¡Descarga ------------------------------ y más Resúmenes en PDF de Química solo en Docsity!
BIOQUIMICA
Ciclo de Formación Básica
UNIDAD 1: EL AGUA: SU PAPEL BIOLÓGICO.
Biolementos: definición y clasificación
El agua: Estructura. Propiedades físicas y química. Enlace puente hidrogeno. Disolvente de moléculas polares y no polares. Electrolitos y no electrolitos.
Disoluciones: Concepto. Clasificación: saturadas, no saturadas, sobresaturadas. Solubilidad. Curvas de solubilidad. Expresión de concentración: Unidades físicas (porcentaje masa en masa, porcentaje masa en volumen, porcentaje volumen en volumen, miligramos por litros, miligramos por decilitro) y Unidades químicas (molaridad y miliequivalente/litro). Diluciones. Coloides y suspensiones. Osmosis.
Teoría de ácidos y bases: Concepto de ácido y base. Pares conjugados. Producto iónico del agua. Carácter anfótero del agua. Concepto de pH. Escala de pH. Sistemas buffer o amortiguadores.
Consideraciones:
El presente material de estudio está diseñado con el objetivo de integrar los conceptos teóricos y prácticos de la unidad temática 1.
El alumno deberá concurrir a clases con la lectura previa de la parte teórica necesaria para resolver la ejercitación en el taller.
Bioelementos
Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen los seres vivos. De los aproximadamente 100 elementos químicos que existen en la naturaleza, unos 70 se encuentran en los seres vivos. De éstos, sólo unos 22 se encuentran en todos en cierta abundancia y cumplen una cierta función.
Clasificación
- Bioelementos primarios : O, C, H, N, P y S. Representan el 96,2% del total.
- Bioelementos secundarios : Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-. Aunque se encuentran en menor proporción que los primarios, son también imprescindibles para los seres vivos. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados.
- Oligoelementos o elementos vestigiales : Son aquellos bioelementos que se encuentran en los seres vivos en un porcentaje menor del 0.1%. Algunos, los indispensables (Mn, Fe, Co, Cu, Zn), se encuentran en todos los seres vivos, mientras que otros, variables (B, Al, V, Mo, I 2 , Si), solamente los necesitan algunos organismos.
Principales características de los bioelementos primarios
El hecho de que los bioelementos primarios sean tan abundantes en los seres vivos se debe a que presentan ciertas características que los hacen idóneos para formar las moléculas de los seres vivos. Aunque no son de los más abundantes, todos ellos se encuentran con cierta facilidad en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera e hidrosfera). Sus compuestos presentan polaridad por lo que fácilmente se disuelven en el agua, lo que facilita su incorporación y eliminación. El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno o al hidrógeno, por lo que pasan con la misma facilidad del estado oxidado al reducido. Esto es de gran importancia, pues los procesos de oxidación-reducción son la base de muchos procesos químicos muy importantes y en particular de los relacionados con la obtención de energía como la fotosíntesis y la respiración celular. El C, el H, el O y el N son elementos de pequeña masa atómica y tienen variabilidad de valencias, por lo que pueden formar entre sí enlaces covalentes fuertes y estables. Debido a esto dan lugar a una gran variedad de moléculas y de gran tamaño. De todos ellos el carbono es el más importante. Este átomo es la base de la química orgánica y de la química de los seres vivos.
EL AGUA COMO DISOLVENTE
El agua es uno de los disolventes más habituales en la naturaleza. En la molécula de H 2 O, un átomo de oxígeno comparte electrones con dos átomos de hidrógeno y, como el átomo de oxígeno es mucho más electronegativo, los enlaces O-H son polares. Debido a los dos enlaces polares del agua, el oxígeno tiene una carga parcial negativa ( – ) y el hidrógeno tiene una carga parcial positiva ( + ) (ver figura 1). Esto, unido a su geometría, hace que la molécula de agua sea una sustancia polar. Los enlaces de hidrógeno se establecen entre moléculas en las que un hidrógeno con carga parcial positiva es atraído por átomos fuertemente electronegativos de O, N o F de otras moléculas. En el agua se forman enlaces de hidrógeno, ya que el átomo de oxígeno de una molécula de agua es atraído por un átomo de hidrógeno de otra molécula de agua. En el diagrama, los enlaces de hidrógeno se representan mediante líneas discontinuas entre las moléculas de agua. A pesar de que los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces iónicos o los covalentes, el elevado número de estos enlaces, que mantienen unidas las moléculas entre sí, hace que los enlaces de hidrógeno desempeñen un papel muy importante en las propiedades del agua y de otros compuestos biológicos como las proteínas, los carbohidratos o el ADN.
