(21) [AGUA y SALES MINERALES] 🧿▶ Biología (SELECTIVIDAD) Andalucía. 2º Bachillerato

Propiedades fisicoquímicas del agua

Alto poder disolvente

El agua se presenta como una molécula polar, estando compuesta por un átomo de oxígeno con carga parcial negativa y dos átomos de hidrógeno con cargas parciales positivas. Esta configuración polar permite que el agua actúe como un disolvente excepcionalmente eficaz, capaz de descomponer iones y moléculas polares. Este fenómeno, conocido como disolución, facilita el transporte de nutrientes y desechos en los organismos vivos, siendo fundamental para procesos biológicos esenciales como la digestión y la excreción.

• Ejemplos:

  • Sodio (Na+): Se disuelve fácilmente en agua, permitiendo su transporte en sistemas biológicos.

  • Cloruro (Cl-): También se disuelve en agua, desempeñando un papel crucial en la fisiología animal.

Alta reactividad química

El agua tiene la capacidad de disociarse en iones hidroxilo (OH-) y iones de hidrógeno (H+), lo que le permite participar activamente como reactivo o producto en diversas reacciones químicas. Esto incluye la neutralización de ácidos, como el ácido clorhídrico (HCl), y de bases, como el hidróxido de sodio (NaOH). Esta propiedad es fundamental para la regulación del pH en los organismos vivos, así como para la interacción y las reacciones de oxidación-reducción que son críticas para el metabolismo celular.

• Ejemplos:

  • Ácido clorhídrico (HCl): Su interacción con agua produce iones de hidrógeno y cloruro, fundamental para procesos digestivos.

  • Hidróxido de sodio (NaOH): Se disocia en agua, lo que permite su uso en reacciones de neutralización.

Elevado calor específico

El agua posee un alto calor específico, lo que implica que necesita una notable cantidad de energía para aumentar su temperatura. Este efecto se debe a la ruptura de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Como resultado, el agua puede absorber y almacenar grandes cantidades de calor sin experimentar cambios significativos de temperatura, lo que la convierte en un amortiguador térmico efectivo. Esta propiedad es especialmente relevante en contextos biológicos, donde contribuye a la regulación de la temperatura corporal en animales.

• Ejemplos:

  • Cuando se calientan metal y agua al sol, el metal se calienta más rápidamente debido a que el agua requiere romper sus enlaces de hidrógeno para incrementar su temperatura.

  • En los mamíferos, el agua ayuda a mantener la temperatura corporal constante en ambientes variopintos.

Elevado calor de vaporización

La transición del agua de estado líquido a vapor requiere una cantidad considerable de energía debido a la ruptura de los puentes de hidrógeno que mantienen juntas las moléculas de agua. Este proceso es esencial para las estrategias de regulación térmica en los organismos. Por ejemplo, cuando el agua se evapora de la superficie de un ser vivo, como en el mecanismo de sudoración, extrae energía del organismo, proporcionando un efecto refrigerante.

• Ejemplos:

  • El proceso de sudoración en humanos, que permite regular la temperatura corporal al disipar calor.

  • La evaporación de agua de superficies corporales en animales contribuye a evitar el sobrecalentamiento.

Dilatación anómala del agua

Una de las características más singulares del agua es que el hielo es menos denso que el agua líquida, lo que permite que flote sobre ella. Este fenómeno es vital para la vida acuática, ya que crea una capa aislante en la superficie de los cuerpos acuáticos en situaciones de frío extremo. Gracias a esto, el agua líquida que se encuentra debajo del hielo permanece en estado líquido, proporcionando un hábitat seguro para diversas especies acuáticas durante el invierno.

• Ejemplos:

  • La flotación del hielo sobre el agua, que protege la vida acuática en lagos y ríos durante el invierno.

  • El hábitat que el hielo proporciona a peces y anfibios en condiciones climáticas frías.

Tensión superficial elevada

El agua exhibe una elevada tensión superficial debido a la fuerte cohesión entre sus moléculas, que se atribuye a los enlaces de hidrógeno. Esta propiedad permite que el agua permanezca en estado líquido a temperatura ambiente y facilita fenómenos como la capilaridad. Por lo tanto, algunos organismos pueden beneficiarse de esta propiedad para moverse sobre la superficie del agua sin hundirse.

