Notas de FISICOQUÍMICA 2003 Jimenez Vargas Macarulla

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez.

FACULTAD DE MEDICINA DE VERACRUZ, Lic. Miguel Alemn Valds NOTAS de Fisicoqumica para la asignatura de FISIOLOGA I (Teora), compiladas por el Maestro RAFAEL GARCA PEA GUTIRREZ, actualizadas en el verano del 2003. ESTRUCTURA DEL TOMO En estas primeras lecciones, dedicadas a cuestiones esenciales para el estudio de Ia Fisiologa, revisaremos, siguiendo un criterio de orientacin prctica, Ia estructura ntima de Ia materia, empezando por el tomo y Ia molcula. Este capitulo es fundamental para Ia Biologa Molecular, porque el conocimiento de Ia estructura del tomo de Carbono y de las molculas orgnicas es estudio previo para comprender las reacciones que tienen tugar entre molculas de los seres vivos. La Biologa Molecular proporciona un conocimiento cada vez ms profundo y cientfico de los fenmenos fisiolgicos en condiciones normales a patolgicas. El proceso histrico de las investigaciones que han conducido al conocimiento de Ia composicin y estructura de Ia materia hasta lmites cada vez ms profundos prescindiendo de Ia especulacin filosfica, ha seguido escalonadamente un orden. ESTRUCTURA DEL TOMO 1.- Generalidades - Lavoisier en 1789 demostr una ley natural: Ley de la conservacin de la materia " que dice " La materia no se puede crear ni destruir; por lo tanto en ninguna reaccin qumica se gana ni se pierde peso ". - Otros estudiaron la composicin porcentual en peso de los diversos compuestos: Ley de las proporciones constantes " Los compuestos qumicos siempre contienen los mismos elementos en proporciones fijas de peso: Ejem. 100 grms. de agua en cualquier edo. fsico siempre estn compuestos de 88.8 g. de oxgeno y 11.2 g. de hidrgeno. - Demcrito; en Abdera ciudad costera del mar Egeo, (ltimo de los filsofos de la naturaleza), 460 a 370 A. de C.; Hace ms de 2,500 aos supuso que la materia estaba constituida por partculas muy pequeas a las que denomin TOMO; A = sin, TOME = divisin. - Dalton en 1808 sistematiz esta idea con su modelo experimental enunciando tres postulados: I. Todos los compuestos estn constituidos por partculas diminutas llamadas tomos que son indivisibles e indestructibles. II. Todos los tomos de un mismo elemento tienen el mismo peso. PGINA 1

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. III. Se unen de diversas maneras entre s, formando compuestos. Estos constituyen su teora atmica. - Actualmente se sabe que los tomos no son indivisibles y que existen tomos de un mismo elemento con diferente peso, denominados ISTOPOS. - El tomo se define como la unidad ms pequea de la materia, sin carga elctrica, que puede existir como elemento y que puede tomar parte de una reaccin qumica. - El estudio de la estructura ntima de la materia (tomo y molcula), es fundamental para el entendimiento de la Biologa molecular, con el conocimiento de sus estructuras, sobre todo del CARBONO y de las molculas ORGNICAS, entendiendo las reacciones que tienen lugar entre molculas de los seres vivos, (en condiciones fisiolgicas y en las patolgicas) 2. Proceso histrico; El conocimiento a seguido un camino en el siguiente orden: MEZCLAS-------> SUSTANCIAS PURAS-------> ELEMENTOS SIMPLES---------> MOLCULAS------> TOMOS----->NCLEOS Y PARTCULA ELEMENTALES. A. Mezclas: Es la interposicin mecnica de partculas distintas, dando un conjunto homogneo disolucin-, o heterogneo, propiedad comn de ser desdobladas en componentes ms sencillos por medios fsicos, relativamente suaves que no destruyen las sustancias, como son: a. Vaporizacin, b. Cristalizacin, c. Destilacin, d. Adsorcin, e. Sublimacin, f. Extraccin, Etc. B. Sustancias puras: Son aquellas que no pueden desdoblarse en otros ms sencillos por mtodos fsicos, tiene todas las molculas iguales (Glucosa, agua, slice, etc.) necesitan mtodos qumicos ms violentos: a. Oxidacin, b. Reduccin, c. Calcinacin, d. Combustin, e. Electrlisis, etc. Desdoblndose en otras sustancias ms sencillas. Si estos cuerpos son compuestos, se desdoblarn en otras sustancias ms sencillas, llegando a los elementos o cuerpos simples. C. Elementos o cuerpos simples: No pueden ser desdoblados, ni por mtodos fsicos, ni qumicos corrientes, todos sus tomos son iguales, (Ejem. oxgeno, yodo, mercurio, etc.), sin embargo por mtodos RADIOACTIVOS, unos elementos pueden transformarse en otros de PGINA 2

