AULA 2 - Água e pH enviado para a turma pdf

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Água 
Universidade Estadual da Paraíba 
Centro de Ciências Humanas Agrárias e Exatas 
Departamento de Agrárias e Exatas 
Disciplina: Bioquímica 
Prof. José Alexsandro da Silva 
Catolé do Rocha-PB 
A água representa um papel central na Bioquímica 
• Ambiente de todas as células; 
– Moléculas biológicas adotam suas formas, e 
consequentemente, suas funções, adaptadas às propriedades 
físicas e químicas da água – organização celular 
• Meio onde ocorre o transporte dos nutrientes, as reações 
metabólicas catalisadas pelas enzimas e a transferência da energia 
química; 
• Uma das substâncias mais simples, porém a mais importante: 
– Todas as reações que acontecem no nosso organismo são em 
soluções aquosas 
– Proteínas, membranas, enzimas, mitocôndrias e hormônios 
somente são funcionais na presença desta substância. 
– o mais comum e mais importante de todos os compostos 
– Graças às propriedades da água a vida foi capaz de surgir e se 
desenvolver 
Interações fracas em sistemas aquosos 
• As ligações de hidrogênio entre moléculas de água fornecem as 
forças coesivas que fazem da água um líquido a temperatura 
ambiente e um sólido cristalino (gelo) com arranjo altamente 
ordenado de moléculas em temperaturas frias; 
 
• As biomoléculas polares se dissolvem facilmente em água porque 
elas podem substituir interações entre as moléculas de água (água-
água) por interações energeticamente mais favoráveis entre a água e 
o soluto (água-soluto); 
 
• Em soluções aquosas, moléculas apolares tendem a formar 
agregados; 
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades 
incomuns da água 
 
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades 
incomuns da água 
• Cada átomo de hidrogênio de uma molécula de água compartilha um 
par de elétrons com o átomo central de oxigênio; 
• Os orbitais descrevem um formato aproximado de um tetraedro, com 
um átomo de hidrogênio em cada um dos dois vértices e pares de 
elétrons não compartilhados nos outros dois; 
Eletronegatividade do Oxigênio 
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades 
incomuns da água 
• Ligações de hidrogênio são relativamente fracas; 
• A energia requerida para quebrar uma ligação de hidrogênio é de cerca 
de 23 kJ/mol, comparada com 470 kJ/mol para uma ligação covalente 
O-H em água ou 348 kJ/mol para uma ligação covalente C-C; 
 
• Quando a água é aquecida, o aumento da temperatura se reflete no 
aumento da velocidade individual das moléculas; 
 
• Em qualquer momento, a maioria das moléculas na água líquida é 
ligada por pontes de hidrogênio, mas o tempo de cada ligação é 
somente de 1 a 20 picosegundos (1 ps = 10-12 s) e quando uma ligação 
quebra, outra ligação se forma imediatamente (0,1 ps) com a mesma 
molécula ou com outra molécula. 
 
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades 
incomuns da água 
• O arranjo tetraédrico dos orbitais ao redor do átomo de oxigênio 
permite que cada molécula de água forme ligações de hidrogênio com 
até quatro moléculas de água vizinhas; 
• Na água líquida, em temperatura ambiente e pressão atmosférica, ass 
moléculas de água estão desorganizadas e em movimentos contínuo, 
assim cada molécula forma ligação de hidrogênio com somente 3,4 
outras moléculas; 
• No gelo, cada molécula de água está fixa no espaço e forma ligações 
de hidrogênio com quatro outras moléculas, formando uma estrutura 
regular. 
As ligações de hidrogênio são responsáveis pelas propriedades 
incomuns da água 
• Durante a fusão ou evaporação, a entropia do sistema aquoso 
aumenta, à medida que as disposições mais ordenadas das moléculas 
de água em forma de gelo passam a assumir disposições menos 
ordenadas no estado líquido ou completamente desordenadas no 
estado gasoso; 
• Em temperatura ambiente, tanto a fusão do gelo quanto a evaporação 
da água ocorre espontaneamente; 
• A tendência das moléculas de água a associarem-se por meio das 
ligações de hidrogênio é compensada pela tendência energética para a 
desordem; 
 
• ∆G = força motriz; ∆H = variação de entalpia; T∆S = entropia ou 
desordem 
 
∆G = ∆H - T∆S 
A água forma ligações de hidrogênio com solutos polares 
• As ligações de hidrogênio não são exclusivas para a molécula de água; 
 
