Água e Soluções

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Água e Soluções22/09/2021
Aula 02
Visão Geral
A vida surgiu provavelmente em ambiente
aquoso.
A água representa 70% ou mais do peso da
maioria dos organismos. 
Uma atividade metabólica normal só pode
ocorrer em células que têm pelo menos 65% de
H₂O.
As propriedades físicas e químicas da água
determinaram a vida como se conhece hoje.
Dentre essas propriedades, são essenciais as
forças atrativas entre moléculas de água
(ligações de H) e a tendência da água em se
ionizar, ainda que muito fracamente.
As propriedades da água possibilitam a
existência dos sistemas tampão, essenciais aos
organismos vivos.
As propriedades da molécula de água e seus
produtos de ionização (H⁺ e OH⁻), influenciam
profundamente a estrutura e as propriedades
dos diversos componentes celulares como
proteínas, lipídios, carboidratos e ácidos
nucléicos.
As diferenças de eletronegatividade entre H e
O conferem um momento de dipolo à água.
Este momento de dipolo, e a presença de pares
de elétrons não compartilhados no O, é
responsável pela formação de pontes de
hidrogênio entre moléculas de água.
Alanis Rafaella
Os orbitais da molécula de água, incluindo
os orbitais não-ligantes do oxigênio,
possuem um arranjo aproximadamente
tetraédrico.
Ligações de Hidrogênio
São responsáveis pelas forças coesivas que
tornam a água líquida à temperatura
ambiente e que favorecem um arranjo
extremamente ordenado das moléculas de
água em cristais de gelo.
A água pode atuar tanto como aceptor,
como doador de H em pontes de hidrogênio.
As ligações de hidrogênio são isoladamente
fracas.
☄ Energia de ligação de H: ~23 kJ/mol
☄ Energia de ligação O-H na água: 470
kJ/mol
☄ Energia de ligação C-C: 348 kJ/mol
O arranjo aproximadamente tetraédrico
dos orbitais ao redor do O da molécula de
H₂O permite teoricamente ligações de
hidrogênio com até 4 outras moléculas de
H₂O.
No estado líquido, devido ao estado
desorganizado das moléculas de água e ao
seu movimento constante, uma molécula de
H₂O forma ligações de hidrogênio com
apenas outras 3,4 moléculas em média.
O gelo, ao contrário, apresenta uma
estrutura muito mais organizada, com cada
molécula de H2O fixa no espaço, o que
permite que cada uma estabeleça ligações
de H com outras 4 moléculas.
Água como Solvente
Alanis Rafaella
Ligações de hidrogênio são mais fortes quando
orientadas de maneira a permitir interação
eletrostática máxima, o que ocorre quando os
átomos envolvidos na ponte de H estão em linha
reta.
A solubilidade de um soluto em um determinado
solvente depende da capacidade que o solvente
tem de interagir com o soluto de maneira mais
forte que as partículas do soluto interagem
entre si.
A polaridade da água faz com que esta dissolva
facilmente substâncias polares (hidrofílicas). 
Substâncias apolares, por outro lado, não
conseguem formar interações água-soluto sendo
insolúveis em água e designadas hidrofóbicas.
Os íons de um sal interagem de acordo com a lei
de Coulomb:
F = Q₁Q₂ 
 er²
Assim, quanto maior a constante dielétrica,
menor a força que une as duas cargas, ou seja,
a constante dielétrica de um solvente é uma
medida de sua capacidade de manter cargas
opostas separadas.
A água é um dos solventes com maior constante
dielétrica.
Esta alta constante dielétrica tem reflexo
direto na capacidade da água em dissolver
compostos polares.
A dissolução de compostos polares está
relacionada à sua capacidade de trocar
interações eletrostáticas entre as
partículas do soluto por interações entre
soluto e água.
Interações Hidrofóbicas
CO₂ é mais solúvel em H₂O porque reage
com H₂O.
Isso tem implicações importantes no
transporte de O₂ dos pulmões para os
tecidos e de CO₂ dos tecidos para os
pulmões.
O O₂ é transportado através de proteínas
carregadoras (hemoglobina). O transporte
de CO₂ é feito principalmente sob a forma
de HCO⁻₃, bastante solúvel em água (100 g/L
a 25ºC).
CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ HCO⁻₃ + H⁺
 
As forças que mantêm as regiões apolares
de moléculas diferentes juntas são
denominadas interações hidrofóbicas.
Resultam de uma maior estabilidade
termodinâmica através da minimização de
interações com a água.
Proteínas, pigmentos, esteróis, algumas
vitaminas e fosfolipídios de membrana são
anfipáticos e dependem de interações
hidrofóbicas para sua estabilização.
Propriedades da Água
Alanis Rafaella
Membranas biológicas são estabilizadas por
interações hidrofóbicas.
Interações hidrofóbicas entre aminoácidos
apolares são importantes na estabilização de
proteínas.
Os quatro tipos de interações fracas (não
covalentes) entre as biomoléculas e o meio
aquoso são:
☄ Ligações de Hidrogênio;
☄ Interações Iônicas;
☄ Interações Hidrofóbicas;
☄ Interações de Van der Waals.
Esses 4 tipos de interações são muito mais
fracas que uma interação covalente, mas em
conjunto seu efeito pode ser muito significativo.
A ligação de uma enzima a seu substrato pode
envolver várias ligações de H, além de
interações iônicas, hidrofóbicas e de Van der
Waals.
Para separar a enzima de seu substrato, é
necessário romper todas essas interações
simultaneamente.