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. naturaleza distinta, (mercurio en oro). D. Molcula: Es el lmite de la divisin fsica, la parte ms pequea de una sustancia que conserva sus propiedades. E. tomo: Es el lmite de la divisin qumica; la partcula indivisible por mtodos corrientes, tomos independientes, o agrupacin de iguales constituyen las molculas de cuerpos simples, por ejemplo, He, O2, Cl2, O3, P4, S8, Se, * Observemos que las molculas pueden estar formadas por uno, dos, tres, cuatro o ms tomos, e incluso en nmero indefinido o ilimitado, Y s son distintos, pero todas las molculas son iguales entre s, - tienen un nmero fijo de tomos de cada clase e igualmente dispuestos en el espacio - forman un cuerpo compuesto. Ejem. 2 tomos de hidrgeno unidos qumicamente con 1 de oxgeno forman el agua lquida, H2O, estos mismos gases, unidos en otra forma, se constituye el perxido de hidrgeno, H2 O2. Por ultimo, mezclando ambos tipos de molculas H2 O y H2 O2, constituyen una mezcla o disolucin de 2 sustancias diferentes. 3. Unidades fundamentales: Se utiliza el SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, SI. A. Longitud: Unidad el metro (m). Se define como la longitud igual a 1 650 763.73 longitudes de onda en el vaco, de la radiacin correspondiente a la transicin entre los niveles 2P10 y 5D5 del tomo de Criptn 86. Corresponde aprox. a la diezmillonsima parte del cuadrante del meridiano terrestre. B. Masa; Unidad, el Kilogramo (Kg). Es unidad de masa, (no lo es de peso ni de fuerza). Se define como la masa del prototipo internacional del kilogramo, que es un cilindro macizo de platino iridiado que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, en Breteuil (Svres), y corresponde aproximadamente a la masa de un decmetro cbico de agua destilada a 4 C. El Kilogramo de agua a 4 C. ocupa 1.000 027 decmetros cbicos. C. Tiempo: unidad, el segundo (s). Se define como la duracin de 9 129 631 770 perodos de la radiacin correspondiente a la transicin entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del tomo de Cesio 133 es igual aproximadamente a 1/86 400 del da solar medio. D. Temperatura termodinmica: unidad el kelvin (K). Se define como la fraccin 1/273.16 de la temperatura termodinmica del punto triple del agua. Unidad = kelvin (K) se utilizan para expresar un intervalo o una diferencia de temperatura. Adems de la temperatura termodinmica (smbolo T) expresada en kelvins, se utiliza tambin la temperatura Celsius (smbolo t), definida por la ecuacin: t =T - To (siendo To = 273.15 K por definicin)

La temperatura Celsius se expresa en grados Celsius (smbolo C). PGINA 3

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. unidad Celsius =unidad kelvin El intervalo de temperatura entre la fusin del hielo y la ebullicin del agua, ambas a la presin de 1 atmsfera, (760 mm. de Hg.) a nivel del mar es aproximadamente de 100C. o bien 100 K. E. Cantidad de sustancia: unidad, el mol (mol). Un mol de molculas, iones, electrones o partculas, cualesquiera, viene a ser un nmero de esas partculas igual a la razn que existe entre el gramo y el dalton. Este dalton corresponde a la masa de 1/12 de la masa del ncleo del carbono 12 y aproximadamente es la masa de un tomo de hidrgeno. Se define el mol como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como tomos hay en 0.012 kg. De carbono 12. Si se expresa el peso molecular de cualquier compuesto tenemos la molcula gramo denominada tambin mol, o mola siendo la milimola el peso expresado en miligramos; ( para fines clnicos, se expresa en estas unidades por las reducidas cantidades que se encuentran en la sangre ). Hay que tener en cuenta que la mola puede utilizarse para todas las sustancias sin tener en cuenta si son inorgnicas u orgnicas, si estn ionizadas o no. Si el peso molecular de la glucosa, que es de 180, lo expresamos en gramos: 180 gramos de glucosa = una mola. 180 miligramos de glucosa = milimola. F. Volumen: Unidad, el metro cbico (m3). G. Capacidad: Suele utilizarse el litro (L). Es el volumen exacto que ocupa a 40 C un kilogramo de agua destilada y as un litro equivale a 1.000 027 decmetros cbicos. Unidades atmicas.-Dada Ia extraordinaria pequeez de los tomos y las molculas, Ia adaptacin de estas magnitudes fsicas a las dimensiones atmicas, casi obliga a utilizar unidades nuevas. As, las unidades de longitud y sus derivadas, superficie y volumen, es el ngstrm (), que corresponde a la cien millonsima del centmetro. a. Longitud: 1 = lO-8 cm. = 10-10 m b. Superficie: 1 2 = lO-8 cm2. = 10-20 m2 c. Volumen: 1 A3 = 10-24 cm3 = 10-30 m3 En cuanto a Ia masa, los submltiplos del gramo:a. b.

