Biofísica - (1) Agua e dissoluções

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ÁGUA E DISSOLUÇÕES
São Paulo, 2012
Profa. Dra. Luciana Malavolta Quaglio
(luciana.quaglio@fcmscsp.edu.br)
Departamento de Ciências Fisiológicas
Faculdade de Ciências Médicas da Santa Casa de São Paulo
• Importância da Água;
• Estrutura;
ÁGUA E DISSOLUÇÕES
• Estrutura;
• Propriedades Físicas; 
• Ionização da Água;
• Soluções e Dissoluções
CASO CLÍNICO
Há cerca de um ano, atendi uma senhorita dos seus "quase 30 anos” com 
uma ENXAQUECA bastante comum: 
Caso relatado pelo Dr. Ícaro Alves Alcântara - Médico docente 
da UNICEUB - Centro Universitário de Brasília.
uma ENXAQUECA bastante comum: 
A paciente relatava que já havia passado por otorrinos, oftalmo, neuro,
clínico e até endocrinologista, com as prescrições dos mais diversos
tratamentos e a presunção de várias hipóteses diagnósticas, sem
qualquer melhora, entretanto.
Importância da Água
� Participa dos processos fisiológicos e bioquímicos;.
� Regula a temperatura corporal;
Importância Fisiológica da Água
�Ajuda a desintoxicar o organismo;
� Transporta oxigênio e nutrientes até às células;
� Lubrifica as articulações e tonifica os músculos;
� Previne doenças e contribui para o bem estar;
�Melhora a capacidade de concentração e raciocínio.
Estrutura da Água
Estrutura da Água
A estrutura organizada do gelo
Solventes Ponto de Fusão 
(ºC)
Ponto de 
Ebulição (ºC)
Calor de 
vaporização (J/g) 
Água 0 100 2260
Propriedades Físicas da Água
Água 0 100 2260
Acetona - 95 56 523
Benzeno 6 80 394
Clorofórmio - 63 61 247
Etanol - 117 78 854
Metanol - 98 65 1100
Propriedades Físicas da Água
Propriedades Físicas da Água
P(atm)
Diagrama de fases da água (ponto triplo e ponto crítico)
0,01 100 374 T oC
217,7
0,06
1,0
Tipo de Interação Energia de Interação 
(kJ/mol)
Covalente 200-800
Interações e Ligações Químicas
Covalente 200-800
Iônica 40-400
Ligação de hidrogênio 20-40
Íon-dipolo 4-30
van der Waals 4-30
Dipolar 0,4-4
Tipos de Interações Intermoleculares
Ionização da Água
H2O H+ + OH-
• H3O+
• H5O2+
• H9O4+
� H2O agindo como base ao aceitar um próton para formar H3O+
Água: Caráter Anfiprótico
HCl(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + Cl−(aq)
�H2O agindo como ácido ao ceder um próton e formar OH−
NH3(aq) + H2O(l) NH+4 (aq) + OH− (aq)
O produto iônico da água
• Em água pura, estabelece-se o seguinte equilíbrio a 25 °C
Autoprotólise ou Autoionização da Água
• O descrito acima é chamado de autoionização da água.
H2O(l) + H2O(l) H3O
+(aq) + OH-(aq)
]OH][OH[
]OH][OH[]OH[
]OH[
]OH][OH[
-
3
-
3
2
2
2
2
-
3
+
+
+
=
=×
=
w
eq
eq
K
K
K
Kw = [H3O+][OH−] a 25 oC, as concentrações molares podem ser 
determinadas e são iguais a 1, 0 × 10−7 mol.L-1
Kw = [H3O+][OH−] = (1, 0 × 10−7)(1, 0 × 10−7) = 1, 0 × 10−14 mol.L-1
[H3O+] [OH−]
[H3O+] [OH−]
• Na maioria das soluções a [H3O+(aq)] é bem pequena.
Escala de pH
]OHlog[pOH ]Hlog[]OHlog[pH -3 −=−=−=
++
Kw = [H O+][OH−] = (1, 0 × 10−7)(1, 0 × 10−7) = 1, 0 × 10−14
• Em água neutra a 25 °C, pH = pOH = 7,00.
• Em soluções ácidas, a [H+] > 1,0 × 10-7, então o pH < 7,00.
• Em soluções básicas, a [H+] < 1,0 × 10-7, então o pH > 7,00.
