Água - Estrutura e Propriedades Físico-Químicas Estudo da Água Água - Estrutura e Propriedades Físico-Químicas quimicanoturno2007@hotmail.com

19 /08/2009 UNIDADE II. Estudo da água. 2.1. Definição; 2.2. Propriedades físicas e mudanças de estado da água; 2.3. Estrutura da água e do gelo; 2.4. Interação água-soluto; 2.5. Miscibilidade da água; 2.6. A água nos alimentos; - Água livre; - Água ligada; - Atividade de água (conceito, importância, métodos de determinação); - Isotermas.

Conceito- é a substância que se encontra em maior quantidade no interior da célula. É considerada um solvente universal, atuando como dispersante de inúmeros compostos orgânicos e inorgânicos das células.   •Origem- quanto à origem, a água do organismo pode ser:          Endógena - Aquela proveniente das reações químicas que ocorrem no próprio organismo, com liberação de água.   Ex: água liberada durante a síntese de proteínas, polissacarídeos, lipídios e ácidos nucléicos e, ainda, no final da respiração celular.   

Exógena - Aquela proveniente da ingestão Exógena - Aquela proveniente da ingestão.  Ex: água contida nos alimentos ingeridos. Quantidade- a taxa de água de um organismo varia em função de três fatores básicos: atividade de tecido ou órgão, idade do organismo e Espécie estudada. •Atividade : Normalmente, quanto maior a atividade metabólica de um tecido, maior é a taxa de água que nele se encontra.  

Órgão  Porcentagem de água  Encéfalo de embrião  92,0%  Músculos   83,0%  Pulmões    70,0%  Rins    60,8%  Ossos  48,2%  Dentina   12,0%   

Idade: Geralmente, a taxa de água decresce com o aumento da idade Idade: Geralmente, a taxa de água decresce com o aumento da idade. Assim, um feto humano de três meses tem 94% de água e um recém-nascido tem aproximadamente 69%.   •Espécie: No homem, a água representa 65% do peso do corpo; em certos fungos, 83% do peso é de água; já nas medusas (águas-vivas) encontramos 98% de água.

Os organismos mais "desidratados" são as sementes e os esporos de vegetais (10 a 20% de água). Sabemos, no entanto, que eles estão em estado de vida latente, somente voltando à atividade se a disponibilidade de água aumentar. •Nota - 0 teor de água num organismo desenvolvido não pode variar muito, sob pena de acarretar a morte. Calcula-se que nos mamíferos uma desidratação de mais de 10% já é fatal.

Veremos mais tarde que os organismos terrestres, já que estão constantemente sujeitos a perdas de água, desenvolveram mecanismos sofisticados que reduzem essas perdas ao mínimo.   Propriedades- a água é muito importante sob o ponto de vista biológico, devido às suas propriedades físico-químicas. Dentre elas, pode-se citar:  

Calor específico: muito alto, Atua no equilíbrio da temperatura dentro da célula, impedindo mudanças bruscas de temperatura, que afetam o metabolismo celular.   Poder de dissolução: muito grande. É, por isso, considerada o solvente universal. Essa propriedade é muito importante, pois todas as reações químicas celulares ocorrem em solução..

Além disso, a água é importante meio de transporte de substâncias dentro e fora das células.        >Tensão superficial: grande. Moléculas com cargas aderem fortemente às moléculas de água, o que permite a manutenção da estabilidade coloidal Funções      •Solvente universal - Atua como dissolvente da maioria das substâncias celulares. É o líquido em que estão dispersas as partículas do colóide celular, que estudaremos mais adiante. É fundamental para as reações químicas que ocorrem no organismo.  Ex: participa das reações de hidrólise na matéria viva. 

Transporta substâncias dentro ou fora da células Transporta substâncias dentro ou fora da células.      •É uma via de excreção, ou seja, arrasta para fora do corpo as substâncias nocivas produzidas pelo indivíduo, assim como as que estão em excesso.   •Termorregulação: é importante fator de termorregulação dos seres vivos. 0 calor específico da água (ou seja, número de calorias necessárias para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5'C para (15,5'C) é o valor mais alto entre os solventes comuns, ou seja, igual a 1.

Quanto maior o calor específico maior a capacidade de absorver ou liberar calor sem mudar a temperatura. Graças a isso, a água contida nos organismos vivos conserva, praticamente, constante a temperatura de tais organismos em relação ao seu ambiente. Devido a tal propriedade, provavelmente, os oceanos terem sido o meio ideal para a origem da vida e para a evolução das formas mais primitivas de seres vivos.  