El microgramo g), que corresponde a 10-6 gramos, y El picogramo (pg), que corresponde a gramos (10-12 kg)

Resultan excesivamente grandes para medir masas atmicas y moleculares. Por esta causa, y con objeto de que salieran valores mayores que Ia unidad y muy representativos de las masas atmicas, Se eligi precisamente como unidad atmica de masa Ia masa del tomo ms pequeo conocido, es decir del hidrgeno. Tomando esta unidad, los nmeros de masa PGINA 4

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. de los elementos qumicos conocidos estaban comprendidos entre 1 y 238, dndose el caso de que sus valores eran prximos en general a nmeros enteros. Esta unidad de masa present algunas dificultades de materializacin, por lo que se adoptaron patrones prximos a ella pero ms fciles de reproducir. As se tomo por unidad atmica de masa, primeramente 1/16 del tomo de oxigeno natural, despus 1/16 del tomo ms ligero del Oxigeno, es decir del istopo 16O. Hoy da, por Ia importancia extraordinaria que representa el carbono no como elemento clave de la Qumica Orgnica y Biolgica, se ha referido a l la unidad atmica de masa. Definimos, pues Ia unidad atmica de masa (uam o dalton) como 1/12 de Ia masa del tomo de carbono, istopo 12 (12C). Esta unidad corresponde muy aproximadamente a Ia masa del tomo de hidrgeno, es decir, a Ia unidad primitiva (Ia masa del hidrogeno es de 1,00797 uam). Para estudiar Ia correspondencia entre Ia unidad atmica de masa y el gramo, bastar considerar el nmero de tomos de C-12 que existiran en 12 g de C-12 puro. Este nmero es fabulosamente grande: N = 6.02 l023 tomos verdaderos del elemento carbono. Este nmero N corresponde cuantitativamente al conocido nmero de Avogadro que se utiliza en las formulas de los gases perfectos. De las definiciones anteriores se deduce que, Si un tomo de C-12 tiene 12 dalton y N tomos tienen una masa de 12 g, a cada gramo le correspondern N unidades atmicas de masa. El volumen ocupado por una mola de cualquier sustancia se obtiene mediante la siguiente formula: Volumen = molcula gramo de la sustancia / densidad. La densidad de un gas es el peso de un litro del gas en condiciones de presin y temperatura estndar, o la masa de todas las molculas en un litro de gas. El volumen que ocupa cualquier gas a igual temperatura y presin es de 22.4 litros por mola. Experimentalmente se ha demostrado que el nmero de partculas es igual a 6.023 X 10 tomos (nmero de Avogadro) y este concepto rige en forma universal para cualquier tipo de partculas, sean molculas, tomos, iones o electrones.23

Diversos mtodos experimentales han determinado el nmero de molculas individuales en 22.4 litros de una sustancia gaseosa a OC. de temp. y a 760 mm. de Hg. de presin constituyendo el nmero de Avogadro. En otras palabras, esta constante representa el nmero de molculas presentes en una mola de cualquier sustancia.

PGINA 5


F. Peso Atmico y molecular: Dalton sugiri cierta unidad de peso en los tomos, pero estos no pudieron pesarse por ser tan microscpicos, desechando la idea de pesos absolutos, y adopt la de pesos relativos. Interesan ms los pesos relativos. La composicin del agua en peso es de 11.2 % de hidrgeno y 88.8 % de oxgeno. masa de oxgeno = 88.8 = 7.95 masa de hidrgeno 11.2 1

Por mtodos qumicos se precis su constitucin por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno, por lo tanto: PGINA 6