Kw = [H3O+][OH−] = (1, 0 × 10−7)(1, 0 × 10−7) = 1, 0 × 10−14
XlogXp −=
100.1]OH][H[ 14- ×== −+K
• Em geral, para um número X,
• Por exemplo, pKw = -log Kw.
14pOHpH
14]OHlog[]Hlog[
14)100.1log(logpK
100.1]OH][H[
-
14
w
14-
=+
=−−∴
=×−=−=
×==
+
−
−+
Kw
K w
Quanto mais alto o pH, mais baixo é o pOH e mais básica a solução
Escala de pH
Escala de pH
Solução é uma mistura homogênea de dois ou mais 
componentes
SOLUÇÕES
Solução
soluto solvente
Soluto: Componente Geralmente em 
Menor Quantidade
Solvente: Componente que Dissemina o Soluto.
Solução Soluto Solvente Exemplo
Sólida
Sólido Sólido Liga metálica Cu – Ni
Líquido Sólido Hg em Cu (amálgama de cobre)
Gasoso Sólido H2 dissolvido em Ni
Sólido Líquido NaCl em H2O
Álcool em H O
Tipos de Soluções
Líquida 
Líquido líquido
Álcool em H2O
Gasoso Líquido CO2 dissolvido em H2O
Gasosa
Sólido Gasoso Poeira no ar atmosférico
Líquido Gasoso Água no ar atmosférico 
Gasoso Gasoso Ar atmosférico
Como preparar uma solução?????
Basta dissolver um soluto em uma quantidade de solventeBasta dissolver um soluto em uma quantidade de solvente
Assim, as moléculas ou íons do soluto separam-se permanecendo 
dispersas no solvente
CLASSIFICAÇÃO DA 
MATÉRIA
SISTEMAS 
HOMOGÊNEOS
SISTEMAS 
HETEROGÊNEOSHOMOGÊNEOS HETEROGÊNEOS
SUBSTÂNCIAS 
PURAS
MISTURAS DE 
UMA FASE
MISTURAS DE 
MAIS DE UMA 
FASE
SUBSTÂNCIAS 
EM MUDANÇA DE 
ESTADO
MISTURAS
ÁGUA + AREIAAR
HETEROGÊNEAHOMOGÊNEA 
solução
Classificação das soluções quanto a natureza 
das partículas dispersas
Classificação das soluções quanto a natureza 
das partículas dispersas
Solução molecular: As partículas dispersas do soluto são 
moléculas. A solução molecular é também chamada de 
solução não-eletrolítica e
não conduzem a corrente elétrica.
Exemplo: água e açúcar
Solução iônica: As partículas dispersas do soluto são íons ou íons e moléculas
(dependendo do sal ou do ácido).
A solução iônica é também chamada de solução eletrolítica e conduz corrente
elétrica.
Os íons são os responsáveis pela condução da corrente elétrica numa solução.
Exemplos: água e sal (cloreto de sódio)
enfraquecimento da estrutura iônica.
Hidratação de Solutos
Hidratação de Solutos
Considere o NaCl (soluto) dissolvendo-se em água (solvente):
� as ligações de H da água têm que ser quebradas,
O Processo de Dissolução
� o NaCl se dissocia em Na+ e Cl-,
� formam-se atrações íon-dipolo: Na+ … δδδδ-OH2 e Cl- … δδδδ+H2O.
� Dizemos que os íons são dissolvidos pela água em uma substância
polar, sem formar uma nova substância.
O Processo de Dissolução
Mudanças de energia e formação de solução
• Há três fases de energia na formação de uma solução:
� a separação das moléculas do soluto (∆∆∆∆H1),
� a separação das moléculas do solvente (∆∆∆∆H ) e� a separação das moléculas do solvente (∆∆∆∆H2) e
� a formação das interações soluto-solvente (∆∆∆∆H3).
• Definimos a variação de entalpia no processo de dissolução como
∆∆∆∆Hdissol = ∆∆∆∆H1 + ∆∆∆∆H2 + ∆∆∆∆H3
• O ∆∆∆∆Hsoln pode tanto ser positivo como negativo, dependendo das 
forças intermoleculares.
O Processo de Dissolução
Mudanças de energia e formação de solução
O Processo de Dissolução
� A quebra de forças intermoleculares é sempre
endotérmica.