• Elas se formam prontamente entre um átomo eletronegativo (aceptor 
de hidrogênio, geralmente oxigênio ou nitrogênio) e um átomo de 
hidrogênio ligado covalentemente a outro átomo eletronegativo 
(doador de hidrogênio) na mesma molécula; 
A água forma ligações de hidrogênio com solutos polares 
• Átomos de hidrogênio covalentemente ligados a átomos de carbono 
não participam de ligações de hidrogênio, porque o átomo de carbono 
é somente um pouco mais eletronegativo que o hidrogênio e, portanto, 
a ligação C-H é apenas levemente polar; 
• Biomoléculas polares não carregadas, como os açúcares, dissolvem 
rapidamente em água devido ao efeito estabilizador das ligações de 
hidrogênio entre os grupos OH ou o oxigênio da carbonila com as 
moléculas polares da água; 
• Alcoóis, aldeídos, cetonas e compostos nitrogenados (N-H) formam 
ligações de hidrogênio com moléculas de água e, por isso, tendem a 
serem solúveis em água. 
A água forma ligações de hidrogênio com solutos polares 
• As ligações de hidrogênio são mais fortes quando as moléculas 
ligadas estão orientadas de forma a maximizar as interações 
eletrostáticas, o que ocorre quando o átomo de hidrogênio e os dois 
átomo que o compartilham estão em linha reta, istoé, quando o átomo 
aceptor esta alinhado com a ligação covalente entre o átomo doador e 
o hidrogênio. 
A água interage eletrostaticamente com solutos carregados 
A água interage eletrostaticamente com solutos carregados 
• A água dissolve sais como o NaCl pela hidratação e estabilização dos 
ions Na+ e Cl-, enfraquecendo as interações eletrostáticas entre eles e, 
portanto, neutralizando a sua tendência de se associar em uma rede 
cristalina; 
• A entropia aumenta quando uma substância cristalina se dissolve; 
 
 
 
 
∆G = ∆H - T∆S 
Gases apolares são fracamente solúveis em água 
Compostos apolares forçam mudanças energeticamente desfavoráveis 
na estrutura da água 
• Quando a água é misturada com um solvente apolar forma-se duas 
fases, pois ambos são incapazes de fazerem interações 
energeticamente favoráveis; 
• Neste caso, a variação de energia livre para a dissolução de um soluto 
apolar é desfavorável; 
• ∆G = positivo; ∆H = a entalpia terá valor positivo; ∆S = a entropia 
terá valor positivo 
 
 
 
∆G = ∆H - T∆S 
A água interagindo com uma biomolécula 
As interações de Van der Waal são atraçoes interatômicas fracas 
• Quando dois átomos não carregados são colocados bem próximo um 
do outro, as suas nuvens eletrônicas influenciam uma a outra; 
• Os dois dipolos atraem-se fracamente um do outro, aproximando os 
dois núcleos. Essas atrações fracas são chamadas de interações de Van 
der Waals, também conhecidas como forças de London. 
 
 
Ionização da Água 
• As moléculas de água têm tendência de sofrer ionização reversível; 
 
 
 
 
 
 
Ionização da Água 
• A ionização da água pode ser medida pela sua condutividade elétrica; 
 
 
 
 
 
 
Ionização da Água é expressa pela constante de equilíbrio 
• O grau de ionização da água pura no equilíbrio é baixo; 
• Há 25 oC, somente duas entre 109 moléculas na água pura são 
ionizadas a cada momento; 
• A constante de equilíbrio para ionização reversível da água é: 
 
 
 
• Na água pura a 25 oC, a concentração de água 55,5 M, ou seja, gramas 
de H2O em 1 Litro divididas pela sua massa molecular (1.000 
g/L)/(18,015 g/mol). Sendo essencialmente constante em relação à 
concentração muito baixa de H+ e OH-, de 1 x 10-7. Portanto, o valor 
de 55,5 M pode ser substituído na expressão da constante de 
equilíbrio. 
 
 
 
 
Ionização da Águaé expressa pela constante de equilíbrio 
Ionização da Água é expressa pela constante de equilíbrio 
• Assim, o produto [H+] [OH-] em solução aquosa a 25 oC é sempre 
igual a 1 x 10-14 M2; 
• Quando existem concentrações iguais de H+ e OH- , como na água 
pura, diz-se que a solução esta em pH neutro; 
• Nesse pH, a concentração de H+ e OH- pode ser calculada a partir do 
produto iônico da água como se segue: 
 
 
• Resolvendo para [H+] tem-se: 
A escala de pH indica as concentrações de H+ e OH- 
• O produto iônico da água (Kw) é a base para a escala de pH; 
• É um meio conveniente de designar a concentração de H+ e, portanto, 
de OH- em qualquer solução. Otermo pH é definido pela expressão: 
 
 
• Para uma solução neutra a 25 oC, na qual a concentração de ions 
hidrogênio é exatamente 1 x 10-7 M, o pH pode ser calculado como se 
segue: 
 
 
• Lembre-se que a escala de pH é logarítmica, e não aritmética. Se duas 
soluções diferem por uma unidade, isso significa que uma solução tem 
dez vezes a mais a concentração de íons H+ que a outra. 
 