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. masa del tomo de oxgeno 15.9 masa del tomo de hidrgeno = 1.00 Denominndose a estas masas o pesos relativos, masas atmicas. Inicialmente Dalton tom como referencia al hidrgeno dndole un valor de 1, despus se us el oxgeno en vista de que se cambiaba ms fcilmente con otros elementos y en 1961 fue sustituido por el carbono, ya que el oxgeno es una mezcla de varios istopos. De lo anterior se deduce que peso atmico relativo de un elemento es el peso de un tomo de dicho elemento, en relacin con el peso de un tomo de carbono al cual, convencionalmente se le asign el peso de 12,000 unidades de masa atmica. Si dicho peso atmico de cualquier elemento se expresa en gramos, tenemos lo que se llama tomo - gramo o tomo - masa Los tomos se agrupan constituyendo molculas, entendiendo por molcula la unidad ms pequea que puede existir libre como sustancia compuesta, presentando todas las propiedades qumicas de ella. Ya que una molcula est constituida por tomos, el peso molecular relativo de un compuesto es la suma de los pesos atmicos en relacin con el peso de un tomo de carbono (12 unidades). G. Nmero y peso atmico: Elemento es un compuesto de tomos de la misma clase. Existen muy pocos en la tierra, algunos slidos (carbn) otros lquidos (mercurio) y otros gaseosos (oxgeno), siendo este ltimo el ms abundante en la tierra y el hidrgeno en el universo. Los elementos se combinan entre s, formando los compuestos, encontrndose en mayor nmero que los elementos y siendo el ms abundante el agua. Rutherford en su modelo establece que el tomo est constituido por un ncleo pequeo con una carga POSITIVA, donde est concentrada toda su masa, y por una carga NEGATIVA a su alrededor, la cual ser de igual magnitud que la carga positiva para que el tomo sea NEUTRO. En 1932 Chadwik, descubri que en el ncleo existen otras partculas sin carga a las que denomin NEUTRONES, siendo la masa del neutrn similar a la del PROTN. El tomo tiene un dimetro de aproximadamente 10-8 cm., y el de su ncleo es de 10-12 cm. Al igual que los neutrones, se han descrito otras partcula que se encuentran en el ncleo y que actan como fuerzas de cohesin para mantener al ncleo como unidad. El ncleo del tomo est constituido por protones que le dan carga elctrica positiva y masa, en cambio los neutrones le confieren al ncleo nicamente masa, ya que no tienen carga elctrica. PGINA 7

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Se denominan NUCLEONES a las partculas contenidas en el ncleo del tomo, pero para fines prcticos se consideran nicamente los protones y neutrones, cuya suma es una medida aproximadamente de la masa atmica de ese tomo en particular, Por lo tanto: Nmero de masa atmica = protones + neutrones. Ejem.: Un tomo de sodio tiene en su ncleo 11 protones 12 neutrones, por lo tanto su masa atmica es de 23.

Un tomo de cloro tiene en su ncleo 17 protones y 18 neutrones, por lo tanto su masa atmica es de 35.

Un elemento qumico se define como un conjunto de tomos con el mismo nmero de protones en el ncleo. Cuando estos tomos tienen diferente nmero de neutrones se dice que son istopos del mismo elemento. As, todo tomo que tenga ocho protones en el ncleo nmero atmico ocho ser oxigeno. En realidad, lo que caracteriza un elemento determinado es el nmero de Protones del PGINA 8

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. ncleo, el cual controla el nmero de electrones perifricos y su distribucin peculiar. Estos electrones, gobernados por el ncleo, determinan las propiedades qumicas del elemento. En la naturaleza encontramos tres tipos de tomos distintos que, conteniendo ocho protones nucleares, tienen adems 8, 9 y 10 neutrones; estos tomos sern respectivamente, los istopos del Oxigeno:

Los distintos istopos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades qumicas, debido a la completa igualdad en la distribucin electrnica que veremos luego, pero varan algo las propiedades fsicas -densidad y volatilidad- de sus compuestos por su distinta masa. Los ISTOPOS son tomos que tienen el mismo nmero de protones en el ncleo, con diferente nmero de neutrones. Soddy los define como tomos de un mismo elemento que tienen las mismas propiedades qumicas, pero diferentes pesos atmicos. Las propiedades qumicas provienen del nmero de protones y las diferencias de peso del diferente nmero de neutrones. El nmero atmico de un elemento est dado por el nmero de protones en el ncleo de su tomo. Es muy importante, pues los protones determinan el nmero de electrones, que son partculas con carga negativa, situados alrededor del ncleo y que confieren al tomo sus propiedades fisicoqumicas. El sodio con nmero atmico de 11, es decir consta de 11 protones en su ncleo y alrededor del ncleo 11 electrones en rbitas, variables (Rutherford) o definidas (Bohr). Los electrones se encuentran distribuidos en varias rbitas. Estas se encuentran situadas alrededor del ncleo en diversos niveles y desde un punto de vista prctico la de ms inters es la externa que interviene para que se lleven a cabo los enlaces entre los diferentes tomos. Cuando la rbita externa se encuentra completamente saturada se dice que el tomo est en situacin estable o inerte, y ellos son: HELIO (He2), NEN (Ne10), ARGN (Ar18), CRIPTN (Cr36), XENN (Xe54), RADON (Rn86), y OBERN (On118). El tomo de sodio tiene en su rbita externa un solo electrn, existiendo menor fuerza de atraccin entre este electrn y el ncleo que entre los electrones que se encuentran ms prximos al ncleo y que corresponden a la 1 y 2 rbita del sodio. Como resultado de lo anterior el electrn de la 3 rbita se encuentra dbilmente unido al tomo. El tomo de cloro tiene en su 3 rbita 7 electrones, que se encuentran tan alejados del ncleo como el electrn del sodio, sin embargo, existe mayor tendencia de unin entre ellos y su ncleo, ya que el nmero de protones en el cloro que el nmero de protones del sodio. Al acercarse un tomo de sodio a uno de cloro, el electrn dbil del sodio se separa del mismo para aproximarse a la 3 rbita del cloro, de esta manera el tomo de sodio pierde una carga negativa predominando en l una carga positiva neta, y el tomo de cloro, al ganar el PGINA 9