A água tem uma estrutura molecular simples. Ela é composta de um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. O oxigênio tem 4 pares de elétrons em torno do átomo de oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes com o hidrogênio e dois pares não-compartilhados no outro lado do átomo de oxigênio. O átomo de oxigênio é mais "eletronegativo" que o átomo de hidrogênio, ou seja, tem mais "afinidade" pelos elétrons.

A água é uma molécula "polar", A habilidade dos íons e de certas moléculas de se dissolver na água é devida à polaridade. Ex.:

Várias propriedades peculiares da água são devidas às pontes de hidrogênio. Ex.:O gelo flutua as ligações hidrogênio mantêm as moléculas de água mais afastadas no sólido do que no líquido, onde há uma ligação hidrogênio a menos por molécula; Elevado calor de vaporização; Uma forte tensão superficial; Um alto calor específico e Propriedades solventes quase universais.

O efeito hidrofóbico, ou seja, a exclusão de compostos contendo carbono e hidrogênio (compostos apolares), é outra propriedade da água causada pelas ligações hidrogênio. Obs.: O efeito hidrofóbico é particularmente importante na formação das membranas celulares.

Propriedades Incomuns Água Características Abundância Importância em seres vivos Propriedades comuns cor,odor,sabor,estado físico Propriedades Incomuns Pontos de fusão, ebulição, calor específico Produtos de ionização Solvente

Interação entre as moléculas Água Interação entre as moléculas Pontes de hidrogênio Interações eletrostáticas

Propriedades Interação com solutos Carregados; Cristalinos ; Apolares Água Propriedades Interação com solutos Carregados; Cristalinos ; Apolares

Água Propriedades Interação com solutos Anfipáticos

Água Ionização Constante de equilíbrio Produto iônico da água

Autodissociação da água e a escala de pH. O poder solvente da água exerce um papel fundamental nos processos biológicos devido as suas propriedades ácido-base. O grau de dissociação da água em íons hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-) é determinante das propriedades ácido-base nos sistemas biológicos.

O comportamento bioquímico de muitos compostos depende de suas propriedades ácido-básicas. Arrhenius.  ácido - libera H+ e base – libera - OH - Lowry-Brönsted  base - receptor de próton – :NH3 [ (CH3)- >(NH2)- > HO- > NH3 > HS- > F- ] ácido - doador de próton. [CH4 < NH3 < H2O < NH4+ < H2S < HF < HCl ]

Lewis  ácido - aceita par de elétrons - espécies com orbitais de valência vazios; base – doador de par de elétrons – espécies com elétrons de valência não ligantes pH suco de limão 2,2 – 2,4 urina humana 4,8 – 8,4 vinho 2,8 – 3,8 leite de vaca 6,3 – 6,6 vinagre 3,0 saliva humana 6,5 – 7,5 suco de tomate 3,5 água potável 6,5 – 8,0 cerveja 4 – 5 sangue humano 7,3 – 7,5 queijo 4,8 – 6,4 água do mar 8,3

Água Ionização Escala de pH

Ionização Constantes de dissociação Curvas de titulação Conceito de pK Água Ionização Constantes de dissociação Curvas de titulação Conceito de pK

 TAMPÕES  Uma solução tampão é formada por um ácido fraco e sua base conjugada ou vice-versa. HA + A- = Tampão  a adição de pequenas quantidades de H+ serão neutralizadas por A- e ou de OH- pelo H+ do HA, mantendo o pH constante. [A-]/[HA] = 10 a [A-]/[HA] = 0,1 o tampão funcionará.

Em termos de pH e pKa temos: pH = pKa + 1 a pH = pKa – 1, é o intervalo denominado faixa tamponamento do par ácido fraco-base conjugada. Para CH3COOH, o pKa é 4,74. A faixa tamponante é de 3,74 a 5,74. O poder tamponante vai depender das concentrações do par ácido-base conjugada.

Se tem concentração relativa próxima às variações (adição de H+ ou OH-) que o tampão poderá sofre, este não funcionará. Por tanto, um tampão deverá ter concentrações relativas do par ácido-base conjugada, pelo menos 10 vezes maior que as variações que poderá sofrer. Se a concentração do ácido (doador de prótons) for igual à sua base conjugada, o pH resultante do tampão será igual ao pKa.

