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EL AGUA ESTRUCTURA PROPIEDADES COMPARTIMENTOS ACUOSOS DEL ORGANISMO TIPOS CONTAMINANTES DEL AGUA TRATAMIENTOS DEL AGUA

INTRODUCCIÓN  El agua es la biomolécula más abundante.  ¾ partes de nuestro planeta son agua.  Los mares, donde probablemente surgió la vida por primera vez, son actualmente el hábitat de innumerables organismos.  El agua es la sustancia más abundante en los sistemas vivos, constituyendo el 70% o más del peso de la mayoría de organismos. Todos los seres vivos precisan de ella, incluso en los seres no acuáticos el medio interno es esencialmente acuoso.  La inmensa mayoría de las reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y obedecen a las leyes físico-químicas de las disoluciones acuosas.  Las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua y la débil tendencia del agua a ionizarse tienen una importancia crucial para LA ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS BIOMOLÉCULAS.  Las moléculas de agua y sus productos de ionización, H+ y OH-, influyen de manera profunda sobre la ESTRUCTURA, AUTOENSAMBLAJE Y PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES CELULARES, incluyendo las proteínas, ácidos nucleicos y lípidos.  Las interacciones no covalentes responsables de la fuerza y de la especificidad de “RECONOCIMIENTO” ENTRE LAS BIOMOLÉCULAS están influidas de manera decisiva por las propiedades disolventes del agua.


DEFINICIÓN “LÍQUIDO TRANSPARENTE, INCOLORO, INODORO, INSÍPIDO, ELEMENTO ESENCIAL EN TODOS LOS TEJIDOS Y LÍQUIDOS ORGÁNICOS Y DE MUCHAS OTRAS SUSTANCIAS. SE CONGELA A 0 ºC Y HIERVE A 100 ºC”

ESTRUCTURA QUÍMICA  Su fórmula química es H2O.  Su estructura es tetraédrica, por la naturaleza híbrida sp3 de los orbitales, con el átomo de oxígeno en el centro y los dos átomos de hidrógeno dispuestos en dos de los vértices de dicho tetraedro, quedando los otros dos vértices restantes ocupados por los electrones no compartidos.  Tiene una geometría angular con una ángulo H-O-H de 104,5º

 La mayor electronegatividad del oxígeno con respecto al hidrógeno determina una distribución asimétrica de la carga electrónica en torno al átomo de oxígeno y, por tanto, un déficit electrónico en torno a los átomos de hidrógeno.  Todo ello hace que la molécula de agua sea un dipolo eléctrico, si bien no presenta carga neta.  El agua es pues una molécula polar.  El carácter polar del agua la convierte en un excelente disolvente de los compuestos polares e iónicos, de los que se dice por ello, que son HIDRÓFILOS.  Por el contrario, las sustancias no polares son insolubles en agua y, por consiguiente, se describen como HIDRÓFOBAS.  Las moléculas de agua se asocian por puentes de hidrógeno. Las atracciones electrostáticas entre los dipolos de dos moléculas de agua tienden a orientarlas de manera que el enlace O-H de una molécula de agua apunta hacia la nube


electrónica del par solitario situado en el átomo de O de la otra molécula de agua.  Cada molécula de agua puede interaccionar por puente de hidrógeno con otras cuatro moléculas de agua.

 En estado sólido, es decir, hielo, tal disposición de moléculas constituye una unidad estructural espacial tetraédrica, denominada tetrahidrol.  En cuanto al agua líquida, algunos autores proponen una estructura similar a la del hielo; otros proponen un estado dinámico, en el que los puentes de hidrógeno se rompen y se forman de modo instantáneo.  Por tanto, los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua, proporcionan las fuerzas de cohesión que hacen que el agua sea líquida a temperatura ambiente, y favorecen, el extremo ordenamiento de las moléculas, típico del agua cristalina (hielo).  Las biomoléculas polares se disuelven fácilmente en el agua porque pueden reemplazar las interacciones agua-soluto energéticamente más favorables.  Por el contrario, las biomoléculas apolares interfieren con las interacciones agua-soluto, en consecuencia las moléculas apolares son muy poco solubles en agua, por lo que tienden a agruparse entre sí.


PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS  Su estructura molecular junto con su capacidad de formar puentes de hidrógeno determina muchas de sus propiedades físico-químicas.  PROPIEDADES QUÍMICAS:  CONSTANTE DIELÉCTRICA.  CARÁCTER ANFÓTERO.  PROPIEDADES FÍSICAS:    

DENSIDAD. CAPACIDAD CALORÍFICA. CALOR DE VAPORIZACIÓN. TENSIÓN SUPERFICIAL.

