biofísica da água e soluções

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Biofísica da água
Profa. Claine Albuquerque/ Profa. Simey de Souza Leão Pereira Magnata
Universidade Federal de Pernambuco
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Água: molécula mais abundante
 É o solvente fundamental dos sistemas biológicos 
Cerca de 70 % do nosso corpo é composto por água
 ~ 2/3 encontrada no microambiente intracelular
 ~ 1/3 encontrada no meio extracelular, sobretudo no plasma sanguíneo.
A água se movimenta por todo o corpo através das veias e artérias carregando íons e nutrientes para todas as células.
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Água: molécula mais abundante
ÁGUA NOS PRINCIPAIS TECIDOS
BAÇO			80% 	 
PULMÕES 		80%	
RINS			80% CORAÇÃO		77%
PÂNCREAS 		75% 
FÍGADO	 		73%
T. CONJUNTIVO	 	60%
T. ADIPOSO		30%
OSSO			33%
ÁGUA NOS LÍQUIDOS ORGÂNICOS
BILE			97,5% 
LINFA			96% 
SANGUE TOTAL		80% 
SALIVA			80% 
S. PANCREÁTIC		75%
H. AQUOSO		60% 
S. GÁSTRICO		30%
	
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Propriedades microscópicas da água
Estrutura Atômica e Molecular
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Estrutura atômica 
“O ângulo de ligação do oxigênio às moléculas de hidrogênio é de 104, 5 o o que torna a molécula de água ASSIMÉTRICA”
Dois átomos de hidrogênio covalentemente ligados a um átomo de oxigênio.
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Ligações Covalentes na Água 
Ligação covalente polar: 
Compartilhamento desigual de elétrons
	Pelo fato do hidrogênio ser menos ELETRONEGATIVO que o oxigênio, os elétrons compartilhados são “puxados” em direção ao átomo de oxigênio.
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Eletronegatividade – Medida da capacidade de um átomo de atrair elétrons para si em uma ligação covalente. 
Escala de Eletronegatividade 
Está relacionada tanto ao tamanho do átomo (número de prótons) quanto a distância entre os elétrons da última camada e o núcleo. 
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Ligações Covalentes na Água 
A maior atração dos elétrons compartilhados pelo átomo de oxigênio, devido a sua maior eletronegatividade, gera uma distribuição desigual de cargas elétricas entre os átomos, tornando a molécula de água parcialmente carregada.
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Cargas Parciais
As cargas são ditas PARCIAIS porque há apenas uma separação de cargas dentro da molécula. 
A molécula como um todo porém continua neutra.
As cargas parciais formam DIPOLOS ELÉTRICOS. 
A molécula de água apresenta 2 DIPOLOS ELÉTRICOS. 
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Pontes de Hidrogênio
“A presença das cargas parciais na molécula de água faz com que tanto o átomo de oxigênio quanto os átomos de hidrogênio possam exercer atração eletrostática a outros átomos de moléculas de água vizinhas, formando assim as PONTES DE HIDROGÊNIO”
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Pontes de Hidrogênio
 São ligações fracas, não covalentes.
Energia de Ligação = 29 KJ/mol 
Obs: Ligação Covalente tem EL = 464 KJ/mol.
 O  Forma pontes com até 2 H
 H  Forma pontes com 1 O
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Pontes de Hidrogênio
H2O sólido  Pontes de hidrogênio fixas, formando uma rede regular.
H2O líquido  Pontes de Hidrogênio em constante associação e dissociação. Tempo de vida da ligação é ~ 1 x 10 –9 segundos.
H2O vapor  Praticamente não há formação de Pontes.
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Entropia do sistema aquoso
Segunda lei da Termodinâmica: 
“A entropia (∆S) do universo tende ao máximo”
Assim, mesmo em temperatura ambiente a água sofre evaporação espontânea, ou seja, tende a alcançar o seu estado de maior entropia.
∆S gelo < ∆S líquido < ∆S vapor
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As pontes de H e os solutos polares
As pontes de H não ocorrem apenas entre moléculas de água.
Podem formar-se entre um hidrogênio de um molécula qualquer que apresente dipolo e um átomo mais eletronegativo (normalmente O e N) de uma outra molécula ou da mesmo molécula.
Átomos de carbono não participam de pontes de H, porque a eletronegatividade do C (EN=2,5) é muito próxima da do H (EN =2,1). 
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Ocorrência de pontes de hidrogênio
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“A vida como a conhecemos existe graças as propriedades especiais da água.” 
Por exemplo: 
Densidade do gelo < d H20 líquida
Baixa viscosidade 
Alta tensão superficial
Alto calor específico 
Alto calor latente de fusão
(Alto ponto de fusão)
Alto calor de vaporização 
(Alto ponto de ebulição)
Estas propriedades incomuns resultam:
em grande parte das muitas pontes de hidrogênio formadas devido a presença de cargas parciais (2 dipolos) e favorecidas pela assimetria da molécula (ângulo H-O-H de 104,5 ).
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Propriedades macroscópicas da água
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1. Densidade
	É a razão entre a massa (g) de um corpo ou substância e o seu volume (cm3).
Densidade = g/cm3, sendo 1 cm3 = 1 mL
	A presença de pontes de hidrogênio fixas na água congelada, induz a expansão do seu volume e consequentemente a diminuição da sua densidade.
	