[H+] = Ka [A-]base conjugada /[HA]ácido fraco, terá a mesma eficiência de neutralização de ácido ou base. Se a concentração do ácido for maior, o pH do tampão será menor que o pKa e será mais eficiente para neutralização de base. Se a concentração do ácido for menor, o pH do tampão será maior que o pKa e será mais eficiente para neutralização de ácido.  

Água Tampões Faixa de tamponamento

Tampões Tampões de importância biológica Proteínas Sistema bicarbonato Água Tampões Tampões de importância biológica Proteínas Sistema bicarbonato

Atividade de Água vs Umidade Umidade - Valor quantitativo de água em uma amostra em base seca ou base úmida. Depende da quantidade de amostra. Atividade de Água - Medida do estado de energia da água em um sistema (Qualitativo). Não depende da quantidade de material. Atividade de Água fornece informação sobre: • Crescimento microbiano; • Migração da Água • Estabilidade Química e Bioquímica

Propriedades de ligação da água • Efeitos coligativos ou interação de solutos • Efeito matricial ou interação de superfície • Efeitos capilares A combinação destes fatores no alimento reduz a energia de sua água em comparação com a água pura.

Atividade de água - Limite de solubilidade para solutos comuns

Atividade de água de soluções de NaCl a 25°C

aa limite para crescimento microbiano • Leveduras osmóticas ~ 0.60 •Levedura ~ 0.88 • Bolores ~ 0.70 • Bactéria ~ 0.91

Estabilidade química e bioquímica • Escurecimento não enzímico • Oxidação lipídica • Degradação de nutrientes • Reações enzímicas aa influencia velocidades de reações: Água atua como: • solvente; • reagente • modifica a mobilidade dos reagentes (viscosidade)

Escurecimento não enzimíco • Reações de Maillard: complexa série de reações. • Forma componentes heterocíclicos nitrogenados com cor • Perda máxima de nitrogênio amino ocorre a aa 0.65-0.70 • Perda reduzida a alta e baixa aa

O excesso de umidade nos grãos representa um dos fatores que resultam na perda do produto, devido à sua associação a outros, como temperatura e o próprio grão, proporcionando substrato ideal à proliferação microbiana. Os macro e micro nutrientes, que compõem os produtos destinados à alimentação humana e animal, dependem da presença de água, que confere textura, disponibilidade orgânica, palatabilidade, estabilidade e maior peso. Entretanto, esta água pode ser o principal fator intrínseco na decomposição do produto.

A melhor medida da concentração de água, em termos de propriedades físico-químicas, nos produtos, refere-se à medição de sua atividade (aa), ou seja, medição do teor de água livre no produto. A água pode ocorrer como água ligada e água livre, resultando em conteúdo total de água (umidade). Podendo-se apresentar-se intimamente ligada às moléculas constituintes do produto, não podendo ser removida ou utilizada para qualquer tipo de reação, onde o metabolismo dos microorganismos é paralisado, não havendo desenvolvimento ou reprodução;

ou pode encontrar-se livre, estando disponível para as reações físicas (evaporação), químicas (escurecimento) e microbiológicas, tornando-se a principal responsável pela deterioração do produto. A velocidade das reações químicas, desejáveis ou não, depende da mobilidade e concentração dos compostos e enzimas envolvidos, que são conferidas pela quantidade de água livre.

A determinação da atividade de água, permite a inibição da reprodução microbiana, reações enzimáticas, oxidativas e hidrolíticas do produto, assegurando embalagem e condições de armazenamento adequados, valorizando o produto, economicamente. O produto com atividade de água estabelecida pode apresentar maior qualidade e rendimento, melhor preservação e tempo de vida determinado com maior rigor.     

A diferença entre umidade e presença de atividade de água num produto pode ser evidenciada através de uma força motriz, presente no produto, que proporciona o transporte da água livre de um ponto de atividade de água mais intensa, para outro ponto em que a atividade de água seja reduzida, O comportamento microbiano frente à aa é extremamente variável, sendo que as bactérias são mais exigentes, quanto à disponibilidade de água livre, em relação aos fungos e leveduras.

Os substratos com aa inferior a 0,600 estão assegurados quanto à contaminação microbiana. Alimentos com alto teor de lipídeos, que apresentam atividade de água na faixa de 0,300 a 0,400 são mais estáveis à oxidação química e microbiana. A partir de aa 0,650 começa a ocorrer a proliferação de microrganismos específicos, sendo que, até aa 0,750, somente algumas bactérias halofílicas (de desenvolvimento em terrenos salgados), leveduras osmofílicas e fungos xerofílicos (de desenvolvimento em ambientes secos) podem se desenvolver.