Figura 1: Enlace Puente hidrogeno entre moleculas de agua
Formación de disoluciones En los compuestos iónicos, como el cloruro de sodio (NaCl), los iones se mantienen unidos por enlaces iónicos. En el NaCl las atracciones se establecen entre iones Na+, cargados positivamente, e iones Cl–, con carga negativa. El agua es un buen disolvente de muchos compuestos iónicos, debido a que las moléculas de agua son polares. Cuando los cristales de NaCl se introducen en agua, las moléculas de agua colisionan con los iones de la superficie del cristal. El átomo de oxígeno con carga
parcial negativa de una molécula de agua atrae los iones positivos Na+^ del cristal, mientras que los átomos de hidrógeno con carga parcial positiva atraen los iones negativos Cl–. Las fuerzas atractivas entre varias moléculas de agua y los iones de la superficie del cristal proporcionan suficiente energía para la ruptura de los enlaces iónicos entre los iones Na+^ y Cl–^ en el cristal de NaCl, y se produce su disolución (ver figura 2). Tras la disolución, los iones Na+^ y Cl–^ son rodeados por moléculas de agua, hidratándose. La hidratación de los iones disminuye su atracción por otros iones y ayuda a mantenerlos en disolución. En la ecuación que representa la disolución del NaCl, el NaCl sólido y el acuoso se relacionan mediante una flecha con la fórmula del H 2 O encima, para indicar que el agua es necesaria para que se produzca la disolución, pero que no es un reactivo.
NaCl(s) Na+(aq) + Cl–(aq)
Semejante disuelve a semejante Los gases forman disoluciones con otros gases, ya que sus partículas se mueven tan rápidamente que están lo suficientemente alejadas como para que las atracciones por otras partículas de gas no sean importantes. En cambio, para que los sólidos o los líquidos se disuelvan, debe haber una atracción entre las partículas del soluto y las del disolvente, de modo que ambas se mezclen entre sí. Si no existiese atracción entre el soluto y el disolvente, sus partículas no se mezclarían y no se formaría ninguna disolución. Una sal como el NaCl forma una disolución con el agua porque los iones Na+^ y Cl–^ son atraídos por las partes negativas y positivas, respectivamente, de las moléculas de agua. Un compuesto covalente como el metanol, CH 3 -OH, se disuelve en agua porque esta molécula tiene un grupo OH-^ polar que forma enlaces de hidrógeno con el agua. Sin embargo, los compuestos formados por moléculas no polares, como el yodo (I 2 ), el aceite o la grasa, no se disuelven en agua, porque esta es polar. Los solutos no polares se disuelven en disolventes no polares. La expresión «semejante disuelve a semejante» es un modo de decir que las polaridades del soluto y del disolvente deben ser similares para que se forme una disolución.
H 2 O
Fig.
Electrolitos fuertes
Un electrolito fuerte es un compuesto que cuando se disuelve en agua se disocia completamente en los iones que lo constituyen. Durante la disociación los iones se separan del sólido, formando una disolución que conduce la electricidad (ver figura 3). Como ya hemos visto, en la ecuación que representa la disociación del NaCl en agua se escribe sobre la flecha la fórmula del H 2 O, para mostrar que se necesita el agua para la disociación. El empleo de una flecha sencilla entre los reactivos y los productos indica que el reactivo es un electrolito fuerte y que se disocia completamente.