	Na forma de vapor, quando praticamente não existem pontes de hidrogênio, as moléculas estão muito distantes uma das outras, assim 1g de H20 está em um  vol., por isso sua  d. 
d H20 sólida < d H20 líquida <<<<< d H20 gás
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1. Densidade
Qual a importância da menor densidade do gelo em relação a água para a manutenção da vida nos lagos e oceanos?
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2. Viscosidade
 
	É a medida da resistência de um fluido ao escoamento ou deformação. Esta propriedade tem como origem as forças existentes entre as moléculas do fluido.
Água  Muitas pontes de hidrogênio
 PORÉM 
Baixa viscosidade 
POR QUE?
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2. Viscosidade
 
Todos os líquidos tornam-se mais viscosos com a diminuição da temperatura 
Água (0 C)	 			1,79 x 10-3 Pa.s
Água (37 C	) 			0,691 x 10-3 Pa.s
Água (100 C) 			0,282 x 10-3 Pa.s
Sangue (37 C)			4,0 x 10-3 Pa.s
Plasma Sanguíneo (37 C) 	1,5 x 10-3 Pa.s
Álcool (20 C) 			1,2 x 10-3 Pa.s
Pa.s (Pascal segundo)
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3. Tensão superficial
 
	É a força mínima, ou trabalho, que necessita ser aplicada para a penetração de um corpo ou substância em uma superfície líquida.
 = força/área (N/m)
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3. Tensão superficial
 
	Resulta das forças de atração existentes entre as moléculas do interior do líquido.
	Estas forças ocorrem em todas as direções nas moléculas internas da substância.
	Nas moléculas de superfície, as forças apontam apenas para o interior do líquido, gerando uma energia potencial de superfície, conhecida por tensão superficial.
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3. Tensão superficial
 
	As forças de atração entre as moléculas e um líquido são chamadas de forças coesivas. O grande número de pontes de hidrogênio presentes na água confere a ela uma grande coesão interna, resultando em ALTA tensão superficial, quando comparada a de muitos outros líquidos.
Líquido-Ar			 (N/m)
Água (0 C)	 		0,0756 
Água (37 C	) 		0,0700
Água (100 C) 		0,0589
Sangue (37 C)		0,0580
Álcool etílico (20 C)		0,0223
Mercúrio (20 C) 		0,468
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3. Tensão superficial
 
	Algumas substâncias têm a capacidade de diminuir a tensão superficial dos líquidos, são eles os surfactantes ou tensoativos. É o caso, por exemplo, dos detergentes e dos SURFACTANTES ALVEOLARES.
	
	Os alvéolos pulmonares funcionam como pequenas bolsas de ar que se enchem e se comprimem durante a inspiração e a expiração.
	As células que revestem os alvéolos são úmidas, assim a alta tensão superficial da água tende a atrapalhar as trocas gasosas e favorecer o colabamento dos alvéolos durante o seu esvaziamento.
	Estes efeitos são impedidos pela existência dos surfactantes alveolares. 
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3. Tensão superficial
 
