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Los puentes o enlaces de hidrógeno son un tipo de fuerzas dipolo-dipolo que se dan cuando se une el hidrógeno de una molécula con un átomo de tamaño pequeño y muy electronegativo, como el nitrógeno, oxígeno y flúor.
Estas interacciones intermoleculares son débiles pero más fuertes que las interacciones dipolo-dipolo normales. Esto implica que las sustancias que tienen enlaces de hidrógeno, tienen puntos de fusión y ebullición más altos de los esperados. Por esta razón, el agua a temperatura ambiente es un líquido y no un gas como el H2S.
Como hemos visto, los dipolos se producen cuando la zona del átomo más electronegativo tiene una carga parcial negativa, por tener mayor tendencia a captar electrones, mientras que en la zona del átomo menos electronegativo, la carga parcial será positiva.
Los puentes de hidrógeno se pueden establecer entre moléculas diferentes, como es el caso del agua, o entre regiones diferentes dentro de la misma molécula, como en el caso de las proteínas o los ácidos nucleicos, siendo responsable parcialmente de la estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria de las proteínas y ácidos nucleicos.
La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Su fórmula química es H2O, lo que significa que los dos electrones desapareados del oxígeno (1s2 2s2 2p4) enlazan con cada uno de los hidrógenos que componen la molécula.
La unión entre el átomo de oxígeno y los átomos de hidrógenos se realiza mediante enlaces covalentes, en los que cada átomo de hidrógeno de la molécula de agua comparte un par de electrones con el átomo de oxígeno (uno del átomo de hidrógeno y el otro del átomo de oxígeno).
Como hemos visto, el átomo de oxígeno es más electronegativo que el átomo de hidrógeno, por lo que los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el oxígeno que por el hidrógeno. Esto hace que la molécula se comporte como un dipolo eléctrico, correspondiendo el polo positivo a los átomos de hidrógeno y el negativo, al átomo de oxígeno. La molécula de agua tiene carácter dipolar aunque no presenta carga eléctrica neta.
Esta polaridad favorece los enlaces entre moléculas de agua, permitiendo que el agua sea una sustancia muy cohesiva, ya que cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas.
Por otra parte, el oxígeno posee cuatro electrones más sin compartir, lo que tiene dos consecuencias:
También se pueden formar enlaces de hidrógeno entre el agua y otras moléculas polares distintas (alcoholes, aminas, etcétera).
Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes o los iónicos. Duran sólo unos instantes, pero se rompen y se forman constantemente, lo que mantiene las interacciones, permitiendo que las moléculas de agua se unan dotando de una gran cohesión interna al agua líquida.
El agua presenta las siguientes propiedades:
Gran poder disolvente
El agua es el disolvente universal, el que más sustancias puede disolver.
El carácter dipolar del agua le permite disolver los compuestos polares y los compuestos iónicos.
Podemos clasificar las sustancias según su solubilidad en agua:
La elevada capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes del agua:
Elevada fuerza de cohesión
Las moléculas de agua presentan una elevada cohesión interna debida a los puentes de hidrógeno. Las principales funciones que derivan de esta propiedad son:
Alta fuerza de adhesión
Esto hace que el agua se adhiera a la superficie del recipiente que lo contiene, y que la savia bruta ascienda por los tubos capilares.
La función que se deriva de esta propiedad, es el fenómeno de la capilaridad, que depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas de agua entre sí.
Elevado calor específico
El calor específico es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1ºC.
Debido al elevado calor específico del agua, hace falta mucho calor para elevar su temperatura. Es capaz de absorber mucho calor sin que se aumente, apenas, su temperatura. También consecuencia de la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, pues la energía se emplea en romper los puentes de hidrógeno, no en aumentar la temperatura por agitación molecular. Así, al comunicar una cierta cantidad de calor, la temperatura se eleva poco y, de la misma forma, al liberar energía por enfriamiento, la temperatura desciende más lentamente que en el caso de otros líquidos.
Esta propiedad le hace tener función termorreguladora, siendo un estabilizador térmico, manteniendo la temperatura del organismo relativamente constante, a pesar de las fluctuaciones ambientales.
Elevado calor de vaporización
Es necesaria mucha energía para que el agua se evapore, que pase de líquido a gas, pues es necesario romper los puentes de hidrógeno existentes en la fase líquida.
Los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua permiten que sigan unidas entre sí a una temperatura a la que otras moléculas, químicamente comparables, como el H2S o el NH3, están en estado gaseoso.