NaCl(s) Na+(aq) + Cl–(aq)
En la ecuación de la disociación de un compuesto en agua, las cargas eléctricas deben estar equilibradas. Por ejemplo, cuando el nitrato de magnesio se disocia, proporciona un ión magnesio por cada dos iones nitrato. Sin embargo, solo el enlace iónico entre el Mg2+^ y el NO 3 –^ se rompe, mientras que los enlaces covalentes del ión NO 3 –^ permanecen inalterados. La disociación del Mg(NO 3 ) 2 se formula por ello del siguiente modo:
Mg(NO 3 ) 2 (s ) Mg2+(aq) + 2NO 3 –^ (aq)
Electrolitos débiles Un electrolito débil es un compuesto que cuando se disuelve en agua genera mayoritariamente moléculas, de las que solo una pequeña parte se disocia, dando lugar a un pequeño número de iones en la disolución. Por tanto, las disoluciones de los electrolitos débiles no conducen la corriente eléctrica tan bien como las disoluciones de los electrolitos fuertes. Por ejemplo, una disolución acuosa de HF, que es un electrolito débil, está formada fundamentalmente por moléculas de HF y solo contiene unos pocos iones H+^ y F–.
H 2 O
H 2 O
Fig. 3
En la disolución, solo unas pocas moléculas de HF se disocian en iones, y, a medida que se forman más iones H+^ y F–, estos se recombinan entre sí para generar nuevas moléculas de HF, tal y como indica la flecha inversa de la ecuación (ver figura 4). Al final, la velocidad de formación de iones es igual a la velocidad con la que estos se recombinan, lo que se representa con las dos flechas colocadas entre los reactivos y los productos.
No electrolitos Un no electrolito es un compuesto que se disuelve en agua liberando moléculas. Los no electrolitos no se disocian en iones, por lo que sus disoluciones no conducen la corriente eléctrica (ver figura 5). Por ejemplo, la sacarosa, que es un azúcar, es un no electrolito que se disuelve en agua liberando solamente moléculas.
En la tabla 2 se recoge la clasificación de los solutos en función de su comportamiento en disolución acuosa. Tabla 2: Clasificación de los solutos en disolución acuosa
Fig.
Fig.
nuestros fluidos corporales, ya que pequeñas variaciones en los niveles de electrolitos pueden alterar profundamente algunos procesos celulares y poner en peligro nuestra salud. Por ello, la medida de sus concentraciones es una valiosa herramienta diagnóstica. Mediante los procesos de ósmosis y de diálisis, el agua, algunos nutrientes esenciales y los productos de desecho penetran o abandonan las células del cuerpo. En la ósmosis, el agua fluye hacia dentro y fuera de las células, mientras que en la diálisis tanto el agua como pequeñas partículas disueltas se difunden a través de membranas semipermeables. Los riñones utilizan la ósmosis y la diálisis para regular la cantidad de agua y de electrolitos que excretamos.
DISOLUCIONES Objetivo es identificar el soluto y el disolvente de una disolución y describir la formación de una disolución.
Una disolución es una mezcla homogénea en la que una sustancia, llamada soluto, está uniformemente dispersa en el seno de otra sustancia llamada disolvente. El disolvente y el soluto no reaccionan entre sí y se pueden mezclar en distintas proporciones. Por lo general, el soluto (la sal en este caso) es la sustancia de la disolución presente en menor cantidad, mientras que el disolvente (agua en este caso) es el componente mayoritario. En una disolución, las partículas del soluto están dispersas uniformemente entre las moléculas del disolvente.
Ejercicio resuelto 3 Identificación del soluto y del disolvente Identificar el soluto y el disolvente de las siguientes disoluciones: a) 15 g de azúcar disueltos en 100 ml de agua. b) 85 ml de agua mezclados con 15 ml de alcohol etílico.
Solución a) El azúcar: el componente minoritario, es el soluto.El agua es el disolvente. b) El alcohol etílico: el componente minoritario, es el soluto. El agua es el disolvente.