PROPIEDADES QUÍMICAS  ELEVADA CONSTANTE DIELÉCTRICA: Permite la disociación de la mayoría de las sales minerales, porque debilita las fuerzas electrostáticas entre los iones. Por ello, es un buen disolvente de compuestos iónicos. ¿Por qué las sales se disuelven en agua? Las sales se mantienen unidas por fuerzas iónicas. Los iones de una sal, como lo hacen cargas cualesquiera, interactúan de acuerdo a la ley de Coulomb: F = Kq1q2 / Dr2 Donde F es la fuerza entre las 2 caras eléctricas, K es la constante de proporcionalidad, q1 y q2 son las caras eléctricas separadas por una distancia r. A medida que la constante dieléctrica del medio crece, la fuerza entre las caras decrece. La constante dieléctrica es una medida de las propiedades de un solvente para mantener caras opuestas separadas.


Compuesto Constante dieléctrica (ε) a 298 K H2O Metanol Etanol H2S C6H6 CCl4 CH4 Aire Mica Poliestireno

78.5 32.6 24 9.3 2.2 2.2 1.7 1.00006 5.4 2.5

 El agua es un dipolo, y por lo tanto sus moléculas tiende a rodear a los iones aislándolos unos de otros, facilitando así también la disolución de las sales. Se dice que los iones quedan hidratados o solvatados.

 Es un buen disolvente de compuestos polares de naturaleza no iónica, debido a su capacidad de establecer puentes de hidrógeno con grupos polares de otras moléculas no iónicas.  Es disolvente de moléculas anfipáticas (compuestos que tienen en su estructura grupos polares y apolares simultáneamente). Esto supone la formación de micelas (estructuras esféricas en las que se encuentran asociados en su interior los grupos apolares o hidrófobos, mientras que los grupos polares o hidrófilos se orientan hacia el medio acuoso externo.  Por tanto, el agua es uno de los solventes más polares que existen. De hecho suele decirse que es el disolvente universal.

 CARÁCTER ANFÓTERO:


 Puede actuar como ácido o como base (libera el mismo catión que los ácidos H+) y el mismo anión que las bases (OH-). El agua es un ácido y una base débil. H2O

H+ + OH –

PROPIEDADES FÍSICAS  Si se calienta una masa de hielo, su temperatura aumenta gradualmente hasta que alcanza 0°C. A esta temperatura el hielo comienza a fundirse (punto de fusión).  Durante la fusión, la temperatura permanece constante porque el calor absorbido se emplea en vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas de agua. Una vez que se ha fundido totalmente, el calor absorbido hace que vaya aumentando la energía cinética de las moléculas de agua.  La temperatura sigue aumentando hasta los 100°C, donde comienza la ebullición (punto de ebullición).  La temperatura permanece constante porque la energía se está empleando romper las fuerzas de atracción entre las moléculas en estado líquido.  Cuando las moléculas están en fase vapor, la temperatura aumenta de nuevo.


Se puede observar, que la primera parte de la curva que es paralela al eje del tiempo y que corresponde a la coexistencia de hielo-agua líquida, es más corta que la correspondiente al paso de agua-vapor. Esto se debe a que la energía necesaria para la transformación de líquido a vapor es unas siete veces mayor que el cambio de sólido a líquido. Entalpías de estos procesos:

 ELEVADA TENSIÓN SUPERFICIAL:  Es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia para aumentar su superficie, en el caso del agua, sus moléculas se ordenan de modo que la superficie libre sea mínima. 

Los líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán una tensión superficial elevada, en este caso, los enlaces de hidrógeno representan una alta energía, por lo que, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos.

Las sustancias llamadas tensoactivas – como jabones y detergentes – son capaces de disminuir la tensión superficial del agua, lo que facilita la mezcla o emulsión de las grasas en un medio acuoso.

las sales biliares actúan como agentes tensoactivos facilitando la digestión de las grasas en el intestino delgado.

 Esta propiedad del agua se manifiesta en el fenómeno de capilaridad, que permite la ascensión de la savia en los vegetales. La capilaridad es la subida espontánea de un líquido en un tubo estrecho o capilar.  Existen de dos tipos de fuerzas diferentes: 

Las cohesivas que son las fuerzas entre las moléculas del líquido. En el agua las fuerzas cohesivas corresponden a los enlaces de hidrógeno.

Las adhesivas que son las fuerzas que operan entre las moléculas del líquido y el capilar. Ocurren cuando el capilar está compuesto de un material que tiene enlaces polares, como el vidrio. Este material contiene muchos átomos de oxígeno que tienen carga negativa parcial sobre la cual se adhiere los polos positivos de la molécula de agua.


