Biology capitulo3- El agua y la aptitud que provee el ambiente para la vida

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BiologyEighth Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp

Capítulo 3Capítulo 3

El agua y la aptitud que provee al ambiente para la vida

Al finalizar el capítulo debes:

1. Enumerar y explicar las cuatro propiedades del agua que surgen de los enlaces de hidrógeno que puede formar esta molécula.

2. Distinguir entre los siguientes términos: sustancias hidrófilas e hidrófobas; un soluto, un solvente, y una solución

3. Definir acido, base, y pH

4. Enumerar las amenazas principales a la calidad del agua en el planeta


Fig. 3-1

• El agua es el que sostiene la vida (medio biológico) en la Tierra

•Todos los organismos la requieren más que cualquier otra sustancia

•La mayoría de las células están rodeadas de agua y a su vez las células son de 70–95% agua

La principal razón por la cual la Tierra es habitable es la abundancia de agua

Panorama: La molécula que sostiene la vida

Concepto 3.1: La polaridad de las moléculas de agua produce enlaces de hidrógeno

• La molécula de agua es una molécula polar: Extremos opuestos tienen cargas opuestas

• La polaridad permite que las moléculas de agua formen enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua

Animation: Water StructureAnimation: Water Structure


Fig. 3-2

Hydrogenbond

–H

+H

O

——

——

++

+

–

–

–

Fig. 3-UN1

1. ¿Qué es electronegatividad y cómo afecta las interacciones de las moléculas de agua?

2. ¿Por qué no es probable que dos moléculas de agua se arreglen como aparecen en la figura de abajo?

Trabajo de grupo

3. ¿Cuál sería el efecto en las propiedades del agua si el hidrógeno y el oxígeno tuvieran la misma electronegatividad?

Concepto 3.2: Cuatro propiedades del agua que contribuyen a la aptitud que tiene la Tierra para la vida

• Cuatro propiedades del agua que facilitan un ambiente propicio para la vida:

– Muestra Cohesión

– Habilidad para moderar la temperatura

– Al congelarse se expande

– Versatilidad como solvente


Cohesión

• Colectivamente, los enlaces de hidrógeno mantienen las moléculas de agua juntas. Este fenómeno se llama cohesión

• La cohesión ayuda a transportar agua en las plantas en contra de la gravedad

• Adhesión es la atracción entre diferentes sustancias, por ejemplo, entre el agua y la pared celular de las plantas

Animation: Water TransportAnimation: Water Transport


Fig. 3-3

Water-conductingcells

Adhesion

Cohesion150 µm

Directionof watermovement

Fig. 3-4

Tensión superficial es una medida de cuán difícil es romper la superficie de un líquido

La tensión superficial esta relacionada con la cohesión

Moderación de la temperatura

• El agua absorbe calor de aire más caliente y libera calor almacenado hacia el aire más frío

• El agua puede absorber o liberar una gran cantidad de calor con solamente un leve cambio de su propia temperatura


Calor y temperatura

• Energía cinética es la energía de movimiento

• Calor es la medida de la cantidad total de energía cinética debido al movimiento de las moléculas

• Temperatura mide la intensidad del calor debido al promedio de average energía cinética de las moléculas


• La escala Celsius es una medida de temperatura usando grados Celsius (°C)

• Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesario para subir la temperatura de un 1 g de agua un 1°C

• Las “calorías” en los empaques de alimentos son kilocalorías (kcal), donde 1 kcal = 1,000 cal

• Un joule (J) es otra medida de energía, donde 1 J = 0.239 cal, o 1 cal = 4.184 J


Eliezer Rovira

1 caloría son muchos joules. Por eso 1 joule es una parte de una caloría

El calor específico del agua

• El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor que se tiene que absorber o perder para que un 1 g de esa sustancia cambie tu temperatura 1ºC

• El calor específico del agua es 1 cal/g/ºC

• El agua resiste los cambios de su temperatura por su alto calor específico


• El alto calor específico del agua se debe a los enlaces de hidrógeno

– Se absorbe calor cuando se rompen enlaces de hidrógeno

– Se libera calor cuando se forman enlaces de hidrógeno

• El alto calor específico del agua minimiza las fluctuaciones en la temperatura a limites que sostienen la vida


Fig. 3-5

San Diego 72°

40 miles

Pacific Ocean

70s (°F)80s90s100s

Santa Barbara 73°

Los Angeles(Airport) 75°

Burbank90°

San Bernardino100°

Riverside 96°Santa Ana

84° Palm Springs106°

Enfriamiento que provee la evaporación

• Evaporación es la transformación de una sustancia de líquido a gas

• Calor de vaporización es el calor que un líquido tiene que absorber para que 1 g se convierta a gas

• Según un líquido se evapora, la superficie que queda se enfría. Este proceso se llama enfriamiento a través de evaporación.

