INTERACCIÓN DEL AGUA CON IONES Y GRUPOS IÓNICOS

Los iones y grupos iónicos de las moléculas orgánicas restringen la movilidad de las moléculas de agua en un grado mayor que cualquier otro tipo de solutos. La fuerza de los enlaces agua-ion es mayor que la de los enlaces de hidrógeno agua-agua, pero también es mucho menor que la de los enlaces covalentes.

La estructura normal del agua pura (basada en enlaces de hidrógeno dispuestos tetraédricamente) se altera por la adición de solutos disociables. El agua y los iones inorgánicos simples experimentan interacciones dipolo-ion. Se piensa que en una solución diluida de iones en agua, existe una segunda capa de agua en estado estructural perturbado debido a las conflictivas influencias estructurales antagónicas del agua de la (fase masiva). En soluciones salinas concentradas no existe agua de la fase masiva de estructura normal; la estructura del agua está determinada e impuesta por los iones. Existen abundantes pruebas que indican que algunos iones en solución acuosa diluida tienen un efecto neto demoledor de estructura (la solución es más fluida que el agua pura), mientras que otros tienen un efecto neto formador de estructura (la solución es menos fluida que el agua pura). Debe entenderse que el término “estructura neta” se refiere a todas las clases de estructuras, tanto la normal como los nuevos tipos de estructura del agua. Desde el punto de vista de la estructura “normal” del agua, todos los iones son demoledores de la misma.

La capacidad de un ion dado para alterar la estructura neta está estrechamente relacionada a su poder polarizante (carga dividida por radio) o simplemente con la fuerza de su campo eléctrico. Los iones pequeños y/o multivalentes (la mayoría iones positivos, tales como Li⁺, Na⁺, H₃O⁺. Ca²⁺, Ba²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F^– y OH^–) tienen fuertes campos eléctricos siendo creados de estructura neta. La estructura impuesta por estos iones compensa sobradamente cualquier pérdida de la estructura normal del agua. Estos iones interactúan fuertemente con las cuatro a seis moléculas de agua de la primera capa, haciéndolas menos móviles y empaquetándolas mas compactamente (mayor densidad) que las moléculas HOH del agua pura. Los iones de tamaño grande y monovalente (la mayoría de los iones cargados negativamente y los iones positivos grandes, tales como K⁺, Rb⁺, Cs⁺, NH⁺₄, Cl^–, Br^–, I^–, NO^–₃, BrO^–₃, IO^–₃ y ClO^–₄) poseen campos eléctricos bastantes débiles y son demoledores de estructura neta, aunque el efecto es muy ligero en el caso del K+. Estos iones reducen la estructura normal del agua y son incapaces de formar una cantidad compensatoria de estructura nueva.

Los iones por supuesto tienen efectos adicionales que se extienden más allá de su influencia de sobre la estructura del agua. Mediante sus variadas capacidades para hidratarse (competir con el agua), alterar la estructura del agua, influir en la constante dieléctrica del medio acuoso y determinar el espesor o grosor de la doble capa eléctrica en torno a los coloides, los iones influyen profundamente en el “grado de hospitalidad” relativo a otros solutos no acuosos y a sustancias suspendidas en el medio. Así la conformación de las proteínas y la estabilidad de los coloides (haloestabilización y halodesestabilización de acuerdo con la serie liotrópica o de Hofmeister) dependen mucho de las clases y cantidades de iones presentes.

El agua que interactúa con iones y grupos iónicos representa parte del agua firmemente ligada a los alimentos. La estructura normal del agua es distorsionada por la adición de solutos disociables. Existe evidencia de que algunos iones tienen un efecto demoledor de la estructura normal del agua, mientras que otros la promueven.

Se piensa que el agua multicapa de los iones se encuentra en un estado distorsionado debido a las influencias estructurales conflictivas del agua vecinal y el agua de la fase masiva. El agua de la fase masiva tiene propiedades similares a la del agua en una solución diluida.