	O surfactante alveolar é composto por uma mistura de proteínas (10%) e fosfolipídios (90%). Esses fosfolipídios, sendo anfipáticos, interagem com o líquido das células superficiais dos alvéolos pulmonares diminuindo a suatensão superficial. Esta diminuição da tensão superficial permite as trocas de O2 e CO2. 
	A produção de quantidades adequadas do surfactante alveolar no feto ocorre no quinto mês de gestação. Assim, os bebês prematuros, que nascem antes desse estágio, conseguem encher os alvéolos pulmonares de ar, mas não conseguem mante-los abertos, gerando a síndrome do distress respiratório. Nos casos graves se faz necessário o uso de respirador artificial e o tratamento com surfactantes.
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 4. Calor específico
Calor específico da água  Muito alto
	É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita para elevar sua temperatura em 1 C. 
	Quanto menor o calor específico de uma substância, mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.
Substância         Calor específico (cal/gºC) água                     		1,00 álcool                     		0,58 alumínio                   		0,219 chumbo                    		0,031 cobre                       		0,093 ferro                         		0,110 mercúrio                    		0,033 prata                         		0,056 vidro                        		0,20
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 4. Calor específico
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5. Calor de vaporização
0,54 Kcal/g  Quebra de pontes H  VAPOR
	É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita para passar do estado líquido para o gasoso. 
	Ponto de ebulição é a temperatura em que esta conversão ocorre.	
Calor de vaporização da água  Muito Alto
	0,54 Kcal/g (2,4 KJ/g), a 37 C e pressão de 1 ATM
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5. Calor de vaporização
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5. Calor de fusão
	É a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita para passar do estado sólido para o líquido. 
	Ponto de fusão é a temperatura em que esta conversão ocorre.	
Calor de fusão do gelo  Alto
80 cal/g a 37 C e pressão de 1 ATM
80 cal/g  Quebra de pontes H fixas  Líquido
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5. Calor de fusão
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 Calor específico da água  Muito alto
 Calor de vaporização da água  Muito alto
 Calor de fusão da água  Alto
Moderador térmico:
 sistemas biológicos protegidos
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Propriedades coligativas de alguns solventes 
Água
Metanol
Butanol
Acetona
Benzeno
Butano
Clorofórmio
Ponto fusão
(˚C)
Ponto de ebulição (˚C)
0
-98
-90
-95
6
-135
-63
100
65
117
56
80
-0,5
61
Solvente
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Água  Solvente universal
	A natureza polar e a capacidade de formar pontes de hidrogênio são a base para suas propriedades singulares como SOLVENTE.
Capaz de dissolver substâncias:
 Iônicas
 Polares 
 Anfipáticas
Água e Soluções
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A água e os compostos iônicos
Dissolução favorecida pela segunda lei da Termodinâmica  ENTROPIA
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A água e os compostos polares
 São solúveis em água qualquer substância que possa formar pontes de hidrogênio com ela. Como exemplo temos os álcool etílico, rico em grupamentos OH.
Etanol 
Cerveja, vinho e cachaça são exemplos de misturas homogêneas.
 Alguns gases polares, como a amônia, também são solúveis em água por apresentarem dipolos em suas moléculas.
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Solubilidade de alguns gases em água
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A água e os compostos anfipáticos
Região
polar
 Moléculas anfipáticas – apresentam grupos polares e apolares.
 Se solubilizam na água se a força das ligações polares formadas com a água conseguirem superar as forças hidrofóbicas entre as regiões apolares.
	Exemplo: Proteínas anfipáticas
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A água e os compostos anfipáticos
Região
polar
Fosfolipídeo – molécula anfipática mas não solúvel em água.
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Compostos apolares
Não são solúveis em água
Compostos hidrofóbicos (benzeno, clorofórmio hexano) 
Gases O2, N2 e CO2
Insolubilidade do O2 e CO2 em água é compensada pelo organismo pela presença de hemoglobina e mioglobina, responsáveis pelo transporte destes gases.
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 LEHNINGER, A. L., COX, M. Princípios de Bioquímica. Editora Hardcover, 2004. 
ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P. Biologia Molecular da Célula, Editora Artmed,2004.
LEÃO, M. A. C. Princípios de Biofísica. Recife, Editora Universitária, Pernambuco, 1980.
Tensão superficial nos pulmões: http://sbqensino.foco.fae.ufmg.br/uploads/t6/X_/t6X_yXaKPZghvOanasnhMg/v16_A02.pdf
Bibliografia