La función que se deriva de esta propiedad, junto con la anterior, es la termorreguladora, pues se consigue una disminución de la temperatura de un organismo al perder una cantidad de calor que es empleada en la evaporación del agua. Le permite eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.
Como consecuencia de que el agua sea líquida a temperatura ambiente, el agua se emplea como medio fluido de transporte entre las diferentes partes de un organismo.
También tiene función mecánica amortiguadora, como en los vertebrados, que poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos.
Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido
En el hielo, cada molécula de agua se une por cuatro puentes de hidrógeno con sus vecinas, formando una estructura más abierta que en estado líquido, estando más separadas. Esto hace que el hielo flote en el agua y que forme una capa superficial termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos, mares y lagos. El agua alcanza su densidad máxima a 4ºC. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. La función que se derivaría de esta propiedad sería, entonces, ecológica.
Bajo grado de ionización
En el agua pura, a 25 ºC, de cada 551.000.000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada, disociada en H+ y OH-, lo que hace que la concentración de iones hidronio (H3O+) y de los iones hidroxilo (OH-) sea muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H3O+] = [OH-] = 10-7).
Con estos bajos niveles de H3O+ y de OH-, si al agua se le añade un ácido (se añade H3O+) o una base (se añade OH-), aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. Por eso, el agua tiene función amortiguadora, y el pH del agua pura es igual a 7.
La capilaridad es una propiedad de los fluidos que depende de su tensión superficial, la cual, a su vez, depende de la cohesión del fluido, y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.
En física, se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.1 Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia al aumentar su superficie, lo que en efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.
El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones de hidrógeno presentes en determinadas disoluciones. La sigla significa potencial de hidrógeno o potencial de hidrogeniones. El significado exacto de la p en «pH» no está claro, pero, de acuerdo con la Fundación Carlsberg, significa «poder de hidrógeno». Otra explicación es que la p representa los términos latinos pondus hydrogenii («cantidad de hidrógeno») o potentia hydrogenii («capacidad de hidrógeno»). También se sugiere que Sørensen usó las letras p y q (letras comúnmente emparejadas en matemáticas) simplemente para etiquetar la solución de prueba (p) y la solución de referencia (q). Actualmente en química, la p significa «cologaritmo decimal de» y también se usa en el término pKa, que se usa para las constantes de disociación ácida.
Este término fue acuñado por el bioquímico danés S. P. L. Sørensen (1868-1939), quien lo definió en 1909 como el opuesto del logaritmo de base 10 o el logaritmo negativo de la actividad de los iones de hidrógeno.
El término pH se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno.
En disolución acuosa, la escala de pH varía, típicamente, de 0 a 14. Son ácidas las disoluciones con pH menores que 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones hidrógeno en la disolución). Por otro lado, las disoluciones alcalinas tienen un pH superior a 7. La disolución se considera neutra cuando su pH es igual a 7, por ejemplo el agua.
Un tampón, disolución amortiguadora o disolución reguladora es una mezcla en concentraciones relativamente elevadas de un ácido y su base conjugada, es decir, sales hidrolíticamente activas. Tienen la propiedad de mantener estable el pH de una disolución frente a la adición de cantidades relativamente pequeñas de ácidos o bases fuertes. Este hecho es de vital importancia en diversos contextos en donde es necesario mantener el pH en un umbral estrecho, por ejemplo, con un leve cambio en la concentración de hidrogeniones en la célula se puede producir un paro en la actividad de las enzimas.
Se puede entender esta propiedad como consecuencia del efecto ion común y las diferentes constantes de acidez o basicidad: una pequeña cantidad de ácido o base desplaza levemente el equilibrio ácido-base débil, lo cual tiene una consecuencia menor sobre el pH.
Cada sistema tampón tiene su propio rango efectivo de pH, el cual dependerá de la constante de equilibrio del ácido o base empleado. Son importantes en el laboratorio y en la industria, y también en la química de la vida. Tampones típicos son el par amoníaco-catión amonio, ácido acético-anión acetato, anión carbonato-anión bicarbonato, ácido cítrico-anión citrato o alguno de los pares en la disociación del ácido fosfórico.
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Los puentes o enlaces de hidrógeno son un tipo de fuerzas dipolo-dipolo que se dan cuando se une el hidrógeno de una molécula con un átomo de tamaño pequeño y muy electronegativo, como el nitrógeno, oxígeno y flúor.
Estas interacciones intermoleculares son débiles pero más fuertes que las interacciones dipolo-dipolo normales. Esto implica que las sustancias que tienen enlaces de hidrógeno, tienen puntos de fusión y ebullición más altos de los esperados. Por esta razón, el agua a temperatura ambiente es un líquido y no un gas como el H2S.