• Ejemplos:

  • La capacidad de insectos, como los zapateros, de caminar sobre la superficie del agua sin sumergirse.

  • La capilaridad que permite el ascenso del agua en tejidos vegetales.

Fuerza de adhesión elevada

El agua cuenta con una gran capacidad para unirse a otras superficies, lo que contribuye a la capilaridad y es fundamental para el transporte de agua y nutrientes en las plantas. Esta propiedad permite que el agua se eleve contra la gravedad a través del interior de los tejidos vegetales, asegurando así la salud y el desarrollo de las plantas.

• Ejemplos:

  • El ascenso de agua en tallos y raíces de plantas gracias a las interacciones adhesivas del agua.

  • La movilidad de nutrientes a través de las paredes celulares en tejidos vegetales.

Bajo grado de ionización

El agua pura exhibe un pH neutro (7), lo que indica que contiene una cantidad mínima de iones ya que solo una de cada diez millones de moléculas de agua se ioniza. Esta característica es crucial para mantener el equilibrio ácido-base dentro de los organismos vivos, lo que resulta fundamental para el correcto funcionamiento de los procesos metabólicos.

• Ejemplos:

  • La estabilidad del pH en los fluidos corporales de seres vivos, que es crucial para la homeostasis.

  • La interacción de agua ionizada en procesos de metabolismo celular.

Funciones del agua

Transporte de sustancias

El alto poder disolvente del agua es determinante para el transporte efectivo de nutrientes, minerales y desechos dentro de los seres vivos. Esta capacidad es crítica para poder realizar los procesos metabólicos necesarios, puesto que las reacciones químicas requieren que los reactantes estén en estado líquido para interactuar de manera eficiente.

• Ejemplos:

  • El transporte de nutrientes a través del sistema circulatorio en mamíferos.

  • La eliminación de desechos solubles durante la excreción.

Termorregulación

El agua actúa como un amortiguador térmico debido a su alto calor específico y de vaporización. Esto permite que los organismos mantengan una temperatura corporal relativamente constante, absorbiendo o liberando calor de forma gradual, lo que es crucial en ambientes que varían en temperatura.

• Ejemplos:

  • La capacidad de los humanos para regular su temperatura mediante la sudoración.

  • El papel del agua en la temperatura del entorno en ecosistemas acuáticos.

Función bioquímica

El agua es esencial para diversas reacciones metabólicas, incluida la hidrólisis, la cual es crucial para la digestión de macromoléculas. Además, durante el proceso de fotosíntesis, el agua proporciona electrones y protones que son necesarios para la síntesis de moléculas orgánicas, reflejando así su importancia en la producción de energía en organismos fotosintéticos.

• Ejemplos:

  • El papel del agua en la hidrólisis de polisacáridos durante la digestión.

  • La participación del agua en la fotosíntesis en plantas, crucial para la producción de glucosa.

Función estructural

El agua desempeña un papel importante al actuar como un esqueleto hidrostático, proporcionando forma y soporte a células y organismos. En el caso de las plantas, es esencial para mantener la turgencia, lo que les permite mantenerse erectas y evitar marchitez.

• Ejemplos:

  • El efecto positivo del agua sobre la turgencia en las plantas que evita el colapso.

  • La función del agua en las articulaciones de los animales, ayudando a amortiguar impactos.

Sales minerales

Importancia en seres vivos

Las sales minerales son compuestos vitales que se encuentran en todos los seres vivos, ya sea formando parte de estructuras sólidas, como huesos y dientes, o disueltas en medios biológicos. Estas sales existen en distintas formas, como iones disueltos en fluidos corporales o formando estructuras sólidas.

• Ejemplos:

  • Fosfato cálcico: Se encuentra en los huesos de los mamíferos.

  • Carbonato cálcico: Componente esencial en dientes y conchas de ciertos organismos.

Funciones de las sales minerales

Las sales minerales tienen varias funciones clave en los organismos vivos, que incluyen la regulación del pH, el mantenimiento de la presión osmótica, el soporte estructural y su participación en procesos bioquímicos.

