Água, pHh e equilíbrio iónico

Água, pH e equilíbrio iónicoÁgua, pH e equilíbrio iónico

A ÁguaA Água

• A água é o mais abundante componente na A água é o mais abundante componente na crosta terrestre. No seu estado líquido é crosta terrestre. No seu estado líquido é absolutamente essencial para a manutenção absolutamente essencial para a manutenção da vida tal como a conhecemos. É um da vida tal como a conhecemos. É um composto químico com propriedades únicas, composto químico com propriedades únicas, considerado o “solvente biológico” por considerado o “solvente biológico” por excelência. Constitui entre 70 a 90% do excelência. Constitui entre 70 a 90% do peso de uma célula.peso de uma célula.

Água (cont.)Água (cont.)

• A água deve A água deve muitas das suas muitas das suas propriedades propriedades físico-químicas à físico-químicas à sua estrutura sua estrutura molecular de molecular de natureza polar. natureza polar. Esta está implícita Esta está implícita na sua importância na sua importância biológica.biológica.

Água (cont.)Água (cont.)• A molécula de água evidencia:A molécula de água evidencia:

1.1. Capacidade para solvatar muitos compostos Capacidade para solvatar muitos compostos orgânicos e inorgânicos;orgânicos e inorgânicos;

2.2. Natureza dipolar;Natureza dipolar;3.3. Capacidade para formar ligações por ponte de Capacidade para formar ligações por ponte de

hidrogénio;hidrogénio;4.4. Capacidade para condicionar a disposição Capacidade para condicionar a disposição

espacial de outras moléculas de acordo com as espacial de outras moléculas de acordo com as interacções que com elas estabelece;interacções que com elas estabelece;

5.5. Participação em muitos processos metabólicos, Participação em muitos processos metabólicos, como reagente ou como produto de reacção;como reagente ou como produto de reacção;

6.6. Como solvente é um composto essencialmente Como solvente é um composto essencialmente inerte (não reage com os solutos).inerte (não reage com os solutos).


• A molécula de água A molécula de água apresenta uma apresenta uma natureza dipolar natureza dipolar (distribuição desigual (distribuição desigual da nuvem electrónica da nuvem electrónica devido à diferença de devido à diferença de elctronegatividade elctronegatividade entre o H e O).entre o H e O).

• Estrutura é Estrutura é praticamente praticamente tetraédrica embora o tetraédrica embora o ângulo entre os ângulo entre os átomos de H (105º) átomos de H (105º) não seja exactamente não seja exactamente tetraédrico (109,5º).tetraédrico (109,5º).


• As moléculas de água formam, entre si As moléculas de água formam, entre si e com solutos de natureza polar, e com solutos de natureza polar, ligações por ponte de hidrogénio. ligações por ponte de hidrogénio. Consequências:Consequências:

1.1. Coesão da estrutura;Coesão da estrutura;

2.2. Grande tensão superficial;Grande tensão superficial;

3.3. Elevado ponto de ebulição.Elevado ponto de ebulição.


• É devido à formação É devido à formação destas pontes de destas pontes de hidrogénio que a hidrogénio que a água no estado água no estado sólido ocupa um sólido ocupa um maior volume maior volume relativamente à água relativamente à água no estado líquido.no estado líquido.

Densidade gelo < Densidade Densidade gelo < Densidade águaágua

Água, pH e equilíbrio iónico Água, pH e equilíbrio iónico (cont.)(cont.)

• Devido à sua natureza dipolar a água Devido à sua natureza dipolar a água é um excelente solvente para é um excelente solvente para substâncias iónicas (sais). substâncias iónicas (sais).

• Outros compostos de Outros compostos de natureza polar (açúcares, natureza polar (açúcares, álcoois, aminas, aldeídos, álcoois, aminas, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos, cetonas, ácidos carboxílicos, etc) solubilizam também na etc) solubilizam também na água – formação de pontes água – formação de pontes de H intermoleculares.de H intermoleculares.


• A constante dieléctrica A constante dieléctrica da água é elevada (a da água é elevada (a capacidade da água capacidade da água para interagir e para interagir e hidratar com iões é hidratar com iões é superior à tendência superior à tendência dos iões de cargas dos iões de cargas oposta para se oposta para se atraírem – favorece a atraírem – favorece a ionização e ionização e solubilização em meio solubilização em meio aquoso).aquoso).

