UNIFESO - Engenharia Ambiental Prof. Edson Rodrigo Fernandes dos Santos ÁGUA, pH E TAMPÕES ÁGUA • É uma substância essencial para o organismo. • Todas as reações bioquímicas ocorrem em meio aquoso. • É uma substância neutra. • É capaz de dissolver grande parte das substâncias presentes em uma célula. ÁGUA • A água está presente em 75% do corpo humano. Envelope de Van de Waals Van der Waals raio do H = 1.2 Å Van der Waals raio do O = 1.4 Å O—H covalente Distância da Ligação = 0.958 Å 180° H H O Par de elétrons δ¯ δ⁺ Diferença entre ligações e interações Ligação iônica O H3C O OH Ponto de Fusão: 16 - 17 °C Ponto de Ebulição: 118 - 119°C H3C O Na Ponto de Fusão: 324 °C Ponto de Ebulição: 881,4 °C Ligação Hidrogênio δδ+ H δ+ H H δO H δ+ H δO H δO X δ+ δ+ δ+ H δ+ R δ+ R δ - δ+ O H δ+ δ+ Carga Parcial Positiva δ - Carga Parcial Negativa X = Heteroátomo O, S, N δ⁺ δ¯ Teoricamente previstos e confirmados espectroscopicamente estruturas do trímeroágua, tetrâmero, e pentâmero Ligações de hidrogênio entre moléculas de água organizadas na forma de gelo Álcool e água Ácido Carbox. e água Cetona e água Amina e água Ligações peptídicas Moléculas precursoras de DNA Condições para ocorrer Ligação Hidrogênio Conter Heteroátomo com par de elétrons livres Hidrogênio ligado a heteroátomo H O H3C O H O O O H H CH3 H H O O H H3C O H O H O CH3 H3C N: CH3 H O H O O H H H H S H H3C H H S H O H H3C S H O H H ΔG<0 - Processo espontâneo ΔG>0 – Processo não espontâneo ΔG=0 - Equilíbrio A água interage bem com solutos polares Desorganização das moléculas do sal ocasionando em um aumento de entropia! Polaridade O O H3C H3C H CH3 H H N H3C O CH3 H3C H3C Apolar S H N CH3 Polar Aprótico Polar Prótico Moléculas hidrofóbicas – Polares Moléculas hidrofílicas - Apolares Moléculas anfipáticas – Polar e apolar MISCELAS Hidrofílico “cabeça de Grupo” Hidrofóbico Grupo alquila “Flickering Clusters” Aglomerados de moléclas de água moléculas de água altamente ordenada forma "gaiolas" em torno das cadeias alquídicas hidrofóbicas Dispersão de lipídios em água Aglomerados de moléculas lipídicas As cadeias alquídicas se reorganizam entre si e as moléculas de água,aumentando a entropia Cada molécula de lipídio são forçadas em torno das moléculas de água para se tornar altamente ordenada Todos os grupos hidrofóbicos são separados da água; conchas ordenada de moléculas de água é minimizada, e entropia é ainda maior Micelas Micela Bicamada Muitas ligações fracas juntas formam estruturas de grande estabilidade!!! pH H2O HCl + H H2O + + H H3O Cl - + Os íons são essenciais para as reações bioquímicas Acidez Crescente Basicidade Crescente • Um pH igual a 7,0 implica em um número igual de íons H+ e OH- em solução. • Um pH menor que 7,0 indica uma solução com excesso de íons H+ (ácido). • Um pH maior que 7,0 indica uma solução com excesso de íons OH- ( básico). Cálculo de pH e pOH 2 H2O H3 O + + OH - Pela definição de Kw (produto iônico da água) tem-se a relação entre as duas atividades: Kw = [H+] · [OH-] Ao aplicar logaritmos, obtém-se a relação entre pH e pOH: pKw = pH + pOH = 14 Cálculo de pH e pOH Solução aquosa de ácido clorídrico (HCl) 0,1 mol L-1 + HCl H + pH = -log [H+] [H+] = 0,1 mol L−1 Então: pH = -log [0,1] = 1. Cl - Dissocia-se totalmente Cálculo de pH e pOH Solução aquosa de Ácido Fórmico (HCOOH) 0,1 mol L-1 O H + OH H O + - H O constante de dissociação do ácido (Ka): Ka = [H+] x [HCOO-] [HCOOH] Não dissocia-se totalmente Cálculo de pH e pOH Solução aquosa de Ácido Fórmico (HCOOH) 0,1 mol L-1 Considerando: Ka = 1,6 × 10−4 [A-] é igual a x [HA] = 0,1 considerando que praticamente não houve dissociação Se desprezarmos