Como hemos visto, los dipolos se producen cuando la zona del átomo más electronegativo tiene una carga parcial negativa, por tener mayor tendencia a captar electrones, mientras que en la zona del átomo menos electronegativo, la carga parcial será positiva.
Los puentes de hidrógeno se pueden establecer entre moléculas diferentes, como es el caso del agua, o entre regiones diferentes dentro de la misma molécula, como en el caso de las proteínas o los ácidos nucleicos, siendo responsable parcialmente de la estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria de las proteínas y ácidos nucleicos.
La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Su fórmula química es H2O, lo que significa que los dos electrones desapareados del oxígeno (1s2 2s2 2p4) enlazan con cada uno de los hidrógenos que componen la molécula.
La unión entre el átomo de oxígeno y los átomos de hidrógenos se realiza mediante enlaces covalentes, en los que cada átomo de hidrógeno de la molécula de agua comparte un par de electrones con el átomo de oxígeno (uno del átomo de hidrógeno y el otro del átomo de oxígeno).
Como hemos visto, el átomo de oxígeno es más electronegativo que el átomo de hidrógeno, por lo que los pares de electrones compartidos se ven atraídos con más fuerza por el oxígeno que por el hidrógeno. Esto hace que la molécula se comporte como un dipolo eléctrico, correspondiendo el polo positivo a los átomos de hidrógeno y el negativo, al átomo de oxígeno. La molécula de agua tiene carácter dipolar aunque no presenta carga eléctrica neta.
Esta polaridad favorece los enlaces entre moléculas de agua, permitiendo que el agua sea una sustancia muy cohesiva, ya que cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras tantas moléculas.
Por otra parte, el oxígeno posee cuatro electrones más sin compartir, lo que tiene dos consecuencias:
También se pueden formar enlaces de hidrógeno entre el agua y otras moléculas polares distintas (alcoholes, aminas, etcétera).
Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces covalentes o los iónicos. Duran sólo unos instantes, pero se rompen y se forman constantemente, lo que mantiene las interacciones, permitiendo que las moléculas de agua se unan dotando de una gran cohesión interna al agua líquida.
El agua presenta las siguientes propiedades:
Gran poder disolvente
El agua es el disolvente universal, el que más sustancias puede disolver.
El carácter dipolar del agua le permite disolver los compuestos polares y los compuestos iónicos.
Podemos clasificar las sustancias según su solubilidad en agua:
La elevada capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes del agua:
Elevada fuerza de cohesión
Las moléculas de agua presentan una elevada cohesión interna debida a los puentes de hidrógeno. Las principales funciones que derivan de esta propiedad son:
Alta fuerza de adhesión
Esto hace que el agua se adhiera a la superficie del recipiente que lo contiene, y que la savia bruta ascienda por los tubos capilares.
La función que se deriva de esta propiedad, es el fenómeno de la capilaridad, que depende tanto de la adhesión de las moléculas de agua a las paredes de los conductos como de la cohesión de las moléculas de agua entre sí.
Elevado calor específico
El calor específico es la cantidad de calor que es necesario comunicar a un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura 1ºC.
Debido al elevado calor específico del agua, hace falta mucho calor para elevar su temperatura. Es capaz de absorber mucho calor sin que se aumente, apenas, su temperatura. También consecuencia de la formación de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, pues la energía se emplea en romper los puentes de hidrógeno, no en aumentar la temperatura por agitación molecular. Así, al comunicar una cierta cantidad de calor, la temperatura se eleva poco y, de la misma forma, al liberar energía por enfriamiento, la temperatura desciende más lentamente que en el caso de otros líquidos.
Esta propiedad le hace tener función termorreguladora, siendo un estabilizador térmico, manteniendo la temperatura del organismo relativamente constante, a pesar de las fluctuaciones ambientales.
Elevado calor de vaporización
Es necesaria mucha energía para que el agua se evapore, que pase de líquido a gas, pues es necesario romper los puentes de hidrógeno existentes en la fase líquida.
Los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua permiten que sigan unidas entre sí a una temperatura a la que otras moléculas, químicamente comparables, como el H2S o el NH3, están en estado gaseoso.
La función que se deriva de esta propiedad, junto con la anterior, es la termorreguladora, pues se consigue una disminución de la temperatura de un organismo al perder una cantidad de calor que es empleada en la evaporación del agua. Le permite eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.