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. electrn, gana una carga negativa que predomina sobre la carga positiva de su ncleo (ver fig.). Tanto el tomo de sodio como el de cloro, al adquirir carga constituye un ION de sodio y cloro; por lo tanto un ION es un tomo que tiene carga al ganar o perder electrones, ya sea positiva o negativa segn corresponda. En vista de que iones de diferente carga se atraen, constituyen una unin o enlace inico. Puede existir otro tipo de unin o enlace cuando dos tomos se aproximan teniendo la misma carga. La presencia de los electrones de un tomo repelen a los del otro tomo, existiendo tambin repulsin entre los protones de uno con los del otro. Sin embargo, los protones de un tomo pueden atraer a los electrones de otro tomo y viceversa, siendo por lo tanto dichas fuerzas de atraccin superiores a las de repulsin. Dos tomos de cloro, en cuya rbita externa se encuentran 7 electrones, al unirse entre si comparten un electrn denominndose a este enlace, covalente. La molcula del cloro es estable ya que cada tomo adquiere la configuracin del nen con 8 electrones en su rbita ms externa. En este tipo de combinacin ninguno de los dos tomos gana ni pierde electrones, por lo tanto no se forman iones. La covalencia se expresa por el nmero de pares de electrones compartidos con otros tomos. El nitrgeno es un elemento que tiene 5 electrones en su rbita externa y al combinarse con 3 tomos de hidrgeno lo hace compartiendo sus electrones adquiriendo una configuracin estable ya que el nitrgeno tendr 8 electrones y cada tomo de hidrgeno 2 electrones. En este caso, la covalencia del nitrgeno es de 3, porque dicho tomo comparte con el H+ 3 pares de electrones y la covalencia de cada tomo de hidrgeno es de uno, ya que de cada par de electrones comparte uno con el nitrgeno. Tanto esta combinacin como la anterior, no conduce a la formacin de iones cargados. VALENCIA; es el nmero de electrones ganados o perdidos por un tomo neutro, o los pares de electrones compartidos con otros tomos. La capacidad de combinacin de un elemento es llamada valencia del elemento. SOLUCIONES; Solucin es una combinacin homognea de un solvente y un solto, siendo el solvente el componente que se encuentra en mayor cantidad y el solto en menor cantidad. Se define tambin como una dispersin homognea de una sustancia en otra.

PROPIEDADES COLIGATIVAS; De las soluciones, son aquellas que dependen del nmero de partculas de solutos presentes en una cantidad especfica del solvente y varan en proporcin directa a la concentracin. PGINA 10

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Estas propiedades son: 1. Presin de vapor, 2. Punto de ebullicin, 3. Presin osmtica y 4. Punto crioscpico. 1) Presin de vapor: Si se deja un recipiente que contiene un lquido cualquiera, las molculas existentes, debido al continuo choque entre las mismas, escaparn en forma gaseosa, que se denominan molculas de vapor. Un lquido voltil es aquel que se evapora con facilidad a la temperatura ambiente. Cuando lo hace con lentitud se denomina no voltil. Los factores que contribuyen a la evaporacin de las molculas de los lquidos son: a) El aumento de la temperatura que contribuye al incremento de la energa cintica y por lo tanto facilita la evaporacin ya que el choque de las molculas es ms marcado, b) El aumento de la superficie, ya que a mayor superficie del lquido, mayor rea de evaporacin y c) Las corrientes sobre dichas reas que contribuyen a movilizar las partculas evaporadas. Si en un recipiente cerrado y a una temperatura determinada se deja que las molculas de un lquido que se encuentran en ese recipiente se evaporen, llega un momento en que las molculas evaporadas ejercen una presin para depositarse en la superficie del lquido, denominndosele a este fenmeno CONDENSACIN. Cuando la velocidad de condensacin iguala a la de evaporacin se llega a un punto en que ya no se observa disminucin del nivel lquido, la presin ejercida o registrada en ese momento es la presin de vapor del lquido estudiado. La presin de un solvente puro, es mayor que al agregarle solutos no voltiles, porque en las soluciones disminuye la tendencia de las molculas al escapar de su superficie. La determinacin de la disminucin de la presin de vapor permite deducir el peso molecular del soluto presente en la solucin, ya que tanto el nmero de partculas como el tamao tienen relacin con la alteracin de esta propiedad. Se llama DEPRESIN a la diferencia entre la presin del solvente puro y la de una solucin a la misma temperatura.