� A formação de forças intermoleculares atrativas é
sempre exotérmica.
O Processo de Dissolução
Mudanças de energia e formação de solução
Para determinarmos se o ∆∆∆∆Hdissol é positivo ou negativo, consideramosPara determinarmos se o ∆∆∆∆Hdissol é positivo ou negativo, consideramos
os comprimentos de todas as interações soluto-soluto e soluto-
solvente:
∆∆∆∆H1 e ∆∆∆∆H2 são ambos positivos.
∆∆∆∆H3 é sempre negativo.
∆∆∆∆H3 > (∆∆∆∆H1 + ∆∆∆∆H2) ou ∆∆∆∆H3 < (∆∆∆∆H1 + ∆∆∆∆H2)
O Processo de Dissolução
Mudanças de energia e formação de solução
Exemplos:
O Processo de Dissolução
– O NaOH adicionado à água tem ∆∆∆∆Hdissol = - 44,48 kJ/mol.
– O NH4NO3 adicionado à água tem ∆∆∆∆Hdissol = + 26,4 kJ/mol.
Se o ∆∆∆∆Hdissol é demasiadamente endotérmico, não haverá a formação
de uma solução.
O Processo de Dissolução
∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H – T ∆∆∆∆S
Solutos polares ∆∆∆∆G < 0 Solutos apolares ∆∆∆∆G > 0
‘Regra’: Os solventes polares dissolvemsolutos polares. Os solventes
apolares dissolvem solutos apolares.
Soluções Saturadas e Solubilidade
�A saturação de uma solução ocorre quando, a uma determinada
temperatura e sob agitação contínua, observa-se que em determinado
momento o soluto não se dissolve mais.
� Isto ocorre quando se adiciona aproximadamente 360 g de sal de
cozinha (cloreto de sódio) puro em 1 litro de água.
� O excesso do soluto - nesta mesma temperatura - vai se
depositando no fundo do recipiente e a solução é dita saturada com
corpo de fundo.
No momento que os primeiros 
fragmentos do soluto se depositam 
no fundo do recipiente, diz-se que 
Soluções Saturadas e Solubilidade
foi atingido o ponto de saturação, 
que depende tanto do soluto como 
do solvente, da temperatura e da 
pressão - esta última é importante 
quando existem gases envolvidos 
no processo.
Classificação das soluções quanto a relação 
soluto x solvente
Solução Supersaturada
Uma situação instável, onde uma pequena perturbação provoca a imediata precipitação 
do soluto
Porém, substâncias diferentes se dissolvem em 
O que é o Coeficiente de Solubilidade 
(Cs)?
Porém, substâncias diferentes se dissolvem em 
quantidades diferentes em uma mesma quantidade de 
solvente na mesma temperatura.
Isto depende do Coeficiente de solubilidade.
O Cs É A QUANTIDADE MÁXIMA DISSOLVIDA DE UMA 
SUBSTÂNCIA EM UMA DETERMINADA TEMPERATURA, 
EM UMA QUANTIDADE PADRÃO DE SOLVENTE
Exemplo Cs (0ºC) Cs (100ºC)
SAL 357g/L 398g/L
NaCl
SACAROSE
C12H22O11
420g/L 3470g/L
Uma solução com quantidade de soluto inferior ao 
coeficiente de solubilidade é considerada:
Não saturada ou insaturada
Solução Definição
Insaturada Contém uma quantidade de soluto dissolvido inferior ao
coeficiente de solubilidade numa determinadacoeficiente de solubilidade numa determinada
temperatura.
Saturada Contém uma quantidade de soluto dissolvido igual ao
coeficiente de solubilidade numa determinada
temperatura.
Supersaturada Contém uma quantidade de soluto dissolvido superior ao
coeficiente de solubilidade numa determinada
temperatura.
1 2
3
A supersaturação ocorre quando a
mistura contendo o excesso é
aquecida até uma certa
temperatura e após a dissolução, a
mesma é resfriada até a
Ex. CS do NaCl: 36 g/ 100 g de H2O
3
4
mesma é resfriada até a
temperatura na qual o CS foi
medido. Lembre-se a solução
supersaturada é extremamente
INSTÁVEL!
Fatores que Afetam a Solubilidade
� Interações soluto-solvente
• Ex: As redes sólidas não se dissolvem porque as forças
intermoleculares fortes no sólido não são reestabelecidas emintermoleculares fortes no sólido não são reestabelecidas em
nenhuma solução.