a ionização da água: [H+] = [A-] Ka = [H+] x [HCOO-] [HCOOH] 1,6 × 10−4 = [H+] x [H+] 0,1 Cálculo de pH e pOH Solução aquosa de Ácido Fórmico (HCOOH) 0,1 mol L-1 1,6 × 10−4 = [H+] x [H+] 0,1 [H+] = x = 4 × 10−3 Através da definição de pH, obtém-se: pH = -log [4 × 10−3] = 2,4 MAS COMO?? • Para regular o pH intracelular a célula utiliza a química para ajudá-la. • As células utilizam o que chamamos de SISTEMA-TAMPÃO. • Os sistemas-tampões são constituídos de um ácido fraco e sua base conjugada. TEORIA DE ARRHENIUS • Ácidos são compostos que em solução aquosa se ionizam liberando íons hidrogênio. HCl H2O + H + - Cl • Bases são compostos que em solução aquosa se ionizam liberando íons hidroxila. NaOH H2O + Na + - OH TEORIA DE BRÖNSTED-LOWRY • Ácidos são substâncias capazes de doar prótons. • Bases são substâncias capazes de receber prótons. TEORIA DE LEWIS • Ácidos são substâncias capazes de aceitar um par de elétrons. • Bases são substâncias capazes de doarem um par de elétrons. SISTEMAS TAMPÃO • Para a definição de sistema-tampão devemos levar em consideração a teoria de ácido-base de Brönsted. • Nela, a equação abaixo define a dissociação de um ácido genérico (HA). HA A- + H+ SISTEMAS TAMPÃO • Os ácidos fortes são capazes de se dissociar completamente em meio aquoso. HA A- + H+ • Os ácidos fracos se ionizam muito pouco em soluções aquosas e são encontrados na forma de equilíbrios. HA A- + H+ SISTEMAS TAMPÃO A- + H+ HA • Os ácidos fracos quando em solução estão em um equilíbrio entre as concentrações de HA, A- e de H+. Este equilíbrio é regido por uma constante de equilíbrio denominada de K. [ A ] [H ] K [ HA] • A constante K é conhecida como constante de dissociação ou de ionização, e no caso dos ácidos é chamada de Ka. O H3C O OH Ácido Fraco + + NH 4 OH - H3C O - + NH4 Base Fraca Base Conjulgada Como funciona a zona de tamponamento O H3C O OH + + NH 4 OH - H3C O - + NH4 Base Fraca Ácido Fraco Base Conjulgada Adição de ácido O H3C O O - + NH4 Base Conjulgada + + H H3C OH + Ácido Fraco A formação do ácido fraco mantém o equilíbrio + NH4 • Há um pequeno aumento na [H+] mesmo que uma grande parte seja captada pela base conjugada A-. • Também ocorre um pequeno aumento na [HA] e uma diminuição na [A-]. • Estas pequenas modificações permitem que Ka não se altere. O H3C O O - + NH4 H2 O + + H H3C Base Conjulgada Ácido Fraco O H3C OH + O H2O OH H3C - O + H3 O + + NH 4 OH - Adição de Base • Analogamente ocorre o mesmo equilíbrio quando é adicionado OH- no meio. • Este equilíbrio permite que a alteração nas concentrações tanto de H+ como de OH- em solução sejam pequenas quando comparadas à quantidade de ácido ou base que é adicionado ao meio. O H3C O + OH + NH4 OH - H3C Ácido Fraco O + + NH4 Base Conjulgada O O H2O H3C - - O + NH4 H3C OH + + NH4 OH - H2O • Mesmo o sistema tampão mantendo o pH sem muitas alterações, grandes adições de álcalis ou de ácidos podem alterar drasticamente o pH da solução. • Os sistemas tampão funcionam muito bem em uma determinada faixa. • Essa faixa se encontra no pH onde há 50% de ácido conjugado e 50% da base conjugada. • Esse ponto é denominado de pK. TAMPÕES - DEFINIÇÃO São substâncias que em solução aquosa dão a estas soluções a propriedade de resistir às variações do seu pH quando às mesmas são adicionadas quantidades relativamente pequenas de ácido (H+) ou base (OH-). TAMPÃO TAMPÕES BIOLÓGICOS • O ácido carbônico dissocia-se em bicarbonato e H+. • Este se encontra em equilíbrio com o CO2 dissolvido em água. • As hemácias contém a enzima anidrase carbônica que acelera a transformação do CO2 em H2CO3. Histidina pKa 6,0 Tampão ideal é pKa ± 1,0