CONSTANTE DE DEPRESIN es la causada por una mola del solto no voltil en 1,000 gr. de solvente. 2. Punto de ebullicin: PGINA 11

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. El aumento de la temperatura de un lquido, aumenta la energa contina de las molculas de manera que la presin de vapor de dicho lquido aumenta. A medida que aumenta la temperatura, la energa cintica de las molculas har que se formen burbujas de vapor de agua no slo en la superficie, sino en todo el seno del lquido. Estas burbujas se formarn cuando la presin interior (de la burbuja) sea superior a la atmosfrica. A diferencia de la evaporacin que es fenmeno de superficie, la ebullicin ocurre en todo el lquido. El punto de ebullicin normal de una sustancia es la temperatura en la cual su presin de vapor es igual a una atmsfera de presin (760 mm. de Hg.). Tambin el aumento del punto de ebullicin depende del nmero de partculas disueltas en el solvente. En vista de que la solucin tiene menor presin de vapor que el solvente puro, el punto de ebullicin de la solucin es mayor que el del solvente. El punto de ebullicin del agua es de 100 a una presin baromtrica de una atmsfera (760 mm. de Hg.) si se disminuye la presin baromtrica de un lquido, las burbujas escapan con mayor rapidez y por lo tanto disminuye el punto de ebullicin. Constante ebulloscpica es la modificacin del punto de ebullicin causada por una mola del soluto en 1,000 gr. de solvente. 3. Presin osmtica: Depende del nmero de partculas por unidad de volumen. Cuando se encuentra separada una solucin de un solvente puro, por una membrana permeable al solvente pero no al soluto, el solvente pasa a la solucin por un proceso denominado SMOSIS. Presin osmtica es aquella presin hidrosttica que se deber aplicar a la solucin para impedir el paso del solvente. Al agregar un soluto a un solvente se disminuye la tendencia al escape del agua de tal manera que las molculas de agua del sitio donde no estn diluidas tienen mayor tendencia al escape de donde s lo estn; en esta forma se explica el predominio del paso de las molculas del lado del solvente puro a donde est el solvente con un soluto.

PGINA 12


El potencial qumico del agua o tendencia al escape, puede aumentar mediante cambios en su temperatura o en su presin y disminuye con, la adicin de algn soluto. Una mola de cualquier compuesto no disociable, por ejemplo, glucosa o urea, que consta de 6.023 X 1023 molculas, se llama OSMOL. MILIOSMOL es la milsima parte de un osmol. Un osmol de cualquier soluto disuelto en 22.4 kg. de agua, reduce la tendencia al escape del agua en una atmsfera. Un miliosmol disuelto en un kg. de agua disminuye dicha tendencia al escape del agua en 17 mm. de hg. La presin osmtica de los lquidos corporales se obtiene multiplicando el nmero total de miliosmoles por 17 mm. de hg. Que para una persona normal sera 300 X 17 = 5,100 mm. de hg. Una mola de un compuesto como el NaCl, que se disocia en 2 iones, ejerce un efecto osmtico de 2 osmoles; y en el caso de de que se disocie en 3 iones como el cloruro de calcio ejerce un efecto osmtico de 3 osmoles. 4. Punto crioscpico: Cuando un lquido se enfra la energa cintica de las molculas del mismo disminuye de tal manera que conforme baja la temperatura, va desapareciendo dicho movimiento y las molculas adquieren el aspecto de un slido. Dicho cambio se denomina CRISTALIZACIN, y la conversin de slido a lquido se denomina FUSIN. El punto de congelacin y de fusin de un lquido es el mismo y ocurren a la temperatura en la cual la presin de vapor del slido es igual a la del lquido. La diferencia entre el punto de congelacin del solvente puro y el de la solucin se llama DESCENSO CRIOSCPICO. PGINA 13