Água (cont.)Água (cont.)• Interacção hidrofóbicas:Interacção hidrofóbicas:

•Diferentes das interacções hidrofílicas;Diferentes das interacções hidrofílicas;•Energeticamente desfavoráveis;Energeticamente desfavoráveis;•Estrutura formada é instável (moléculas de Estrutura formada é instável (moléculas de

água acabam, eventualmente, por se água acabam, eventualmente, por se separar das moléculas apolares - separar das moléculas apolares - coalescência);coalescência);

•É necessário que as moléculas de água se É necessário que as moléculas de água se reorganizem espacialmente para reorganizem espacialmente para “envolverem” as moléculas de soluto apolar;“envolverem” as moléculas de soluto apolar;

•Como consequência, as moléculas apolares Como consequência, as moléculas apolares (ou hidrofóbicas) são apenas parcialmente (ou hidrofóbicas) são apenas parcialmente solúveis em água.solúveis em água.

Água (cont.)Água (cont.)Interacção hidrofóbica

Estrutura, de natureza anfifílica, de um sal de ácido gordo (palmitato de sódio)

Extremidade polar (Na+) e “cauda” apolar


• Compostos Compostos químicos de químicos de natureza natureza simultaneamente simultaneamente polar e apolar são polar e apolar são chamados chamados compostos compostos anfifílicosanfifílicos..


• A interacção HA interacção H22O O moléculas anfifílicas moléculas anfifílicas caracteriza-se pela associação da região caracteriza-se pela associação da região polar com o solvente. A região da cadeia polar com o solvente. A região da cadeia apolar associa-se às zonas apolares de apolar associa-se às zonas apolares de outras moléculas numa outras moléculas numa interacção interacção hidrofóbicahidrofóbica. Formam-se estruturas . Formam-se estruturas denominadas denominadas micelasmicelas. Processo de enorme . Processo de enorme importância biológica - constitui o princípio importância biológica - constitui o princípio base de formação das membranas base de formação das membranas celulares.celulares.


Estrutura de uma Estrutura de uma micela. Notar as micela. Notar as

extremidades polares extremidades polares das cadeias de das cadeias de

hidrocarbonetos hidrocarbonetos viradas para o solvente viradas para o solvente

(água), enquanto as (água), enquanto as caudas apolares se caudas apolares se

colocam direccionadas colocam direccionadas para o interior, para o interior,

formando uma região formando uma região de natureza apolar.de natureza apolar.

Água e equilíbrio iónicoÁgua e equilíbrio iónicoIonização da água:Ionização da água:• A água possui uma ligeira mas A água possui uma ligeira mas

biologicamente importante biologicamente importante capacidade para sofrer ionização capacidade para sofrer ionização (demonstrada pela sua capacidade (demonstrada pela sua capacidade para conduzir corrente eléctrica);para conduzir corrente eléctrica);

• Ionização ocorre devido à elevada Ionização ocorre devido à elevada electronegatividade do O que “puxa” electronegatividade do O que “puxa” para si o electrão da ligação com um para si o electrão da ligação com um dos H’s, formando um par iónico Hdos H’s, formando um par iónico H++ - - OHOH--..

Água e equilíbrio iónico Água e equilíbrio iónico (cont.)(cont.)

Molécula de água

Ião OH- (hidroxilo) Ião H+ (protão)

Iões H+ sofrem imediata hidratação formando H3O+ (ião hidrónio)

HH O OH H+

+


Kw Kw produto iónico da águaproduto iónico da água

• A extensão da reacção de dissociação da A extensão da reacção de dissociação da água é tal que água é tal que em 1ltr. de água, a 25ºC, em 1ltr. de água, a 25ºC, estão presentes, no equílibrio, 10estão presentes, no equílibrio, 10-7-7mol mol de Hde H++ e 10 e 10-7-7mol de OHmol de OH--..

• A constante de equilíbrio é dada por:A constante de equilíbrio é dada por:


A massa molar da água é 18 g/mol, A massa molar da água é 18 g/mol, em 1 litro de água há 1000 g de em 1 litro de água há 1000 g de água (densidade = 1 g/ml), logo água (densidade = 1 g/ml), logo temos 1000/18=55,6 mol de água temos 1000/18=55,6 mol de água num volume de 1 litro. Assim:num volume de 1 litro. Assim:


Grau de dissociação da água é pequeno pelo que Grau de dissociação da água é pequeno pelo que [H[H22O] = cte. = 55,6 M pelo que podemos escrever O] = cte. = 55,6 M pelo que podemos escrever uma nova grandeza também constante, Kw, o uma nova grandeza também constante, Kw, o produto iónico da água:produto iónico da água:


• A equação que nos dá Kw mostra a A equação que nos dá Kw mostra a reciprocidade entre [Hreciprocidade entre [H++] e [OH] e [OH--] ] numa solução aquosa. Um aumento numa solução aquosa. Um aumento no valor de [Hno valor de [H++] implica a ] implica a correspondente diminuição de [OHcorrespondente diminuição de [OH--]. ]. Por exº., se [HPor exº., se [H++]=10]=10-2-2M então M então [OH[OH--]=10]=10-12-12M (Kw=[OHM (Kw=[OH--].[H].[H++]=10]=10-14-14))

(Relacionar com escala de pH) (Relacionar com escala de pH)

Ácidos e basesÁcidos e bases

• Segundo a definição de Bronsted-Segundo a definição de Bronsted-Lowry um Lowry um ácido é qualquer ácido é qualquer substância capaz de ceder um substância capaz de ceder um ião Hião H++ (protão), sendo que uma (protão), sendo que uma base é uma substância capaz de base é uma substância capaz de aceitar um ião Haceitar um ião H++..

No exemplo, sendo CH3COOH um ácido, a sua base conjugada é CH3COO-, no outro membro da equação química (H3O+ e H2O é o

outro par conjugado ácido-base).

Ácidos e bases (cont.)Ácidos e bases (cont.)• A água, podendo funcionar A água, podendo funcionar

simultaneamente como ácido e como simultaneamente como ácido e como base, na definição B.-L., é denominda base, na definição B.-L., é denominda uma uma substância anfotéricasubstância anfotérica..

Na equação CHNa equação CH33NHNH2 2 + H+ H++ CH CH33NHNH33++, e , e

de acordo com a definição de de acordo com a definição de Bronsted-Lewis, qual o par conjugado Bronsted-Lewis, qual o par conjugado ácido base?ácido base?

pHpH

• A escala de pH foi criada pelo A escala de pH foi criada pelo bioquímico dinamarquês SØRENSEN bioquímico dinamarquês SØRENSEN para evitar o uso de expoentes para evitar o uso de expoentes negativos para o valor das negativos para o valor das concentrações. O pH de uma solução concentrações. O pH de uma solução aquosa foi definido como o aquosa foi definido como o logaritmo logaritmo negativo da concentração do ião Hnegativo da concentração do ião H++..

pH = -log [HpH = -log [H++]]

pH (cont.)pH (cont.)

pH (cont.)pH (cont.)• Sendo uma escala logarítmica de base Sendo uma escala logarítmica de base

10, o incremento ou diminuição de 10, o incremento ou diminuição de uma unidade de pH representa uma uma unidade de pH representa uma diminuição ou aumento, diminuição ou aumento, respectivamente, num factor de respectivamente, num factor de multiplicação de 10 da [Hmultiplicação de 10 da [H++].].

• Dado tratar-se do negativo de um Dado tratar-se do negativo de um logaritmo, a diminuição do valor de pH logaritmo, a diminuição do valor de pH representa um aumento da [Hrepresenta um aumento da [H++].].

(ver tabela anterior)(ver tabela anterior)

pH (cont.)pH (cont.)Notar que Notar que

pH = pH + pOH = pH = pH + pOH = 1414

A escala de pH é muito A escala de pH é muito usada para sistemas usada para sistemas biológicos biológicos (concentrações de H(concentrações de H++ muito pequenas, muito pequenas, próximas de 10próximas de 10-7-7M, que M, que representa o valor representa o valor 0,0000001 M).0,0000001 M).

pH (cont.)pH (cont.)

pH (cont.)pH (cont.)• Atenção à interpretação a fazer de uma Atenção à interpretação a fazer de uma

variação de valores de pH. O valor de variação de valores de pH. O valor de pH do plasma sanguíneo é de 7,4 ([HpH do plasma sanguíneo é de 7,4 ([H++] ] = 0,00000004M). Certas desordens = 0,00000004M). Certas desordens orgânicas podem fazer baixar o valor orgânicas podem fazer baixar o valor de pH para 6,8 ou menos, o que pode de pH para 6,8 ou menos, o que pode resultar na morte. De facto, a pH 6,8 a resultar na morte. De facto, a pH 6,8 a [H[H++] = 0,00000016 M, ] = 0,00000016 M, quatro vezes quatro vezes superiorsuperior ao valor correspondente a pH ao valor correspondente a pH = 7,4 !!!!! = 7,4 !!!!!

