Aula de água

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Água, pH e Tampão
Larissa Rodrigues
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Por quê estudar a Água?
Alberts et al., (2008). Molecular Biology of the Cell, 5 ed. 
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Estrutura da molécula de água
- Água é formada por dois átomos de hidrogênio ligados covalentemente a um átomo de oxigênio – H2O;
Alberts et al., (2008). Molecular Biology of the Cell, 5 ed. 
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Tabela de Eletronegatividade
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Cargas Parciais da molécula de água
 O ângulo da ligação de H-O-H é de 104,5º - devido à compressão causada pelos orbitais não-ligantes do átomo de oxigênio.
0,0965nm
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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- Geometria Tetraédrica é ditada pelos orbitais externos do oxigênio, que são similares aos orbitais Sp3 de ligação do carbono. 
Estrutura da molécula de água
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Ponte de Hidrogênio
 É uma ligação não-covalente que ocorre entre um átomo eletronegativo e o átomo de hidrogênio ligado covalentemente à outro átomo eletronegativo.
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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 A ligação de hidrogênio é fraca, o seu conjunto que é forte. 
 Energia para romper as ligações:
 Ligação de hidrogênio da água líquida: 23KJ/mol
 Ligação covalente entre o O-H da água: 470KJ/mol
Ponte de Hidrogênio
10% covalente e 90% eletrostática;
 Tempo de vida: 1 a 2 ps (1 ps = 10-12s)
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Direcionalidade e distância da Ponte de Hidrogênio
- Ligação colinear, estabelecendo uma maior força comparada ao que seria se ela fosse uma ligação “quebrada”.
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Ligação de Hidrogênio na água
 Água líquida – cada molécula de água está unida por pontes de hidrogênio a outras 3,4 moléculas de água;
 Água sólido (gelo) – união a 4 outras moléculas de água. 
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Por quê o gelo flutua em água?
 Na água líquida à 4ºC, observa-se que, cada molécula de água faz 3,4 ligações de hidrogênio. Enquanto que, no gelo verifica-se 4 ligações de hidrogênio entre cada molécula.
Importância na sobrevivência de organismos em mares congelados
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Pontes de Hidrogênio Biologicamente Importantes
DNA
RNA
Proteína
Proteína
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Propriedades da água
 Densidade da água: 1000 g/L 
Peso molecular: 18 g/mol 
Concentração de água: 55,5 M 
Temperatura de fusão: 0 
Temperatura de ebulição: 100ºC
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 Comparação do Ponto de Fusão e Ebulição da Água e dois compostos com peso molecular próximos – 1 atm.
 Outras substância com o mesmo peso molecular, como o metano e amônia, possuem uma menor força de atração entre as moléculas de tais substâncias.
Amônia
Metano
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6. Calor específico
 Quantidade de calor necessária pra elevar em 1ºC a temperatura de 1 g de substância, sem que haja mudança de estado físico.
 Calor específico da água = 1 cal/gºC.
Quanto ↓ o calor específico de uma substância - mais facilmente ela pode sofrer variações em sua temperatura.
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7. A densidade da água possui uma propriedade anômala 
 O aumento da temperatura (0 a 4ºC) acarreta uma diminuição do volume da molécula de água – um aumento da densidade.
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 A água líquida contrai-se ao ser aquecida de 0 ºC a 4 ºC e dilata-se quando aquecida a partir de 4 ºC. Assim, a 4 ºC o volume de dada massa de água é mínimo e a densidade é máxima.
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Propriedades Coligativas
 Pressão de Vapor;
 Ponto de Ebulição;
 Ponto de Fusão;
 Pressão Osmótica.
 Os solutos modificam as propriedades coligativas pela diminuição da concentração efetiva da água. 
 O efeito do soluto nas propriedades coligativas da água depende apenas do número de partículas do soluto em uma dada quantidade de solvente.
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Pressão de Vapor
 Na água pura, cada molécula na superfície é H2O e todas contribuem para a pressão de vapor.
 Nessa solução a concentração efetiva da H2O é reduzida; apenas 3 de cada 4 moléculas na superfície na fase aquosa são água.
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Ponto de Ebulição e Fusão
 Para uma solução aquosa 1 molal de um soluto ideal, não volátil e não-dissociável a 1 atm, o ponto de evaporação é maior 0,543ºC e o ponto de fusão é menor 1,86ºC que a da água pura.
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Pressão Osmótica
 Osmose: movimento da água através de uma membrana semipermeável, da região mais concentrada de água para a menos concentrada.
π = i.c.R.T
π = pressão osmótica;
i = grau de dissociação;
c = concentração molar do soluto;
 Pressão Osmótica: força necessária para resistir ao movimento da água. Determinada pela Equação de van’t Hoff.
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Tensão superficial da água
 Tensão superficial: é a energia necessária para aumentar a área superficial de um líquido em quantidade unitária.
 A tensão superficial da água é de 7,29.10-2 KJ/m2 , à 20ºC.
 Agentes tensoativos: diminuem a tensão superficial, como, detergentes, surfactante.