Como consecuencia de que el agua sea líquida a temperatura ambiente, el agua se emplea como medio fluido de transporte entre las diferentes partes de un organismo.
También tiene función mecánica amortiguadora, como en los vertebrados, que poseen en sus articulaciones bolsas de líquido sinovial que evita el roce entre los huesos.
Mayor densidad en estado líquido que en estado sólido
En el hielo, cada molécula de agua se une por cuatro puentes de hidrógeno con sus vecinas, formando una estructura más abierta que en estado líquido, estando más separadas. Esto hace que el hielo flote en el agua y que forme una capa superficial termoaislante que permite la vida, bajo ella, en ríos, mares y lagos. El agua alcanza su densidad máxima a 4ºC. Si el hielo fuera más denso que el agua, acabaría helándose toda el agua. La función que se derivaría de esta propiedad sería, entonces, ecológica.
Bajo grado de ionización
En el agua pura, a 25 ºC, de cada 551.000.000 de moléculas de agua, sólo una se encuentra ionizada, disociada en H%2b y OH-, lo que hace que la concentración de iones hidronio (H3O%2b) y de los iones hidroxilo (OH)- sea muy baja, concretamente 10-7 moles por litro ([H3O%2b] = [OH]- = 10-7).
Con estos bajos niveles de H3O%2b y de OH-, si al agua se le añade un ácido (se añade H3O%2b) o una base (se añade OH)-, aunque sea en muy poca cantidad, estos niveles varían bruscamente. Por eso, el agua tiene función amortiguadora, y el pH del agua pura es igual a 7.
La capilaridad es una propiedad de los fluidos que depende de su tensión superficial, la cual, a su vez, depende de la cohesión del fluido, y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.
En física, se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.1 Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia al aumentar su superficie, lo que en efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.
El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones de hidrógeno presentes en determinadas disoluciones. La sigla significa potencial de hidrógeno o potencial de hidrogeniones. El significado exacto de la p en «pH» no está claro, pero, de acuerdo con la Fundación Carlsberg, significa «poder de hidrógeno». Otra explicación es que la p representa los términos latinos pondus hydrogenii («cantidad de hidrógeno») o potentia hydrogenii («capacidad de hidrógeno»). También se sugiere que Sørensen usó las letras p y q (letras comúnmente emparejadas en matemáticas) simplemente para etiquetar la solución de prueba (p) y la solución de referencia (q). Actualmente en química, la p significa «cologaritmo decimal de» y también se usa en el término pKa, que se usa para las constantes de disociación ácida.
Este término fue acuñado por el bioquímico danés S. P. L. Sørensen (1868-1939), quien lo definió en 1909 como el opuesto del logaritmo de base 10 o el logaritmo negativo de la actividad de los iones de hidrógeno.
El término pH se ha utilizado universalmente por lo práctico que resulta para evitar el manejo de cifras largas y complejas. En disoluciones diluidas, en lugar de utilizar la actividad del ion hidrógeno, se le puede aproximar empleando la concentración molar del ion hidrógeno.
En disolución acuosa, la escala de pH varía, típicamente, de 0 a 14. Son ácidas las disoluciones con pH menores que 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones hidrógeno en la disolución). Por otro lado, las disoluciones alcalinas tienen un pH superior a 7. La disolución se considera neutra cuando su pH es igual a 7, por ejemplo el agua.
Un tampón, disolución amortiguadora o disolución reguladora es una mezcla en concentraciones relativamente elevadas de un ácido y su base conjugada, es decir, sales hidrolíticamente activas. Tienen la propiedad de mantener estable el pH de una disolución frente a la adición de cantidades relativamente pequeñas de ácidos o bases fuertes. Este hecho es de vital importancia en diversos contextos en donde es necesario mantener el pH en un umbral estrecho, por ejemplo, con un leve cambio en la concentración de hidrogeniones en la célula se puede producir un paro en la actividad de las enzimas.
Se puede entender esta propiedad como consecuencia del efecto ion común y las diferentes constantes de acidez o basicidad: una pequeña cantidad de ácido o base desplaza levemente el equilibrio ácido-base débil, lo cual tiene una consecuencia menor sobre el pH.
Cada sistema tampón tiene su propio rango efectivo de pH, el cual dependerá de la constante de equilibrio del ácido o base empleado. Son importantes en el laboratorio y en la industria, y también en la química de la vida. Tampones típicos son el par amoníaco-catión amonio, ácido acético-anión acetato, anión carbonato-anión bicarbonato, ácido cítrico-anión citrato o alguno de los pares en la disociación del ácido fosfórico.
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