 MUY ELEVADO CALOR DE VAPORIZACIÓN: Es el calor necesario para vaporizar 1g de líquido. Para el agua es de 536 cal/g). El agua tiene un elevado calor de vaporización, al igual que otros líquidos capaces de formar puentes de Hidrógeno como el etanol (CH3OH) o el ácido acético (CH3COOH), a diferencia de otros líquidos como el hexano (C6H14) que no los forma. Compuesto

Calor de vaporización (KJ mol-1)

H2O Ácido acético Etanol Hexano

40.7 a 273 K 41.7 a 391 K 40.5 a 351 K 31.9 a 341 K

Tabla: valor del calor de vaporización para algunos líquidos. Para los sistemas biológicos esta propiedad es muy importante pues gracias a ella se lleva a cabo eficientemente la respiración y sudoración. Es decir, se puede eliminar el exceso de calor vaporizando cantidades de agua relativamente pequeñas a través de los pulmones o de la piel, y así mantener la temperatura corporal incluso por debajo de la temperatura ambiente. Por eso, los perros y los cocodrilos mantienen la boca abierta cuando aprieta el calor.


 ELEVADO CALOR ESPECÍFICO:  El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que hay que suministrar a un gramo de masa para elevar la temperatura un grado.  El calor específico del agua es de 4,18 J/g°C, valor que es anormalmente elevado cuando se le compara con los de otras sustancias. Por ejemplo, el del mercurio es 0,139 J/g°C y el del etanol es 2,46 J/g°C.  Por lo tanto, se necesita una gran cantidad de calor para calentar un gramo de agua o se desprende mucha energía cuando ésta se enfría. Esto se debe a la presencia de los puentes de hidrógeno, pues se requiere mucha energía para romperlos y permitir que las moléculas se muevan más rápido (energía cinética).  Por ello, el hombre puede absorber o perder bastante calor con escasa modificación de la temperatura corporal; por esa razón la circulación de la sangre ayuda a mantener constante y uniforme la temperatura del cuerpo. La capacidad del agua para almacenar energía calorífica tiene consecuencias muy importantes: En el clima: las áreas geográficas cercanas a los grandes lagos, mares u océanos experimentan fluctuaciones más pequeñas de temperatura, entre invierno y verano, y también entre el día y la noche, que áreas situadas en el interior de los continentes. En la industria como intercambiador de calor (torres de refrigeración). En el metabolismo y en la termorregulación de los sistemas biológicos.  DENSIDAD:  El agua en estado líquido es más densa que el hielo, a presión y temperatura estándar.  Esto de debe a que existe un cambio positivo en el volumen cuando el agua se congela, lo que ocasiona que el hielo flote. 

Si el hielo no flotara, la vida acuática en los lagos y en los polos terrestres, no existiría pues el agua se congelarían desde el fondo hacia la superficie.

 Como el agua en estado sólido es menos densa, flota, por lo que la capa de hielo que se forma sobre estos cuerpos de agua, actúa como un aislante térmico.


COMPARTIMENTOS ACUOSOS  ORGANISMO HUMANO (40% materia seca y 60% agua.).  COMPARTIMENTOS:  Agua plasmática o intravascular (3 - 3,5 litros): plasma sanguíneo.  Agua intersticial (6 – 12 litros): fuera de los vasos sanguíneos, bañando las células, pero sin penetrar en ellas + linfa circulante por los vasos linfáticos y el canal torácico.  Agua intracelular (23-26,5 litros):  Asequible: en tejidos bien irrigados  Profunda: en tejidos poco o mal irrigados  Agua inaccesible o recóndita (8 litros): agua separada por barreras casi infranqueables (hueso, cartílago, tejido conjuntivo denso).  Agua transcelular (2 litros): no uniformemente distribuida, en forma de acúmulos. Separada de la circulación general:  Externa: saliva, bilis, líquido intraluminal del tubo digestivo.  Interna: líquido cefalorraquídeo, humor vítreo y humor acuoso. Agua corporal total: 42 litros para un individuo de 70 Kg de peso. El agua constituye aproximadamente 2/3 del total del peso corporal de un adulto. Además depende de otros factores como la edad, el sexo y el grado de obesidad. El recién nacidos, el contenido del agua puede llegar a valores del 75% del peso corporal total. Este porcentaje disminuye progresivamente con la edad, especialmente los 10 primeros años de vida. Al agua corporal total es menor en la mujer que en el hombre, debido a la mayor proporción de grasa corporal en la mujer. El tejido adiposo contiene un bajo porcentaje acuoso, por tanto, el porcentaje de agua corporal total disminuye al aumentar el grado de obesidad.


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 Las moléculas de agua y sus productos de ionización, H+ y OH-, influyen de manera profunda sobre la ESTRUCTURA, AUTOENSAMBLAJE Y PROPIEDAD...

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