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. La constante crioscpica es el descenso ocasionado por una mola de soluto en 1,000 gr. de solvente. El agua pura se congela a 0C. Una solucin osmolar es la que contiene un osmol de un soluto que no se disocia, en un Kg. de agua se congela a -1.86C El plasma sanguneo se congela normalmente a -0.553C., por lo tanto su concentracin osmolar se obtiene dividiendo: 0.553 ------------= 0.297 Osm/ Kgr. de agua 1.86 (solucin 1/6 molar) En los lquidos corporales al disociarse los compuestos, no forzosamente se obtienen cifras de partculas enteras, as se tiene que el NaCl, que tericamente dara 2 partculas enteras, realmente da 1.85 partculas. A esta cifra se le denomina coeficiente osmtico y vara con los diferentes compuestos. Para determinar la concentracin de una solucin de NaCl, osmticamente equivalente al plasma, se divide la osmolaridad entre el coeficiente osmtico del NaCl en la concentracin apropiada: 0.297 ----------- = 0.160 molal 1.85 La molaridad de una solucin se expresa como el nmero de molas de soluto disueltos en un litro de solucin total. ELECTROLITOS: Si se hace pasar una corriente elctrica a travs de una solucin electrolticas sta experimentar una disociacin electroltica o, electrlisis. Los elementos disociados son llamados electrlitos, adquieren carga elctrica positiva o negativa y se trasforman en IONES; los iones de carga negativa se dirigen al polo positivo o nodo por lo que se llaman ANIONES y los de carga positiva al polo negativo y se denominan CATIONES. Faraday observ que algunas soluciones conducan la electricidad, y denomin ELECTROLITOS a aquellas sustancias cuyas soluciones en agua conducan la electricidad (NaCl, H2SO4, KCL) y NO ELECTROLITOS aquellas que no lo conducan (Urea, Glucosa).

PGINA 14

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Si dicha carga elctrica corresponde a un Faraday, se depositar en el nodo un peso equivalente de aniones y en el ctodo un peso equivalente de cationes. A dicha carga se le denomina CARGA EQUIVALENTE. Cuando reaccionan los elementos entre s no lo hacen en la relacin a un tomo a otro o de un peso atmico a otro, sino en relacin al nmero de sus cargas o sea de su peso equivalente. As, el peso equivalente de un elemento es el peso que se combina con o sustituye a un tomo de HIDRGENO, un GRAMO EQUIVALENTE de un elemento es la cantidad en gramos que lleva el mismo nmero de cargas que el gramo equivalente de cualquier otro elemento. Por ejemplo: 23 gramos de Na+ son equivalentes a 35.5 gramos de Cl_ y a 39 gramos de K+. En el caso del calcio que tiene un peso atmico de 40 pero con 2 valencias, el peso equivalente ser igual a la mitad del peso atmico, que es donde se encuentra una sola valencia. Si se observa por ejemplo el NaCl, hay una relacin atmica 1:1 entre los tomos de Na + y Cl . La capacidad de combinacin entre s son iguales. Se podra asignar arbitrariamente el valor numrico de 1 para la valencia tanto del Na+ como el del Cl-. A estos iones se les llama monovalentes y se combinan en la relacin 1:1.-

El equivalente del ion Hidrgeno (con peso de 1.008 gramos) que consta, al igual que el del sodio, de 6.023 X 1023 partculas, equilibra o neutraliza exactamente a un equivalente de iones hidrxido (con peso de 17.008). Dicha neutralizacin da lugar a la formacin de una mola de agua. Tambin existen iones que tienen ms de una valencia, como el calcio que es bivalente, con mayor capacidad de combinacin, ya que cada ion de calcio puede combinarse con dos iones de cloro. Por lo tanto, cada equivalente de ion calcio bivalente consta de la mitad de partculas (3.012 X 1023) que hay en un equivalente de ion hidrgeno. El cloruro de sodio, cuyo peso molecular es la suma del peso atmico del Na y Cl, si se expresa en gramos constituye una mola (molcula gramo), en solucin se disocia en 2 iones, ejerce un efecto osmtico de 2 osmoles y el poder de combinacin o valencia de cada uno es 1 (ambos son monovalentes) por lo que constituyen 2 equivalentes. En el caso de la glucosa, cuyo peso molecular es de 180, si dicho peso se expresa en gramos constituye una mola, en solucin no se disocia por no tener carga y por lo tanto no tiene capacidad de combinacin (valencia = 0).El efecto osmtico que ejerce es de una sola partcula. En cambio, el cloruro de calcio, que en solucin se disocia en 3 partculas, ejerce un efecto osmtico de 3 osmoles; en vista de que el calcio es bivalente y se combina con 2 equivalentes de cloruro, constituye en conjunto 4 equivalentes (2 de calcio, y 2 de cloro).

PGINA 15


Para convertir mg. a mEq/l. se usa la siguiente frmula: mg. X 100 X 10 P.A. X Valencia. NORMALIDAD de una solucin es el nmero de equivalentes gramos de soluto por litro de solucin. SOLUCIN NORMAL es la que contiene un equivalente gramo de soluto por litro de solucin. DIFUSIN Es el proceso por el cual las molculas del lquido o del soluto se dispersan para ocupar todo el volumen disponible. Se debe al movimiento espontneo de las molculas, o partculas pequeas, desde las regiones de mayor concentracin a las de menor concentracin. Este proceso es afectado por la temperatura, la viscosidad y el radio molecular. El coeficiente de difusin (medida de la proporcin de difusin es mayor a medida que se eleva la temperatura, a menor radio molecular de las partculas y a menor viscosidad: Resumiendo: RT 1 D = N 6 vr De donde: D = coeficiente de difusin (cm2 / segundo) R = constante de los gases T = temperatura absoluta N = nmero de Avogadro v = viscosidad r = radio molecular Existe tambin difusin a travs de las membranas que permiten el paso de molculas o partculas, siguiendo un gradiente de concentracin, o sea de los sitios de mayor a menor concentracin tanto de las molculas del solvente como del soluto. FILTRACIN Es el proceso por el cual un lquido es forzado a pasar a travs de una membrana mediante una diferencia de presin entre los dos lados de ella. PGINA 16