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Água como solvente
Compostos polares com carga
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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 A força que une as moléculas de NaCl são rompidas principalmente devido à diminuição da Força de Coulomb, pois em água o poder de dissociação é de ≡ 80 x maior.
Fc = Q1 . Q2
  . r2
Compostos polares com carga
F = força das interações iônicas
Q = grandeza das cargas
 = constante dielétrica
r = distância entre os grupos carregados 
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∆G= ∆H - T . ∆S
∆G0’<0 → reação espontânea.
Compostos polares com carga
- 2º Lei da Termodinâmica: nos processos naturais, a entropia do Universo aumenta.
∆G = energia livre de Gibbs 
∆H = entalpia
T = temperatura absoluta
∆S = entropia
Alberts et al., (2008). Molecular Biology of the Cell, 5 ed. 
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2. Compostos polares sem carga
 ∆S aumenta = mais negativo.
 ∆H levemente positiva
∆G0’= ∆H - T . ∆S
∆G0’<0 → reação espontânea
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3. Compostos apolares
 Compostos apolares em água, rompem as ligações de hidrogênio e não as refazem. 
 ∆S diminui = mais negativo.
 ∆H aumenta = positivo.
∆G0’= ∆H - T . ∆S
∆G0’> 0 → reação não espontânea
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4. Compostos anfipáticos
 Compostos anfipáticos possuem na mesma molécula uma porção hidrofílica, polar, que interage com a água e porção hidrofóbica, apolar, que não interage com a água.
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Ionização da água
Alberts et al., (2008). Molecular Biology of the Cell, 5 ed. 
H+
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Ionização da água
H2O ↔ H+ + HO- 
 Sabendo que:
- Kw = 1,8.10-16
- Concentração da água = 55,5 M
[ H+] [OH-] = 10-14
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 Solução com concentração de íons H+ = OH- denomina-se: solução neutra. 
[H+] = [OH-]
[H+] = [OH-] 
Solução H+  OH- denomina-se: solução ácida.
Solução H+  OH- denomina-se: solução básica. 
= 10-7 
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pH + pOH = - log [10-14] = 14
pOH = - log [OH-] 
O pH é definido como o logarítmo negativo da [H+] 
pH = - log [H+]
 A escala de pH varia de 1 até 14, uma vez que qualquer [H+] está compreendida na faixa de 100 a 10-14.
O pOH é definido como o logarítmo negativo da [OH-] 
[ H+] [OH-] = 10-14
pOH + pH = 14 
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Ionização de Ácidos e Bases fracos
- Ácido fraco:
 A força de um ácido é determinada pela quantidade de íons hidrogênio liberada por um ácido, representada pela Ka.
Para cada ácido, Ka possui um valor numérico fixo a uma determinada temperatura. 
↑ valor Ka – mais forte o ácido
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pKa= - logKa
Ionização de Ácidos e Bases fracos
- Ácido
fraco:
Quanto menor o pKa
Mais forte o ácido
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- Base fraca:
Ionização de Ácidos e Bases fracos
Para cada ácido, Kb possui um valor numérico fixo a uma determinada temperatura. 
↑ valor Kb – mais forte a base
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- Base fraca:
pKb= - logKb
Ionização de Ácidos e Bases fracos
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Titulação de Ácidos e Bases fracos
As curvas de titulação revelam os pKa de ácidos e bases fracos.
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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- Equação de Hederson-Hasselbach
HA ↔ H+ + A-
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Sistemas Tampão
 Estrutura de muitas moléculas presentes nas células e a grande maioria dos processos bioquímicos são extremamente sensíveis às variações de pH
 Nos mamíferos o pH plasmático é mantido em torno de 7,4
 Manutenção dos níveis de pH dentro de uma faixa ideal ocorre graças à existência de sistemas-tampão presentes no organismo. 
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Sistema Tampão
 Sistema aquoso composto por um ácido fraco e sua base conjugada, ou vice-versa, o qual possui como função a manutenção do pH da solução mesmo com a adição de pequenas concentrações de H+ ou OH-.
Titulação de ácido fraco com base
Nelson e Cox, (2006). Lehninger. Princípios de Bioquímica. 4ª ed. 
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Por que a água é central para a bioquímica?
- Praticamente todas as moléculas biológicas adotam suas formas (e, portanto, suas funções) em resposta às propriedades físicas e químicas da água circundante.
- O meio para a maioria das reações bioquímicas é a água. 
- A própria molécula de água participa de muitas reações químicas que dão suporte à vida (ex: fotossíntese, reações de hidrólise).
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Resposta
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 Quando se coloca uma solução de água líquida + sal e álcool em gelo diminui-se o ponto de fusão da água, logo, não consegue ficar congelada. 
 O gelo derrete, mas o processo de derretimento do gelo é um processo endotérmico, ou seja, absorve calor do meio para poder ocorrer. Uma vez que o gelo é derretido pela adição do sal e álcool, este processo rouba calor do meio externo, fazendo com que a temperatura do recipiente diminua.
2- Por que água líquida + sal + álcool gela mais a cerveja?
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