Interacción del agua con los iones y grupos iónicos.

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Desde tiempos inmemoriales, la preservación de los alimentos ha sido un tema de suma importancia para asegurar la supervivencia de la raza humana. Todos nuestros ancestros de una forma u otra han encontrado métodos distintos para poder lograr que sus alimentos tengan mayor duración y soporten los cambios de temperatura propios del cambio de estación. Desde secar la carne al sol y salarla hasta procesos mucho más elaborados como el encurtido y envasado al vacío que hacían nuestras abuelas para poder aprovechar los vegetales y frutas antes de que se echen a perder. Sin embargo, todas esas prácticas efectivas pero empíricas no tenían un fundamento científico real en ese entonces. Hoy por hoy sabemos que el agua juega un rol crucial en la preservación de alimentos, ya que más allá de ser el solvente universal y medio para distintas reacciones, el agua es una molécula directamente relacionada al desarrollo de la vida. Por ello, un alimento rico en agua será un alimento con menor tiempo de vida, debido a que el agua que contiene es medio propicio para el desarrollo de microorganismos.

Por otro lado, conocemos que la molécula del agua tiene una forma angular particular que le brinda esas propiedades tan especiales, sin mencionar las interacciones intermoleculares por puente de hidrógeno que permiten ese orden peculiar del agua, dándole una estructura ordenada tanto en el estado sólido como en el líquido.  Tomando eso en cuenta, es posible entonces pensar que cualquier interacción adicional que dicha molécula tenga con otras, propiciará un cambio significativo en su estructura y por ello una variación de sus propiedades, las cuales pueden ser favorables o perjudiciales para el producto alimenticio en el que se encuentra.

En soluciones salinas los electrones que se encuentran en orbitales libres de los cationes formarán con la molécula del agua, complejos. Es decir, moléculas de agua se coordinarán mediante sus puentes de hidrógeno formando capas de hidratación que rodean al catión y por lo tanto modifican la estructura natural del agua. Las capas de hidratación que se forman por aniones se dan a través de interacciones ión-dipolo y por interacciones dipolo-dipolo si se trata de grupos polares, una vez más contribuyendo a la modificación de la estructura del agua.

Partiendo de esto, se puede afirmar entonces que tanto los iones o los grupos iónicos impedirán la movilidad de las moléculas de agua en mayor grado de lo que que otros solutos podrían.  La fuerza de atracción entre el agua y el ión es mucho más grande que la fuerza de atracción entre moléculas de agua debido al enlace puente de hidrógeno, pero no tan grande como la fuerza de enlace covalente que unen los hidrógenos al oxígeno.  Por lo tanto, la estructura normal del agua pura, tetraédrica, será disrumpida por la presencia de solutos disociables.

El agua que interactúa con iones y grupos iónicos será la parte del agua ligada más fuertemente a los alimentos. Si consideramos a los iones de la sal de mesa (NaCl), comúnmente incluído en los alimentos, podemos inferir que las moléculas de agua más cercanas a dichos iones (agua vecinal), rodearán a cada uno de dichos iones orientándose por su polaridad, obligando a las demás capas de agua (agua del entorno) a distorsionar su estructura debido a las interacciones con las moléculas de agua más internas. Por otro lado, las ultimas capas de agua (fase masiva externa) presentarán casi ninguna modificación y se comportarán como aquellas moléculas de agua presentes en una solución salina diluída.

How water dissolves salt – https://youtu.be/xdedxfhcpWo

En el caso de aumentarse la concentración de sal en agua, la fase masiva será casi inexistente debido a la cantidad de iones disociados presentes en solución. Por lo tanto las capas vecinales de agua serán las que predominen en el sistema.

Para entender el grado de disrupción que dichos iones generan en la estructura del agua, se debe primero comprender el efecto que los iones tienen sobre la estructura neta del agua, donde la estructura neta se refiere a toda estructura que las moléculas de agua formen, sea la normal como nuevas formas que puedan surgir. Entonces existen dos clases de iones, aquellos que promueven la estructura y aquellos que la demuelen.

Los promotores de la estructura serán iones pequeños, los cuales presentan campos eléctricos fuertes y por lo tanto favorecen la formación de la estructura neta. Dichos iones entonces compensarán cualquier pérdida de la estructura que el agua normal haya sufrido. El agua ligada a ellos será fuerte y por lo tanto la movilidad será restringida, aumentando la densidad del agua comparado con las moléculas del agua pura.

Por otro lado, los iones grandes o grupos iónicos monovalentes serán  aquellos que por su campo eléctrico débil no liguen fuertemente con el agua y por lo tanto no mantengan la estructura neta del agua. Dichos iones entonces, perturbarán la disposición de las moléculas de agua y no serán capaces de compensar dicha disrupción. La densidad de la solución será menor respecto al agua pura.

En general, hablar de la interacción agua-ión es mucho más complejo que solo referirse a la estructura. La inclusión de iones en una solución dentro de un alimento determinará su tiempo de vida, ya que más allá de poder alterar ciertas propiedades del agua, influirá directamente en la conformación de las proteínas presentes, estabilidad coloidal, entre otros. El estudio de las interacciones agua-ión cobra entonces suma importancia a la hora de diseñar nuevos productos alimenticios, porque ellos serán también los que determinen que otros solutos puedan ser incluidos sin perjudicar la estabilidad general de dicho alimento.

Referencias Bibliográficas

  1. Belitz, H. (2009). Food Chemistry. Heidelberg: Springer.
  2. Fennema, O. R. (1996). Food Chemistry. Wisconsin: Marcel Decker Inc.
  3. Hribar, B. (2002). How Ions affect the structure of Water. Journal of the American Chemistry Society, 12302-12311.

 

 

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2 pensamientos en “Interacción del agua con los iones y grupos iónicos.

  1. Angeline

    ¿En los sistemas vivos las interacciones iónicas se consideran interacciones débiles y no enlaces químicos verdaderos, a qué se debe esto?

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    1. LESLIE KAREN CHUY ZÁRATE

      Porque los seres vivos en su mayoría están compuestos de agua y el agua presenta una elevada constante dieléctrica, la cual reduce considerablemente las fuerzas atractivas entre cargas eléctricas que se encuentran en su interior. Las interacciones iónicas en el interior de los sistemas acuosos (capa vecinal) tienen energías de enlace similares a las de otras interacciones débiles.

      Los enlaces iónicos en un cristal, por ejemplo, son bastante fuertes. Sin embargo, si el cristal de sal es disuelto en agua, cada ión se rodeará de una capa de moléculas de agua las cuales inhibirán la atracción entre iones de cargas opuestas. Dado que las células están compuestas principalmente de agua, dichas interacciones de aquellos iones “libres” carecerán de importancia.
      En conclusión, en un ambiente acuoso, la interacción entre iones de cargas opuestas es mínima y por eso las interacciones iónicas se pueden considerar débiles.

      En Karp’s 2nd edition Cell and Molecular Biology se menciona que, por el contrario, los enlaces iónicos débiles entre grupos de cargas opuestas en biomoléculas son de considerable importancia. Por ejemplo, cuando fosfatos cargados negativamente en una molécula de ADN están asociados con grupos positivos en la superficie de una proteína, los enlaces iónicos entre ellos ayudan a mantener al complejo cohesionado.
      Entonces, la fuerza de los enlaces iónicos en una célula son débiles, debido a la presencia de agua, pero en el interior del centro de una proteína, donde el agua es usualmente excluida, dichos enlaces son de significativa importancia.

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