Todas estas interações são de importância
primordial na manutenção da estrutura de
biomoléculas.
A estrutura mais estável (nativa) de proteínas e
ácidos nucléicos é normalmente aquela em que
as interações fracas são maximizadas. 
Isto determina o dobramento de proteínas em
folhas β pregueadas e α-hélices, por exemplo,
assim como a estrutura de dupla hélice do DNA.
☄ Densidade: Definida como a razão m/V, dada em
g/mL ou kg/L.
- Densidade da água a 4ºC é de 1g/mL ou 1kg/L. 
- A densidade da água varia de acordo com a
temperatura, sendo menor em temperaturas
inferiores ou superiores a 4ºC. 
- O gelo é menos denso que a água.
☄ Calor de Vaporização ΔHᵥₐₚ (em J/g):
Energia necessária para transformar 1 g de um
líquido em sua temperatura de ebulição, à
pressão atmosférica para o estado de vapor. 
- A água apresenta um alto calor de
vaporização, o que apresenta
as seguintes vantagens:
◦ Para desidratar um sistema biológico é
necessária muita energia.
◦ Por isso, a água é usada para controle de
temperatura em organismos vivos.
- Transpiração serve para dissipar calor.
☄ Tensão Superficial (γ): Atrações
intermoleculares (forças coesivas) mantêm as
moléculas coesas. 
- As atrações intermoleculares entre moléculas
da camada externa da interface da água com o
ar são maiores devido ao fato de não possuírem
moléculas iguais em todas as dimensões para
interagir. 
- Forma-se uma espécie de membrana que
impede a penetração na água.
- Tipicamente medida em dynes/cm ou mN/m, é
a força necessária para romper um filme de 1 cm
de comprimento. 
- A tensão superficial da água diminui com a
temperatura.
Alanis Rafaella
- A água apresenta alta tensão superficial, importante
para a compartimentalização celular através de
membranas. No entanto, dificulta trocas gasosas nos
alvéolos pulmonares.
- Isso é minimizado pela síntese e liberação de
surfactantes por células epiteliais alveolares. 
◦ Células alveolares do tipo II (liberam surfactantes). 
◦ Células alveolares do tipo I (trocas gasosas).
- Sabões e detergentes reduzem a tensão superficial
da água, permitindo que a água entre melhor nos
tecidos.
- A tensão superficial está relacionada com a
capilaridade.
☄ Capilaridade: Capacidade de um líquido de subir
ou descer em um tubo de diâmetro muito pequeno,
aparentemente violando a lei da gravidade.
- A água sobe por um capilar devido ao fato de as
forças adesivas entre a água e as paredes do capilar
de vidro serem maiores que as forças coesivas entre
as moléculas de água.
- Moléculas de H₂O interagem com sílica.
- A altura que o líquido sobe e se o líquido sobe ou
desce depende:
◦ Da tensão superficial do líquido;
◦ Do diâmetro do tubo;
◦ Da densidade do líquido.
- A elevação da seiva de uma planta desde suas
raízes até as folhas depende da capilaridade.
- A capilaridade também é observada em superfícies
como papel ou sílica, sendo uma das propriedades
utilizada na cromatografia em camada delgada.
☄ Viscosidade: Resistência à deformação por
forças de tensão.
- Quanto maioresas forças de coesão entre as
moléculas, maior a viscosidade. 
- A água deveria ter alta viscosidade devido às
pontes de hidrogênio. No entanto, o fato de
estas pontes se desfazerem e refazerem muito
rapidamente faz com que a água tenha
viscosidade muito baixa.
- A viscosidade da água é de 1cP (centi poise) =
1mPa·s a 20ºC.
Soluções
Misturas contendo mais de um componente
que se apresenta com apenas uma fase.
Tipos:
☄ Líquido – Líquido (p.e. etanol + água);
☄ Sólido – Líquido (p.e. NaCl dissolvido + água);
☄ Gás – Líquido (p.e. O₂ + água).
Solvente + soluto: p.e. Água + NaCl.
Solvente pode ser água ou solventes
orgânicos. Em sistemas biológicos: água.
Fluidos biológicos são soluções aquosas
complexas que podem conter milhares de
solutos dissolvidos (ácidos nucleicos,
proteínas, carboidratos, sais).
Soluções aquosas são possíveis apenas para
solutos iônicos ou polares.
Para qualquer solução, a definição mais
importante é sua concentração, que terá
relação direta com suas propriedades
físicas e químicas.
Sacarose 30% possui maior densidade e
viscosidade comparada com sacarose 1%.
Alanis Rafaella
Pureza do reagente: Após o cálculo da massa ou
do volume, deve-se corrigir o valor para a
pureza do reagente, se este dado for
mencionado.
Água de hidratação: MgSO₄.7H₂O. O peso
molecular a ser considerado deve incluir as
moléculas de água de hidratação.
Reagentes sólidos devem ser pesados. 
No caso de reagentes líquidos, deve-se medir o
volume. Para isso, utiliza-se a densidade para
conversão de massa em volume.
A concentração de uma solução é representada
pela quantidade de soluto por quantidade de
solução, que pode ser expressa de diversas
formas, sendo as mais comuns porcentagem e
molaridade (M).
 massa do soluto (g)
 volume da solução (ml)% =
M = m 
 PM×V 
☄ m = Massa (g);
☄ PM = Peso molecular;
☄ V = Volume (L).
Diluição de soluções:
C₁V₁ = C₂V₂
 m 
 vd =
Líquidos voláteis devem ser manuseados em
capela de exaustão.