• El efecto de enfriamiento a través de evaporación del agua ayuda a estabilizar las temperaturas de los organismo y de los cuerpos de agua


Hielo sobre los cuerpos de agua actúa como un aislante

• El hielo flota sobre agua líquida porque sus enlaces de hidrógeno tiene más “orden”, lo cual hace al hielo menos denso

• El agua alcanza su mayor densidad a 4°C

• Si el hielo se hundiera, todos los cuerpos de agua eventualmente se congelarían y la vida sería imposible en la Tierra


Fig. 3-UN4

Liquid water:transient hydrogenbonds

Ice: stable hydro-gen bonds

Fig. 3-6

Hydrogenbond

Liquid waterHydrogen bonds break and re-form

IceHydrogen bonds are stable

El solvente de la vida

• Una solución es un líquido que contiene una mezcla homogénea de sustancias

• Un solvente es el agente donde se disuelve una solución

• El soluto es la sustancia que se disuelve

• Una solución acuosa es una en donde el agua es el solvente


• El agua es un solvente versátil por su polaridad, la cual permite que se formen enlaces de hidrógeno fácilmente

• Cuando un compuesto iónico se disuelve en agua, cada ión será rodeado por una esfera de moléculas de agua llamada la capa de hidración


Fig. 3-7

Cl–

Na

Cl–

+

+

+

++

+

++

––

––

––

––

Na+

––

–

+

• El agua también puede disolver compuestos hechos de moléculas polares no-iónicas

• Aún las moléculas grandes y polares como las proteínas se pueden disolver en agua si tienen regiones polares o iónicas


Fig. 3-8

(a) Lysozyme molecule in a nonaqueous environment

(b) Lysozyme molecule (purple) in an aqueousenvironment

(c) Ionic and polar regionson the protein’s surfaceattract water molecules.

Sustancias hidrófilas e hidrófugas

• Una sustancia hidrófila es aquella que tiene afinidad con el agua

• Una sustancia hidrófuga es aquella que no tiene afinidad con el agua

• Moléculas de aceite son hidrófugas porque tienen enlaces no-polares

• Un coloide es una suspensión estable de partículas finas en un líquido


Concentración de soluto en soluciones acuosas

• La mayoría de las reacciones bioquímicas ocurren en agua

• Las reacciones químicas dependen del choque de las moléculas y por lo tanto de la concentración del soluto en una solución acuosa


Concepto 3.3: Ácidos y bases afectan los organismos

• Un átomo de hidrógeno de un enlace de hidrógeno entre dos moléculas de agua puede cambiar:

– El átomo de hidrógeno puede dejar su electrón y ser transferido como un protón, ión de hidrógeno (H+)

– La molécula que contiene el protón extra ahora es ión de hidronio (H3 O+), aunque usualmente lo escribimos como H+

– La molécula que perdió el protón es ahora un ión de hidróxido (OH–)


Fig. 3-UN2

Hydroniumion (H3 O+)

Hydroxideion (OH–)

2H2 O

H

HH

H

H

HH

H

OOOO

• El agua está en un equilibrio dinámico en donde las moléculas de agua se disocian a la misma tasa que se vuelven a formar


• La disociación de las moléculas de agua tiene un efecto en los organismos

• Cambios en las concentraciones de H+ y OH–

pueden afectar la química de una célula


Efectos en los cambios de pH

• Las concentraciones de H+ y OH– son iguales en agua pura

• Si añadimos ciertos solutos, llamados ácidos o bases, se modificaran las concentraciones de H+ y OH–

• Usamos la escala de pH para describir si una solución es ácida o básica


Ácidos y Bases

• un ácido es cualquier sustancia que aumenta la concentración de H+ de una solución

• una base es cualquier sustancia que reduce la concentración de H+ de una solución


Fig. 3-UN5

Bases donate OH–

or accept H+ inaqueous solutions

Acids donate H+ inaqueous solutions

Acidic[H+] > [OH–]

Neutral[H+] = [OH–]

Basic[H+] < [OH–]

14

7

0

Fig. 3-9

Neutralsolution

Acidicsolution

Basicsolution

OH–

OH–OH–

OH–

OH–OH–OH–H+

H+

H+

OH–

H+ H+

H+ H+

OH–

OH–

OH–OH–

H+OH–

H+H+

H+

H+H+

H+

H+OH–

Neutral[H+] = [OH–]

Incr

easi

ngly

Aci

dic

[H+ ]

>[O

H– ]

In

crea

sing

ly B

asic

[H+ ]

<[O

H– ]

pH Scale0

1

2

3

4

5

6

7

8

Battery acid

Gastric juice,lemon juice

Vinegar, beer,wine, cola

Tomato juice

Black coffee

RainwaterUrine

SalivaPure waterHuman blood, tearsSeawater

9

10Milk of magnesia

Household ammonia

Householdbleach

Oven cleaner

11

12

13

14

Mayoría de las

soluciones biológicas

Amortiguadores (buffers)

• El ambiente interno de la mayoría de las células se mantiene cerca a un pH 7

• Amortiguadores son sustancias que minimizan los cambios en concentraciones de H+ y OH– en una solución


Amenazas a la calidad del agua en la Tierra

• Lluvia ácida puede ser lluvia, nieve, o neblina con un pH menor de 5.6

• Lluvia ácida es causada por la mezcla de diferentes contaminantes con el agua en el aire y esta puede caer lejos de su fuente

• Lluvia ácida daña la vida en los cuerpos de agua

• Los efectos de la lluvia ácida en la química de los suelos ha contribuido a la disminución de ciertos bosques


Fig. 3-10

Moreacidic

0

AcidrainAcidrain

Normalrain

Morebasic

123456789

1011121314

• Actividades humanas, como la quema de combustible fósil amenaza la calidad del agua

• CO2 es liberado por la quema de combustible fósil y contribuye a:

– Un calentamiento de la tierra llamado efecto de invernadero (“greenhouse” effect)

– Acidificación de los océanos; esto lleva a que los corales no puedan formar colares calcificados


Fig. 3-11a

EXPERIMENT

Fig. 3-11b

Cal

cific

atio

n ra

te(m

mol

CaC

O3

per m

2pe

r day

) 40

20

0300150 200 250

[CO32–] (µmol/kg)

RESULTS

Fig. 3-UN7

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