• Ejemplos:

  • Regulación del pH: Mantener un pH constante a través de sistemas tampón.

  • Presión osmótica: Impacto en el volumen celular mediante la regulación de movimientos de agua.

  • Estructural: Componente esencial en huesos, dientes y conchas.

  • Bioquímica: Iones de sales minerales, como el calcio y el magnesio, que actúan en reacciones metabólicas críticas.

Ejemplos de iones y sus funciones

Diversos iones desempeñan roles cruciales en la fisiología y metabolismo de los organismos.

Diversos iones desempeñan roles cruciales en la fisiología y metabolismo de los organismos.Ejemplos:

• Calcio: Fundamental en la coagulación de la sangre y la contracción muscular.

• Sodio: Clave para la transmisión de impulsos nerviosos y el equilibrio de líquidos.

• Potasio: Regula las contracciones musculares y funciones cardíacas.

• Magnesio: Componente esencial de la clorofila en plantas, lo que permite la fotosíntesis al absorber luz y convertirla en energía, además de ser regulador de procesos metabólicos.

• Hierro: Esencial para la formación de hemoglobina en los glóbulos rojos, facilitando el transporte de oxígeno por el organismo.

Función Homeostatica

Mantiene el equilibrio interno del organismo, regulando variables como la temperatura, el pH y la concentración de sales minerales, lo que es vital para el funcionamiento óptimo de las células y los órganos.

Sistema Tampón

El tampón fosfato es el principal sistema tampón dentro de las células, esencial para regular el pH intracelular, garantizando un ambiente propicio para las reacciones bioquímicas.

1. Equilibrios Químicos:

• Disociación del ácido fosfórico:H₃PO₄ ↔ 3H⁺ + PO₄³⁻

• Disociación del fosfato de sodio:Na₃PO₄ ↔ 3Na⁺ + PO₄³⁻

2. Mecanismo de Acción:

• Al añadir un ácido:

  • Los iones H⁺ del ácido se combinan con PO₄³⁻ formando H₃PO₄.

  • Desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda, consumiendo H⁺ y evitando que el pH disminuya notablemente.

  • Disociación de Na₃PO₄ proporciona más PO₄³⁻.

• Al añadir una base:

  • La base consume H⁺, aumentando el pH.

  • H₃PO₄ se disocia, liberando más H⁺, desplazando el equilibrio hacia la derecha.

  • Na₃PO₄ se disocia también, liberando más PO₄³⁻ para restaurar el equilibrio.

Regulación de la Presión Osmótica

La regulación de la presión osmótica es fundamental para mantener la homeostasis celular, permitiendo que las células mantengan un equilibrio adecuado de agua y solutos. Esto se logra a través de mecanismos como la ósmosis y el transporte activo, donde las células ajustan la concentración de solutos internos en respuesta a cambios en el entorno.

• Importancia:

  • Es crucial para mantener la homeostasis en las células, regulando el equilibrio de fluidos y electrolitos.

  • Ejemplo: En las células animales, la presión osmótica ayuda a prevenir la deshidratación al retener agua, mientras que en las células vegetales, contribuye a mantener la turgencia, lo cual es esencial para la estructura y función de la planta.

  • En organismos acuáticos, la presión osmótica también juega un papel fundamental en la adaptación a diferentes ambientes, permitiendo a los organismos regular su volumen celular y la concentración de sales.

La Membrana Plasmática y el Equilibrio Osmótico

• Función:

  • Actúa como barrera semipermeable, permitiendo el paso de algunas sustancias y restringiendo otras.

  • Mantiene el equilibrio osmótico con el líquido tisular, esencial para el funcionamiento celular.

• Efectos de Diferentes Concentraciones:

  • Medio Isotónico:

    • Concentración de solutos igual dentro y fuera de la célula.

    • No hay cambio en el volumen celular; no hay flujo neto de agua.

  • Medio Hipertónico:

    • Concentración de solutos mayor en el exterior.

    • Agua sale de la célula, causando deshidratación y posible muerte (plasmólisis).

  • Medio Hipotónico:

    • Concentración de solutos menor en el exterior.