Ejercitación sobre concepto de Disoluciones
1. Una tintura de yodo se prepara disolviendo 0,10 g de I 2 en 50 ml de alcohol etílico. ¿Qué componente es el soluto y cuál es el disolvente?
- Identificar el soluto y el disolvente de las siguientes disoluciones: a) 10 g de NaCl y 100 g de H 2 O b) 10 ml de H 2 O y 50 ml de etanol, C 2 H 5 OH (l) c) 0,20 ltros de O 2 y 0,80 litros de N 2 d) 5 g de azúcar y 100 ml de agua
Tipos de disoluciones y de disolventes Tanto los solutos como los disolventes pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. La disolución que se forma tiene el mismo estado de agregación que el disolvente. Así, cuando se disuelven granos de azúcar en agua, la disolución de azúcar resultante es líquida. El agua de soda y los refrescos con burbujas se preparan disolviendo dióxido de carbono gaseoso en agua: el dióxido de carbono es el soluto y el agua es el disolvente. La tabla 1 recoge algunos solutos y disolventes y las disoluciones a las que dan lugar.
Tabla 1: Algunos ejemplos de disoluciones Tipo de disolución Ejemplo Soluto Disolvente Disoluciones gaseosas (^) Gas en un gas Aire Oxígeno (gas) Nitrógeno (gas) Disoluciones líquidas Gas en un líquido Agua de soda Amoniaco doméstico^ Dióxido de carbono (gas)Amoniaco (gas) Agua (líqAgua (líq..)) Líquido en un líquido Vinagre Ácido acético (líquido) Agua (líq.) Sólido en un líquido Agua de mar Tintura de yodo^ Cloruro sódico (sólido)Yodo (sólido) Agua (líq.)Alcohol (líq.) Disoluciones sólidas Líquido en un sólido Amalgama dental Mercurio (líquido) Plata (sólido) Sólido en un sólido Bronce Acero Zinc (sólido)Carbono (sólido)^ Cobre (sólido)Hierro (sólido)
moléculas a la disolución, hasta disolverse por completo, es aquí cuando se dice que la solución está sobresaturada.
Cuando una disolución saturada se enfría lentamente se observa un precipitado del soluto y se convierte en una disolución sobresaturada ya que contiene más soluto del que el disolvente es capaz de disolver a esta temperatura (ver figura 6).
Figura 6: Cosificación de la disoluciones según la solubilidad.
Efecto de la temperatura en la solubilidad La solubilidad de la mayoría de los sólidos se incrementa al aumentar la temperatura, lo que significa que generalmente las disoluciones pueden contener más soluto disuelto a mayor temperatura. Solo unas pocas sustancias muestran una variación pequeña de la solubilidad al aumentar la temperatura, y solo unas pocas se hacen menos solubles al aumentar la temperatura ( ver gráfico curva de solubilidad ). Por ejemplo, cuando se añade azúcar al té frío, generalmente aparece un resto de azúcar en el fondo del vaso. Si, en cambio, se le añade azúcar al té caliente, se necesita añadir muchas cucharadas de azúcar antes de que aparezca un residuo de azúcar sin disolver. El té caliente disuelve mucho más azúcar que el té frío porque la solubilidad del azúcar aumenta mucho al incrementarse la temperatura. La solubilidad de los gases en agua disminuye a medida que la temperatura aumenta, ya que a mayor temperatura hay un mayor número de moléculas de gas con la energía suficiente para escapar de la disolución.
Fig.
No saturada
Fiugra 7: Curva de Solubilidad. En agua, la solubilidad de la mayoría de los sólidos aumenta al aumentar la temperatura.
Para interpretar las curvas de solubilidad (ver figura 7), se tiene en cuenta que todos los puntos sobre la curva son datos de solubilidad o disolución saturada. Si se realiza una disminución de la temperatura, la nueva solubilidad se encuentra por encima de la curva (hacia la izquierda) obteniéndose una disolución sobresaturada. En cambio, si se realiza un aumento de la temperatura la nueva solubilidad se encuentra por debajo de la curva (derecha) obteniéndose disoluciones no saturadas (ver figura 8).
