, la energía es más alta y, por lo tanto, la temperatura es más alta. El agua absorbe una gran cantidad de energía antes de que suba su temperatura. El aumento de energía interrumpe los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Debido a que estos enlaces pueden crearse y romperse rápidamente, el agua absorbe un aumento de energía y los cambios de temperatura solo mínimamente. Esto significa que el agua modera los cambios de temperatura dentro de los organismos y en sus entornos. A medida que continúa la entrada de energía, el equilibrio entre la formación de enlaces de hidrógeno y la destrucción se inclina hacia el lado de la destrucción. Se rompen más enlaces de los que se forman. Este proceso da como resultado la liberación de moléculas de agua individuales en la superficie del líquido (como un cuerpo de agua, las hojas de una planta o la piel de un organismo) en un proceso llamado evaporación. La evaporación del sudor, que es 90 por ciento de agua, permite el enfriamiento de un organismo, porque romper los enlaces de hidrógeno requiere un aporte de energía y elimina el calor del cuerpo.

Por el contrario, a medida que el movimiento molecular disminuye y las temperaturas bajan, hay menos energía presente para romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Estos enlaces permanecen intactos y comienzan a formar una estructura rígida en forma de celosía (por ejemplo, hielo) (Figura 2a). Cuando está congelado, el hielo es menos denso que el agua líquida (las moléculas están más separadas). Esto significa que el hielo flota en la superficie de una masa de agua (Figura 2b). En lagos, estanques y océanos, el hielo se formará en la superficie del agua, creando una barrera aislante para proteger la vida animal y vegetal debajo de la congelación en el agua. Si esto no sucediera, las plantas y los animales que viven en el agua se congelarían en un bloque de hielo y no podrían moverse libremente, lo que dificultaría o imposibilitaría la vida en temperaturas frías.

El agua es un excelente solvente

Debido a que el agua es polar, con ligeras cargas positivas y negativas, los compuestos iónicos y las moléculas polares pueden disolverse fácilmente en ella. El agua es, por tanto, lo que se denomina disolvente, una sustancia capaz de disolver otra sustancia. Las partículas cargadas formarán enlaces de hidrógeno con una capa circundante de moléculas de agua. Esto se conoce como una esfera de hidratación y sirve para mantener las partículas separadas o dispersas en el agua. En el caso de la sal de mesa (NaCl) mezclada con agua (Figura 3), los iones de sodio y cloruro se separan o disocian en el agua y se forman esferas de hidratación alrededor de los iones. Un ion de sodio con carga positiva está rodeado por las cargas parcialmente negativas de los átomos de oxígeno en las moléculas de agua. Un ion cloruro cargado negativamente está rodeado por las cargas parcialmente positivas de los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua. Estas esferas de hidratación también se conocen como caparazones de hidratación. La polaridad de la molécula de agua la convierte en un solvente eficaz y es importante en sus múltiples funciones en los sistemas vivos.

El agua es cohesiva

¿Alguna vez llenó un vaso de agua hasta el borde y luego agregó lentamente unas gotas más? Antes de que se desborde, el agua en realidad forma una forma de cúpula sobre el borde del vaso. Esta agua puede permanecer por encima del vaso debido a la propiedad de cohesión. En la cohesión, las moléculas de agua se atraen entre sí (debido a los enlaces de hidrógeno), manteniendo las moléculas juntas en la interfaz líquido-aire (gas), aunque no hay más espacio en el vidrio. La cohesión da lugar a la tensión superficial, la capacidad de una sustancia para resistir la ruptura cuando se somete a tensión o estrés. Cuando dejas caer un pequeño trozo de papel sobre una gota de agua, el papel flota sobre la gota de agua, aunque el objeto es más denso (más pesado) que el agua. Esto ocurre debido a la tensión superficial que crean las moléculas de agua. La cohesión y la tensión superficial mantienen intactas las moléculas de agua y el elemento flotando en la parte superior. Incluso es posible “hacer flotar” una aguja de acero sobre un vaso de agua si lo coloca suavemente, sin romper la tensión superficial (Figura 4).

Estas fuerzas cohesivas también están relacionadas con la propiedad de adhesión del agua, o la atracción entre moléculas de agua y otras moléculas. Esto se observa cuando el agua “trepa” por una pajita colocada en un vaso de agua. Notarás que el agua parece estar más alta en los lados de la pajita que en el medio. Esto se debe a que las moléculas de agua son atraídas por la pajita y, por lo tanto, se adhieren a ella.

Las fuerzas cohesivas y adhesivas son importantes para mantener la vida. Por ejemplo, debido a estas fuerzas, el agua puede fluir desde las raíces hasta la parte superior de las plantas para alimentar a la planta.

Tampones, pH, ácidos y bases

El pH de una solución es una medida de su acidez o alcalinidad. Probablemente haya usado papel tornasol, papel que ha sido tratado con un tinte natural soluble en agua para que pueda usarse como indicador de pH, para probar cuánto ácido o base (alcalinidad) existe en una solución. Es posible que incluso haya usado algunos para asegurarse de que el agua de una piscina al aire libre esté tratada adecuadamente. En ambos casos, esta prueba de pH mide la cantidad de iones de hidrógeno que existe en una solución determinada. Las altas concentraciones de iones de hidrógeno producen un pH bajo, mientras que los niveles bajos de iones de hidrógeno dan como resultado un pH alto. La concentración total de iones de hidrógeno está inversamente relacionada con su pH y se puede medir en la escala de pH (Figura 5). Por tanto, cuantos más iones de hidrógeno estén presentes, menor será el pH; a la inversa, cuantos menos iones de hidrógeno, mayor es el pH.