    • Agua entra en la célula, provocando hinchazón; puede estallar sin pared celular rígida (turgencia).

Disolución

La disolución es un proceso mediante el cual un soluto (sólido, líquido o gas) se dispersa de manera uniforme en un disolvente, formando una mezcla homogénea. Este proceso depende de la polaridad de las moléculas del soluto y el disolvente.

• Ejemplo: el agua, siendo un disolvente polar, disuelve compuestos iónicos como el cloruro de sodio (NaCl).

Dispersión Coloidal

Las dispersiones coloidales son sistemas en los que partículas muy finas (coloidales) están distribuidas en un medio (líquido o sólido), pero no se disuelven completamente. Las partículas coloidales son más grandes que las moléculas de un soluto en una disolución, pero suficientemente pequeñas para permanecer suspendidas y no sedimentar. Mezcla heterogenea.

• Ejemplo: dispersión coloidal en la leche, donde las grasas están dispersas en agua o la sangre ya que tiene moleculas de todos los tamaños.

Difusión

Repartición homogenea en las moleculas de un fluido. Iguala concentraciones. Este fenómeno puede ocurrir en líquidos, gases y sólidos, y es una fuerza impulsora detrás de muchos procesos biológicos.

• La difusión en estado sol y estado gel se refiere a los diferentes comportamientos de las partículas en dos tipos de sistemas coloidales.

  • Estado Sol: En un estado sol, el medio (dispersante) es líquido y las partículas sólidas (dispersas) están finamente distribuidas en él. Las partículas en un sol son pequeñas y están en movimiento, lo que permite una difusión activa.

    • Ejemplo: La gelatina antes de que se solidifique, donde las moléculas de agua permiten que las partículas se muevan libremente.

    • Características: Alta movilidad de partículas, permite el paso de otras sustancias y se pueden mezclar fácilmente.

  • Estado Gel: En un estado gel, el sistema coloidal presenta una red tridimensional que atrapa el líquido, lo que provoca que el medio se vuelva más viscoso y rígido. La difusión es más limitada debido a la estructura más densa que impide el movimiento libre de las partículas.

    • Ejemplo: Gelatina después de haber solidificado, donde las moléculas están atrapadas en una red que limita la difusión de nuevos solutos.

    • Características: Menor movilidad de partículas, resistencia mayor a la dispersión de otras sustancias y comportamiento más estable.

  Resumen: La difusión es más eficiente en estado sol debido a la libertad de movimiento de las partículas, mientras que en estado gel, la estructura densa limita este proceso, afectando la mezcla y la integración de nuevos solutos en el sistema

Separación de Diálisis

La diálisis es un proceso que utiliza una membrana semipermeable para separar moléculas en función de su tamaño y permite la difusión de solutos entre dos soluciones diferentes.

• Aplicaciones: Utilizada en procesos de laboratorio para purificar compuestos, separación de mezclas y estudios de difusividad.

• Ejemplo: Diálisis en sistemas biológicos, como el desplazamiento de iones a través de membranas celulares.

• Hemodiálisis: es un tipo específico de diálisis que se utiliza para eliminar desechos y exceso de líquido de la sangre en pacientes con insuficiencia renal.

  • Proceso: La sangre se extrae del cuerpo, se filtra en una máquina de diálisis a través de una membrana semipermeable y se devuelve al cuerpo.

  • Importancia:

    • Crucial para el equilibrio de electrolitos y eliminación de toxinas.

    • Mejora la calidad de vida de los pacientes.

    • Permite a pacientes con insuficiencia renal vivir más tiempo mientras esperan un trasplante.

    • Previene complicaciones como hipertensión y enfermedades cardiovasculares.

  • Ejemplo: se separa a urea (baja masa molecular) de la sangre sin alterar las proteinas sanguineas (alta masa molecular).

Conclusión

Las propiedades fisicoquímicas del agua son fundamentales para la existencia de la vida, respaldando funciones vitales como el transporte de sustancias y la termorregulación. Las sales minerales son cruciales para la realización de funciones biológicas esenciales, desde el mantenimiento de la estructura celular hasta la regulación del pH en los organismos.