Todos hemos visto cómo las burbujas escapan de un refresco con gas a medida que se calienta; al aumentar la temperatura, las botellas de bebidas gaseosas pueden reventar, ya que el número de moléculas de gas que abandona la disolución aumenta, al igual que la presión dentro de la botella. Los biólogos han encontrado que el aumento de la temperatura de los ríos y lagos produce una disminución del nivel de oxígeno disuelto, haciendo que este agua caliente no sea capaz de albergar ninguna comunidad biológica. Precisamente por ello, las centrales eléctricas están obligadas a
Fig.
Fig.
Ejercicio resuelto 5 Factores de los que depende la solubilidad Indicar si la solubilidad de un soluto se incrementará o disminuirá en las siguientes situaciones: a. Al disolver azúcar en agua a 80 °C en lugar de a 25 °C. b. Efecto del calentamiento de un lago sobre el O 2 disuelto. Solución a. El incremento de la temperatura aumenta la solubilidad del azúcar. b. Al incrementarse la temperatura del agua del lago, la solubilidad del O 2 gaseoso se reduce.
Ejercitación sobre concepto de Solubilidad
- La solubilidad del NaNO 3 en agua es de 114 g/100 g de agua a 50 °C. ¿Cuántos gramos de NaNO 3 se necesitan para preparar una disolución saturada con 50 g de agua a 50 °C? Rta : 57 g NaNO 3.
Usar la siguiente tabla para resolver los problemas 2 al 5.
- Empleando la tabla anterior, determinar si las siguientes disoluciones se clasifican como No saturadas o Saturadas a 20 °C:
a) Adición de 25 g de KCl a 100 g de H 2 O b) Adición de 9,5 g de NaNO 3 a 25 g de H 2 O
- Empleando la tabla anterior, determina si las siguientes disoluciones estarán saturadas o no a 50 °C:
a) Adición de 21,5 g de KCl a 50 g de H 2 O b) Adición de 70 g de NaNO 3 a 75 g de H 2 O
- Una disolución contiene 80 g de KCl en 200 g de H 2 O a 50 °C se enfría a 20 °C:
a) ¿Cuántos gramos de KCl permanecen en disolución a 20 °C? Rta : 68g KCl. b) ¿Cuántos gramos de KCl sólido cristalizan al enfriar de 50 ° a 20 °C? Rta : 12 g KCl.
Solubilidad (g/100 g de H 2 O) Sustancia 20 °C 50 °C KCl 34 43 NaNO 3 38 114
- Una disolución contiene 40 g de NaNO 3 en 75 g de H 2 O a 50 °C se enfría a 20 °C: a) ¿Cuántos gramos de NaNO 3 permanecen en disolución a 20 °C? Rta : 28,5 g NaNO 3. b) ¿Cuántos gramos de NaNO 3 sólido cristalizan al enfriar? Rta : 11,5 g NaNO 3.
- El fluoruro de potasio tiene una solubilidad de 92 g de KF en 100 g de H 2 O a 18 °C. Determinar si las siguientes mezclas son disoluciones saturadas o no saturadas a 18 °C: a) 23 g de KF y 25 g de H 2 O b) 42 g de KF y 50 g de H 2 O
- La solubilidad del nitrato de potasio (KNO 3 ):
Si primero disuelvo 77,5 g KNO 3 en 50 g de agua a 78°C. Luego se lo enfría a 25 °C a) ¿Está saturada o no a 78 °C la disolución preparada? b) ¿Cuantos gramos de la oxosal cristalizara a 25 °C? Rta : 58,5 g KNO 3.
EXPRESION DE UNIDADES DE CONCENTRACION DE DISOLUCIONES
UNIDADES FISICAS
Objetivo es utilizar las unidades físicas de concentración expresadas como porcentaje de soluto y emplear la concentración en porcentaje para calcular la cantidad de soluto en disolución.