La escala de pH varía de 0 a 14. Un cambio de una unidad en la escala de pH representa un cambio en la concentración de iones de hidrógeno por un factor de 10, un cambio en dos unidades representa un cambio en la concentración de iones de hidrógeno por un factor de 100. Por lo tanto, pequeños cambios en el pH representan grandes cambios en las concentraciones de iones de hidrógeno. El agua pura es neutra. No es ni ácido ni básico, y tiene un pH de 7,0. Todo lo que esté por debajo de 7,0 (de 0,0 a 6,9) es ácido, y todo lo que esté por encima de 7,0 (de 7,1 a 14,0) es alcalino. La sangre de sus venas es ligeramente alcalina (pH = 7,4). El ambiente de su estómago es muy ácido (pH = 1 a 2). El jugo de naranja es ligeramente ácido (pH = aproximadamente 3,5), mientras que el bicarbonato de sodio es básico (pH = 9,0).

Los ácidos son sustancias que proporcionan iones de hidrógeno (H+) y un pH más bajo, mientras que las bases proporcionan iones hidróxido (OH) y elevar el pH. Cuanto más fuerte es el ácido, más fácilmente dona H+. Por ejemplo, el ácido clorhídrico y el jugo de limón son muy ácidos y liberan fácilmente H+ cuando se agrega al agua. Por el contrario, las bases son aquellas sustancias que donan fácilmente OH. El OH los iones se combinan con H+ para producir agua, lo que eleva el pH de una sustancia. El hidróxido de sodio y muchos limpiadores domésticos son muy alcalinos y liberan OH rápidamente cuando se coloca en agua, elevando así el pH.

La mayoría de las células de nuestro cuerpo operan dentro de una ventana muy estrecha de la escala de pH, que por lo general oscila entre 7,2 y 7,6. Si el pH del cuerpo está fuera de este rango, el sistema respiratorio funciona mal, al igual que otros órganos del cuerpo. Las células ya no funcionan correctamente y las proteínas se degradarán. La desviación fuera del rango de pH puede inducir coma o incluso causar la muerte.

Entonces, ¿cómo es que podemos ingerir o inhalar sustancias ácidas o básicas y no morir? Los amortiguadores son la clave. Los tampones absorben fácilmente el exceso de H+ o oh, manteniendo el pH del cuerpo cuidadosamente mantenido en el rango estrecho antes mencionado. El dióxido de carbono es parte de un sistema de amortiguación prominente en el cuerpo humano; mantiene el pH dentro del rango adecuado. Este sistema tampón implica ácido carbónico (H2CO3) y bicarbonato (HCO3) anión. Si demasiado H+ entra al cuerpo, el bicarbonato se combinará con el H+ para crear ácido carbónico y limitar la disminución del pH. Del mismo modo, si demasiado OH se introduce en el sistema, el ácido carbónico se combinará con él para crear bicarbonato y limitar el aumento del pH. Si bien el ácido carbónico es un producto importante en esta reacción, su presencia es fugaz porque el ácido carbónico se libera del cuerpo como gas de dióxido de carbono cada vez que respiramos. Sin este sistema de amortiguación, el pH de nuestros cuerpos fluctuaría demasiado y no podríamos sobrevivir.

Resumen de la sección

El agua tiene muchas propiedades que son críticas para mantener la vida. Es polar, lo que permite la formación de enlaces de hidrógeno, que permiten que los iones y otras moléculas polares se disuelvan en agua. Por tanto, el agua es un excelente disolvente. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua le dan al agua la capacidad de retener el calor mejor que muchas otras sustancias. A medida que aumenta la temperatura, los enlaces de hidrógeno entre el agua se rompen y reforman continuamente, lo que permite que la temperatura general permanezca estable, aunque se agrega más energía al sistema. Las fuerzas cohesivas del agua permiten la propiedad de la tensión superficial. Todas estas propiedades únicas del agua son importantes en la química de los organismos vivos.

El pH de una solución es una medida de la concentración de iones de hidrógeno en la solución. Una solución con un alto número de iones de hidrógeno es ácida y tiene un valor de pH bajo. Una solución con un elevado número de iones hidróxido es básica y tiene un valor de pH elevado. La escala de pH varía de 0 a 14, siendo un pH de 7 neutro. Los tampones son soluciones que moderan los cambios de pH cuando se agrega un ácido o una base al sistema tampón. Los tampones son importantes en los sistemas biológicos debido a su capacidad para mantener condiciones de pH constantes.

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Preguntas de autocomprobación

  1. ¿Por qué algunos insectos pueden caminar sobre el agua?
  2. Explique por qué el agua es un excelente solvente.

Respuestas

  1. Algunos insectos pueden caminar sobre el agua, aunque son más pesados ​​(más densos) que el agua, debido a la tensión superficial del agua. La tensión superficial resulta de la cohesión, o la atracción entre las moléculas de agua en la superficie del cuerpo de agua [la interfaz líquido-aire (gas)].
  2. Las moléculas de agua son polares, lo que significa que tienen cargas parciales positivas y negativas separadas. Debido a estas cargas, las moléculas de agua pueden rodear las partículas cargadas creadas cuando una sustancia se disocia. La capa circundante de moléculas de agua estabiliza el ión y evita que los iones con cargas diferentes se vuelvan a asociar, por lo que la sustancia permanece disuelta.


Ver el vídeo: Τι έχει μέσα ένα φίλτρο νερού; και πως αλλάζειψυγείου ντουλάπας (Junio 2022).


Comentarios:

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