� Efeitos da pressão
• A solubilidade de um gás em um líquido é uma função da pressão
do gás
Quanto maior a pressão, maior a quantidade de moléculas de gás
próximas ao solvente e maior a solubilidade.
Fatores que Afetam a Solubilidade
� Efeitos da Temperatura
• Geralmente, à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade• Geralmente, à medida que a temperatura aumenta, a solubilidade
dos sólidos aumenta.
•A experiência nos mostra que as bebidas carbonadas ficam
insípidas ao serem aquecidas.
• Consequentemente, os gases se tornam menos solúveis a medida
que a temperatura aumenta.
A temperatura influi diretamente na solubilidade de um soluto em
um solvente. Certos solutos tornam-se mais solúveis com o aumento
de temperatura; outros, ao contrário, tornam-se menos solúveis
quando a temperatura aumenta.quando a temperatura aumenta.
A dissolução endotérmica ocorre com absorção de energia e é favorecia 
pelo aumento de temperatura.
Curva ascendente, característica de dissolução endotérmica
Ao aquecer o soluto se 
dissolve mais!
Quanto maior a temperatura ► menor a solubilidade
Curva descendente
1.Responda aos itens abaixo com base no gráfico em que constam as
curvas de solubilidade de diversas substâncias em g/100 g de H2O.
M
a
s
s
a
 
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g
 
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á
g
u
a
Temperatura /ºC
a) Quais as substâncias que sofrem dissolução endotérmica ao entrar 
em contato com a água?
b) Quais as substâncias que sofrem dissolução exotérmica ao entrar 
em contato com a água?
Todas menos o sulfato de césio III (Ce2(SO4)3
Apenas o sulfato de césio III (Ce2(SO4)3
2. Uma solução saturada de nitrato de potássio (KNO3) constituída,
além do sal, por 100 g de água, está a temperatura de 60 ºC. Essa
solução é resfriada a 25 ºC, ocorrendo precipitação de parte do sal
dissolvido, calcule:
a) a massa do sal que precipitou;
b) a massa do sal que permaneceu em solução.
3. Verifica-se em laboratório que 100g de H2O a 30 ºC
dissolvem, no máximo 30g de soluto X
a) Como você classificaria uma solução constituída por 15g de X em
50g de H2O a 30 ºC ?
b) Como você classificaria uma solução constituída por 32g de X em
100g de H2O, sob temperatura constante de 30 ºC ?
c) Suponha que, sob variação de temperatura, se consiga dissolver 35g
de X em 100g de H2O. Deixando-se esta solução em repouso até que
a temperatura atinja 30 ºC e permanecendo 35g de X dissolvidos,
que tipo de solução obteríamos?
4. A 10 ºC a solubilidade do nitrato de potássio é de 20,0
g/100g de H2O. Uma solução contendo 18,0 g de nitrato de
potássio em 50,0g de água a 25ºC é resfriada a 10 ºC. Quantos
gramas do sal permanecem dissolvidos na água?gramas do sal permanecem dissolvidos na água?
a) 1,00g
b) 5,00g
c) 9,00g
d) 10,0g
e) 18,0g
a) Sistema homogêneo;
b) Sistema heterogêneo;
c) Apenas uma solução insaturada;
d) Apenas uma solução saturada;
e) Uma solução supersaturada.
CASO CLÍNICO
Caso relatado pelo Dr. Ícaro Alves Alcântara - Médico docente 
da UNICEUB - Centro Universitário de Brasília.
Há cerca de um ano, atendi uma senhorita dos seus "quase 30 anos” com 
uma ENXAQUECA bastante comum: 
A paciente relatava que já havia passado por otorrinos, oftalmo, neuro,
clínico e até endocrinologista, com as prescrições dos mais diversos
tratamentos e a presunção de várias hipóteses diagnósticas, sem
qualquer melhora, entretanto.
Sugestões de Bibliografias
ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química, 3 ed. Porto Alegre:
Bookman, 2006.
NELSON, D.L.; COX, M.M. Lehninger Principles of Biochemistry, 3 ed.
United States of America: Worth Publishers, 2004.
DURÁN, J.E.R. Biofísica Fundamentos e Aplicações, São Paulo: Prentice
Hall, 2003.