Los iones pequeños y/o multivalentes (la mayoría iones positivos) Li⁺, Na⁺, Ca⁺, Ba⁺, Mg⁺, Al⁺³, F^–,H₃O y OH^–, poseen fuerte campo eléctrico y son promotores de estructura neta. Mientras que los iones grandes y monovalentes (la mayoría de los iones cargados negativamente e iones grandes positivos) K⁺, Rb⁺, Cs⁺, NH₄⁺, Cl^–, Br^–, I^–, NO₃^–, BrO₃^–, ClO₄^–, son demoledores de estructura neta. La interacción del agua con solutos neutros formadores de enlaces de hidrógeno es más débil que con solutos iónicos. Sin embargo, el agua enlazada con solutos neutros por enlaces de hidrógeno debe considerarse como agua constitucional o vecinal.

Los grupos iónicos de las biomoléculas son generalmente ácidos o bases débiles, cuyo grado de ionización depende del pH.

EL AGUA COMO SOLVENTE

El carácter polar de las moléculas de agua es responsable de interacciones con otras sustancias que entren en relación con ellas. Lógicamente estas interacciones dependen de la naturaleza de la otra sustancia.

1. Compuestos iónicos: En general las sustancias iónicas son solubles en agua. En cristales de este tipo de compuestos (ej NaCl), las atracciones electrostáticas entre los iones constituyentes (Na⁺ y Cl^–) mantienen una red altamente ordenada. Cuando estos cristales se ponen en contacto con agua, se produce una alteración en la organización de las moléculas de ambos compuestos. Las moléculas dipolares del agua son atraídas por los iones con fuerza suficiente como para disociarlas de sus uniones. Los iones se van rodeando de moléculas de agua, lo cual debilita la fuerza de atracción con los iones de carga contraria en el cristal y terminan por separarse y dispersarse en el solvente. Los iones en solución acuosa se encuentran hidratados, esto es, rodeados por una capa de moléculas de agua. Los cationes (por ej. Na⁺, K⁺, Ca^2+, Mg²⁺ entre los inorgánicos; grupos amina ≡C-NH₃⁺, entre los orgánicos) atraen la zona de carga parcial negativa de la molécula de agua. Loa aniones (por ej. Cl^–, HPO₄^2- , HCO₃^–, entre los inorgánicos; grupos carboxilato –COO^– entre los orgánicos) atraen la zona de carga positiva del dipolo.
2. Compuestos polares no iónicos: En el caso de alcoholes, aldehídos o cetonas, por ejemplo, el agua puede formar enlaces de hidrógeno con los grupos hidroxilos o carbonilos presentes en esas moléculas, lo cual facilita su disolución. Los compuestos iónicos y polares no iónicos, en general, son hidrófilos pues pueden interaccionar con las moléculas de agua y formar soluciones estables.
3. Compuestos apolares: Este tipo de sustancias, como los hidrocarburos por ejemplo. Resultan prácticamente insolubles en agua, pues no puede establecerse unión o atracción entre sus moléculas y las de agua. Se las llama sustancias hidrófobas, generalmente se disuelven bien en solventes orgánicos no polares o poco polares. ( por ej. Benceno, tetracloruro de carbono, cloroformo). Las moléculas apolares pueden ejercer entre si atracciones de un tipo denominado interacciones hidrofóbicas.
4. Compuestos anfipáticos: Existen sustancias que poseen grupos hidrófobos e hidrófilos en la misma molécula, por ejemplo, los fosfolípidos o las sales de ácidos grasos de cadena larga con metales monovalentes (jabones de Na y K). Este tipo de sustancias son denominadas anfifílicas o anfipáticas. En contacto con agua se colocan con su porción hidrofílica dirigida hacia la superficie del agua o sumergida en ella, mientras el resto apolar se proyecta hacia el exterior de la fase acuosa. (A) Cuando estas moléculas se encuentran en el seno del agua, pueden formar agrupaciones esféricas llamadas micelas. Las cadenas apolares se dirigen hacia el interior de la micela, mutuamente atraídas por interacciones hidrofóbicas. Los extremos hidrofílicos de la molécula quedan expuestos hacia la fase acuosa e interaccionan con ella, lo cual asegura la estabilidad de las micelas. (B)

BIBLIOGRAFÍA

1. Badui Dergal Salvador, 2006, Química de los alimentos, Cuarta edición, México, Editorial Pearson, página 11
2. Fennema R. Owen, 2000, Química de los alimentos, Segunda edición, España, Editorial Acribia, pagina 36-38
3. Blanco A., 2006, Química biológica, Octava edición, Argentina, Editorial Ateneo, pagina 11-12