Aula 1 - Água, pH e Tampões

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