A escala de pH indica as concentrações de H+ e OH- 
• Exemplo: um refrigerante (coca-cola) pH = 3,0 têm uma concentração 
de íons H+ de aproximadamente 10.000 vezes a do sangue (pH = 7,4) 
 
 
Propriedades Físicas da Água 
Propriedades Físicas da Água 
Características da água 
Características da água 
Propriedades extremamente peculiares: 
• A água sólida (gelo) é menos densa do que o líquido - 
por esta razão, o gelo bóia sobre a água líquida. 
Embora trivial, é exatamente o oposto do observado na 
grande maioria das substâncias. 
Características da água 
Pontes de hidrogênio: 
• As pontes de hidrogênio ocorrem entre átomos 
eletronegativos e ela é mais forte quanto mais eletronegativos 
forem os átomos. 
Características da água 
Pontes de hidrogênio: 
• A molécula de água é capaz de fazer ligações do tipo pontes 
de hidrogênio com quatro moléculas de água. 
 
 
 
Formando o gelo – os solutos alteram as propriedades coligativas da 
água 
• Graças a esse fenômeno quando em forma de gelo a água é menos densa 
que na forma líquida 
 
• Não importa se é um cubo de gelo ou um iceberg...ambos flutuam 
obedecendo ao mesmo princípio da separação de moléculas no gelo 
 
Pontes de Hidrogênio 
•Gelo – cristal de moléculas de água unidas por ligações de hidrogênio 
•Força cumulativa 
• A coesão mantém a água fluida e estável nas Condições 
Normais de Temperatura e Pressão (CNTP) 
 
• No estado líquido a coesão é a responsável pela tensão 
superficial da água 
 
 
 
Coesão da Água 
•Devido a essa propriedade certos insetos e outros 
pequenos animais conseguem pousar e mesmo 
andar sobre a água parada, sem afundar 
Adesão da Água 
 Capilaridade: capacidade de penetrar em 
espaços reduzidos 
 Permite à água percorrer os microporos 
do solo, tornando-se acessível às raízes 
das plantas. 
 As moléculas da água tendem a se unir 
também a moléculas polares 
 A água não adere a moléculas apolares 
 formam gotículas de água em superfícies enceradas ou oleosas 
 A água tem grande poder de dissolução 
 Todas as reações celulares ocorrem em meio líquido 
 Substâncias hidrofílicas e hidrofóbicas 
 Desidratação e Hidrólise 
 
 
Solvente Universal? 
• Tendência da água de minimizar seu contato com 
moléculas hidrofóbicas 
– Substância apolar 
– Muitas moléculas grandes e agregados moleculares 
– proteínas e membranas celulares – adotam sua 
forma em resposta ao efeito hidrofóbico 
Efeito Hidrofóbico 
• Calor específico elevado: as moléculas de água podem absorver grande 
quantidade de calor sem que sua temperatura fique elevada, pois parte desta 
energia é utilizada no enfraquecimento das ligações de hidrogênio. 
 
• Papel termorregulador da água por meio da transpiração 
 
• Sua temperatura diminui mais lentamente que a dos outros líquidos a 
medida que libera energia para o resfriamento 
 
• Manutenção da temperatura em valores compatíveis com a manutenção 
da vida das diferentes espécies. 
Calor Específico 
Água ligada e água livre 
• A água ligada é definida como a água em contato com solutos 
e outros constituintes não aquosos, que exibe mobilidade 
reduzida e que não congela a -40 oC. Portanto, a água ligada 
não se comporta da mesma forma que a água pura; 
• O teor de água livre varia com o tipo de alimento e a Água 
Constitucional: representa uma pequena fração presente em 
alimento com alto teor de umidade. É a água ligada mais 
fortemente aos constituintes não aquoso do alimento, através 
de ligações iônicas 
Questionário 
1. O que diferencia a água nos seus estados sólido e líquido? 
 
2. Porque as substâncias polares se dissolvem na água e as apolares 
não se dissolvem?