Dissociação de ácidos fortes e Dissociação de ácidos fortes e pHpH

• Ácidos fortes, como o ácido clorídrico Ácidos fortes, como o ácido clorídrico (HCl) sofrem ionização/dissociação (HCl) sofrem ionização/dissociação completa em meio aquoso.completa em meio aquoso.

Assim, a concentração de HAssim, a concentração de H++ em solução é igual à em solução é igual à concentração inicial de HCl. A adição de uma concentração inicial de HCl. A adição de uma [HCl]=0,001M resulta numa solução com o pH [HCl]=0,001M resulta numa solução com o pH

final de 3.final de 3.

Dissociação de ácidos fracos e Dissociação de ácidos fracos e pHpH

• Muitos grupos funcionais de interesse Muitos grupos funcionais de interesse bioquímico são ácidos (ou bases) fracos. bioquímico são ácidos (ou bases) fracos. Denominam-se ácidos fracos porque a sua Denominam-se ácidos fracos porque a sua dissociação ou ionização em meio aquoso dissociação ou ionização em meio aquoso não é completa. Grupos carboxílicos, amina não é completa. Grupos carboxílicos, amina e fosfato, por exº., estão presentes em e fosfato, por exº., estão presentes em proteínas, ácidos nucleicos, na maioria das proteínas, ácidos nucleicos, na maioria das coenzimas e dos metabolitos intermédios. O coenzimas e dos metabolitos intermédios. O conhecimento do processo de ionização de conhecimento do processo de ionização de ácidos fracos é essencial para compreender ácidos fracos é essencial para compreender o papel do pH intracelular nas estruturas e o papel do pH intracelular nas estruturas e na actividade biológica. na actividade biológica.

Dissociação de ácidos fracos e pH Dissociação de ácidos fracos e pH (cont.)(cont.)

• Dissociação/ionização de um ácido fraco:Dissociação/ionização de um ácido fraco:

Como a ionização não é total, no equílibrio Como a ionização não é total, no equílibrio iremos ter presentes em solução as iremos ter presentes em solução as espécies HA e Aespécies HA e A-- (e H (e H++, naturalmente). A , naturalmente). A const. de ionização ou de acidez é dada const. de ionização ou de acidez é dada por:por:

Dissociação de ácidos fracos e Dissociação de ácidos fracos e pH (cont.)pH (cont.)

• Por dedução, a partir da expressão Por dedução, a partir da expressão da constante de acidez, chegamos à da constante de acidez, chegamos à expressãoexpressão

Equação de Henderson-Equação de Henderson-HasselbalchHasselbalch

A equação de Henderson-Hasselbalch permite calcular A equação de Henderson-Hasselbalch permite calcular o pH e conhecer o grau de ionização do ácido em o pH e conhecer o grau de ionização do ácido em solução aquosa.solução aquosa.

Dissociação de ácidos fracos e pH Dissociação de ácidos fracos e pH (cont.)(cont.)

Problemas – pH e Eq. de Henderson-Problemas – pH e Eq. de Henderson-HasselblachHasselblach

1.1. Qual o pH, no equilíbrio, de uma solução à qual foi Qual o pH, no equilíbrio, de uma solução à qual foi adicionado ácido acético (CHadicionado ácido acético (CH33COOH) com a concentração COOH) com a concentração 0,1M? (Ka=1,74x100,1M? (Ka=1,74x10-5-5). ).

2.2. O Ka do ácido ascórbico, a 25ºC, é 6,31x10O Ka do ácido ascórbico, a 25ºC, é 6,31x10-5-5. A que pH é . A que pH é que a concentração da forma protonada do ácido ascórbico que a concentração da forma protonada do ácido ascórbico é 10 vezes superior à forma desprotonada?é 10 vezes superior à forma desprotonada?

3.3. A aspirina (ácido acetilsalicílico) tem um Ka 3,16x10A aspirina (ácido acetilsalicílico) tem um Ka 3,16x10-4-4. Para . Para ser absorvida a aspirina deve estar na sua forma protonada. ser absorvida a aspirina deve estar na sua forma protonada. Onde ocorre maior absorção: No estômago (pH=1) ou no Onde ocorre maior absorção: No estômago (pH=1) ou no intestino delgado (pH=6)?intestino delgado (pH=6)?

4.4. Calcule o pH da solução resultante da mistura de 100 ml de Calcule o pH da solução resultante da mistura de 100 ml de uma solução de ácido acético 0,25M com 50 ml de uma uma solução de ácido acético 0,25M com 50 ml de uma solução de acetato de sódio 0,50M (Ka do ácido acético solução de acetato de sódio 0,50M (Ka do ácido acético 1,74x101,74x10-5-5).).

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