La concentración de una disolución es la cantidad de soluto disuelta en una determinada cantidad de disolvente. Aunque existen numerosas formas de expresar la concentración, todas ellas se refieren a una cantidad de soluto disuelto en una cantidad determinada de disolución.
Solubilidad (g/100 g de H 2 O) Sustancia 25 °C 78 °C KNO 3 38g 155g
Porcentaje en masa/volumen ( % m/V ) El porcentaje en masa/volumen indica los gramos de una sustancia contenidos en 100 ml de disolución. Por ejemplo, una disolución de glucosa al 5% (m/v) contiene 5 g de glucosa en cada 100 mL de disolución. El volumen de la disolución es, lógicamente, la suma de los volúmenes de glucosa y agua , para el cálculo se debe conocer la densidad del soluto. El porcentaje en masa/volumen ( % m/V ) se calcula dividiendo los gramos de soluto por el volumen (mL) de la disolución y multiplicando el resultado por 100.
El porcentaje en masa/volumen se utiliza muy frecuentemente en hospitales y farmacias para preparar disoluciones intravenosas y medicamentos.
Ejercicio resuelto 7 Calcular la concentración en %m/V Un estudiante ha preparado una disolución disolviendo 5 g de KI en agua necesaria hasta obtener un volumen final de 250 mL de disolución. ¿Cuál es % m/V? 250 mL disolución 5 g KI 100 mL disolución x = 2 % m/V de KI Ejercicio resuelto 8 Cálcular la masa de soluto a partir de las unidades % m/v y % m/m
- La clindamicina al 1% (m/v) es un antibiótico que se administra por vía tópica. ¿Cuántos gramos de clindamicina hay en 60 mL de una disolución al 1 % m/V? Por definición de la unidad, sabemos que 1 g de clindamicina esta disuelta en 100 mL de disolución: 100 mL disolución 1 g clindamicina 60 mL disolución x = 0.60 g clindamicina
- Calcular los gramos de KCl disueltos en 225 g de una disolución de KCl al 8% m/m: Por definición de la unidad, sabemos que 8 g de KCl estan disueltos en 100 g de disolución: 100 g disolución 8 g KCl 225 g disolución x = 18 g KCl. Aclaración : La masa de solvente (H 2 O) se calcula restando a la masa de la disolucion la masa del soluto: mSolvente : 225 g – 18 g = 207 g H 2 O
En el laboratorio la preparación de la disolución se realiza de la sigiente manera: Se utiliza una balanza analitica para pesar el soluto y se le agrega agua hasta alcanzar el volumen desado de disolución.
Material utilizado: vaso de precipitado de vidrio, una espatula, embudo, papel, un pizeta que contiene agua. Matraz aforado. Balanza analitica. Técnica operatoria: Se procede a pesar el vaso de precipitado vacio, limpio y seco. Conocida la masa del recipiente se le agrega la masa de soluto necesaria, luego se procede a trasvasar la masa de soluto al matraz aforado de volumen conocido y se agrega agua con la pizeta hasta alcanzar el volumen exacto de la disolucion deseada.
Porcentaje en volumen ( % v/v ) El porcentaje en volumen indica el volumen de soluto que hay en 100 mL de disolución. Por ejemplo, en una botella de vino, una etiqueta que indica un contenido en alcohol del 12% (v/v) significa que hay 12 mL de alcohol por cada 100 mL de vino. Como los volúmenes de los gases y de los líquidos se pueden medir fácilmente, las concentraciones de sus disoluciones se suelen expresar como porcentaje en volumen ( % v/v ). Las unidades de volumen empleadas deben ser las mismas tanto en el numerador como en el denominador.
Ejercicio resuelto 9 Porcentaje en volumen ( % v/v ) ¿Qué %v/V tendra una disolución al disolver 80 mL de metanol (alcohol de quemar) en 800 mL de agua? Suponer que los volumnes son aditivos. Solución: Volumen de disolucion: 80 + 800 = 880 mL 880 mL disolución 80 mL metanol 100 mL disolución x = 9,09 mL = 9,09 % v/V
8 g de KI Disolución de KI 2% m/V
