Soluções aquosas

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Soluções Aquosas 
Instituto de Química de São Carlos – IQSC 
Universidade de São Paulo 
Disciplina: Bioquímica I 
Docente: Profa. Dra. Fernanda Canduri 
Sugestão de leitura: Cap. 2 do Lehninger 
Conteúdo 
• Propriedades físicas da água 
– Estrutura da água 
– A água como solvente 
– O efeito hidrofóbico 
– Osmose e difusão 
 
• Propriedades químicas da água 
– Ionização da água 
– Química ácido-base 
– Tampões 
 
 
A água é fundamental para os seres vivos, atua 
como solvente orgânico para reações bioquímicas 
e determina as estruturas das macromoléculas 
que realizam estas reações. 
Propriedades físicas 
 
Estrutura da água 
O gelo: cristal de moléculas de água ligadas por ligações de 
hidrogênio 
A estrutura da água líquida é irregular 
A molécula de água possui dois átomos de hidrogênio que 
podem ser doadores e dois pares de elétrons que podem 
atuar como aceptores de ligações de hidrogênio 
Interações fracas em moléculas biológicas 
• As estruturas das moléculas são determinadas 
pela influência coletiva de muitas interações 
fracas. 
• São as interações iônicas, as forças de van der 
Waals e as ligações de hidrogênio. 
1ª - Associação de grupos iônicos de cargas opostas 
2ª - Associações não-covalentes entre moléculas neutras 
(surgem de interações eletrostáticas entre dipolos) 
Sais em água: Por que os sais são dissolvidos em água? 
Os solventes polares 
enfraquecem as forças de atração 
entre íons de cargas opostas, 
podendo manter os íons 
separados. 
Ligações de hidrogênio 
• A solubilidade de substâncias polares e iônicas são aumentadas quando 
elas possuem grupos funcionais. 
• Estes grupos funcionais formam ligações de hidrogênio com a água. 
Os grupos 
funcionais e os 
grupos não- 
polares 
O Efeito hidrofóbico 
• Quando uma solução apolar 
é adicionada a uma solução 
aquosa, ela não se dissolve, 
sendo excluída pela água 
 
• A tendência da água 
minimizar seu contato com 
moléculas hidrofóbicas é 
denominado efeito 
hidrofóbico. 
 
As moléculas anfifílicas formam micelas e bicamadas em 
soluções aquosas 
Osmose 
• Movimento de solvente de uma região de alta concentração (água 
pura) para uma região relativamente baixa (água contendo soluto 
dissolvido) 
 
• Pressão osmótica: pressão que deve ser aplicada a uma solução 
contida numa membrana permeável para evitar o fluxo de água ao 
seu interior 
 
Estratégia usada pelas células animais para diminuir a entrada 
osmótica de água é circundar a célula com uma solução de pressão 
osmótica semelhante 
 
Outra estratégia é a parede celular presente em bactérias e vegetais 
Difusão 
• A difusão de solutos é a base para a técnica de diálise. 
 
• Solutos menores que o tamanho do poro da membrana 
de diálise passam livremente entre a amostra e a 
solução, até que o equilíbrio seja alcançado. 
Propriedades Químicas da Água 
 Determinam o comportamento de outras moléculas 
em solução. 
• Ionização da água 
• Química ácido-base 
• Tampões 
Ionização da água 
 H2O ↔ H
+ + OH- 
As mobilidades iônicas do H+ e OH- são muito maiores 
que as de outros íons. 
A doação de prótons também é responsável pela observação 
que reações ácido-base estão entre as reações mais 
rápidas que ocorrem em solução aquosa. 
Considerando a constante de equilíbrio: 
 
K = [H+] [OH-] / [H2O] 
Desde que a concentração da H2O não dissociada é 
muito maior que as concentrações dos íons que a 
compõem, ela pode ser considerada constante e 
incorporada a K, ficando 
Kw = [H
+] [OH-] 
Ionização da água 
O valor de Kw (constante de ionização da água é 10
-14 M2 a 25°C) 
 Portanto, a água pura deve conter quantidades equimolares de 
[H+] e [OH-]: 
 
[H+] = [OH-] = (Kw)
1/2 = 10-7 M 
 
 [H+] e [OH-] estão reciprocamente relacionadas. 
 
Sendo assim, quando [H+] é maior que 10-7 M, [OH-] 
necessariamente é menor, e vice-versa. 
Então, 
• Soluções com [H+] = 10-7 M são ditas neutras 
 
• Soluções com [H+] > 10-7 M são ditas ácidas 
 
• Soluções com [H+] < 10-7 M são ditas básicas 
Valores de [H+] para a maioria das soluções são pequenos e 
portanto, inadequados para fins de comparação. 
 
O pH, definido por Soren Sorenson, em 1909: 
 
pH = -log [H+] 
ou, 
pOH = -log [OH-] 
 
• Quanto maior for o pH, menor será a [H+] 
 
• Quanto menor for o pH, maior será a [H+] 
O pH de algumas soluções e a escala de pH 
Química ácido-base 
Os grupos funcionais presentes nas moléculas biológicas 
agem como ácidos ou bases. 
 
Ex.: grupos carbonila e amino 
 
 Essas moléculas influenciam o pH do meio aquoso 
externo, assim como suas estruturas e reatividades são 
influenciadas pelo pH do ambiente. 
Um ácido pode doar um próton e uma base pode aceitar 
um próton 
 
A reação ácido-base: 
 
HA + H2O ↔ H3O
+ + A- 
 
É frequentemente abreviada como 
 
HA ↔ H+ + A- 
 
em solução aquosa 
 • A força de um ácido é especificada por sua constante de 
dissociação 
 
A constante de equilíbrio é expressa como uma constante de 
dissociação 
 
HA + H2O ↔ H3O
+ + A- 
 
K = [H3O
+] [A-] / [HA] [H2O] 
 
 o termo [H2O] é usualmente combinado com a constante de 
dissociação, que toma a forma 
HA ↔ H+ + A- 
Ka = K [H2O] = [H
+] [A-] / [HA] 
 
Transformando, 
pKa = -log K 
 
Análoga à equação pH = -log [H] 
Ácidos fracos e ácidos fortes 
• O pH de uma solução é determinado pelas concentrações 
relativas de ácidos e bases 
 
Ka = [H
+] [A-] / [HA] 
[H+] = K [HA] / [A-] 
 
• Tirando o log negativo de cada termo, 
 
pH = -log K + log [A-] / [HA] 
 
Substituindo –log K por pK, 
 
pH = pK + log [A-] / [HA] Eq. Henderson/Hasselbalch 
Titulação e efeito tampão 
• Curvas de titulação: quando uma base é adicionada a uma 
solução de um ácido, o pH da solução muda 
 
• A Titulação é um experimento no qual a base a uma 
concentração definida é adicionada a uma determinada 
concentração de ácido 
 
• O ponto da titulação no qual o ácido está totalmente 
neutralizado é chamado de ponto de equivalência (ponto médio) 
 
• O pH no ponto médio de cada titulação é numericamente 
equivalente ao pK do seu ácido correspondente ([HA] = [A-]) 
 
Titulação e efeito tampão 
Capacidade tamponante: 
habilidade de resistir a 
mudanças no pH conforme 
adição de ácido ou base. 
A inclinação é muito menor perto de seu ponto médio – quando [HA] = [A-], o 
pH da solução é relativamente insensível à adição de base ou ácido forte. 
O pKa é o pH no ponto de inflexão 
(o efeito tampão corresponde ao 
valor de pH +/-1 do pKa) 
pH x Fração das espécies presentes 
Titulação e efeito tampão 
Ácidos polipróticos: substâncias que passam por mais de 
uma ionização 
Titulação da alanina 
Titulação da histidina 
Fluidos biológicos são altamente tamponados – 
íons fosfato e carbonato. 
 
Moléculas biológicas possuem múltiplos grupos 
ácido-base que são componentes efetivos de 
tampão na faixa de pH fisiológico.