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Los factores que la modifican son: a) La diferencia de presin, siendo el filtrado directamente proporcional al aumento de dicha diferencia. b) El rea de la membrana y el dimetro de los poros, de tal manera que a mayor rea y mayor dimetro, mayor filtrado. c) El espesor de los poros y el dimetro de las molculas, ya que que a menor espesor y a menor dimetro de las molculas tambin el filtrado es mayor. FENMENO DE GIBSS-DONNAN Si un ion no difusible, por ejemplo protenas (Pr-) est en un lado de una membrana permeable a todos los dems iones (Na+ y Cl-) los iones difusibles se distribuirn a ambos lados de la membrana de una manera desigual, de tal modo que en equilibrio satisfacen los siguientes requisitos: 1. La neutralidad electroqumica requiere que la suma de los aniones de un lado de la membrana sea igual ala suma de cationes de dicho lado. 2. El producto de las concentraciones de los iones difusibles de un lado de la membrana es igual al producto de los mismos del otro lado de la membrana. 3. Existen ms partculas osmticamente activas en el sitio donde est la protena que del otro lado. 4. En el compartimento donde esta la protena la concentracin de aniones difusibles debe ser ser menor que de los cationes difusibles. Los iones hidrgeno se distribuyen en el organismo en la misma forma que los del sodio; as tenemos que en equilibrio el lado que contiene las protenas (plasma), es ms cido que el que no las contiene (lquido intersticial). 1. ESTADOS DE AGREGACIN DE LA MATERIA A. Generalidades: Existen tres estados fundamentales de la materia: a) Gaseoso b) Lquido y c) Slido Existiendo otros estados intermedios como el Vtreo, Amorfo, Mesomorfo, etc.

a) Estado GASEOSO; Sus caractersticas es que tiene gran variabilidad de volumen con los PGINA 17

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. cambios de presin y temperatura, no, presentan una superficie lmite y tendencia a ocupar todo el espacio disponible. b) Estado LQUIDO; Carecen de forma definida, tomndola del recipiente que los contienen, presentan una superficie que limita el espacio ocupable y pequea variacin del volumen con los cambios de temperatura y presin. c) Estado SLIDO; Tienen forma definida, varia muy poco su volumen con los cambios de temperatura y presin, y su estructura ntima es cristalina. Algunos vidrios y resinas tienen forma definida, pero al carecer de estructura cristalina AMORFOS - se pueden considerar como lquidos subenfriados, extraordinariamente viscosos. B. Propiedades de los gases: Teora cintica.- Las propiedades de los gases: Expansibilidad, falta de forma y superficie lmite y gran variabilidad de volumen con los cambios de presin y temperatura. Se explican satisfactoriamente por la teora cintica. La masa gaseosa est formada por un nmero extraordinariamente grande de partculas que se mueven a grandes velocidades en todas direcciones - MOVIMIENTOS CATICOS chocando unas con otras y con las paredes de los recipientes. As nos explicamos que el volumen ocupado sea todo disponible - EXPANSIBILIDAD - debido al carcter catico de los choques entre las partculas que se estn moviendo en todas direcciones. Como las fuerzas de dispersin predominan sobre las de cohesin, las partculas se comportan como libres e independientes, y por lo tanto el gas no presenta superficie lmite. La presin es debida a los choques de las partculas del gas con las paredes del recipiente, sobre las cuales ejercen un impulso mecnico. Al elevarse la temperatura, aumenta la velocidad de las propias partculas, y por lo tanto, su energa cintica, con lo cual los choques son ms violentos y la presin es ms alta. Si la presin se mantiene constante - por ejemplo, limitando el gas con un mbolo de peso conocido - en estas condiciones se eleva la temperatura, aumentando por consiguiente el volumen. Las partculas se pueden identificar con las molculas qumicas del gas - CO2, O2, N2, CH4, etc.- o bien con los tomos libres en el caso de los gases nobles: Helio (He2), Nen (Ne10), Argn (Ar18), Criptn (Cr36), Xenn (Xe54), Radon (Rn86), y Oberon (On118).

C. Propiedades de los gases PGINA 18

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Ley de Boyle.- A una temperatura determinada y para una masa definida de gas, el producto de la presin por el volumen es constante. P X V =k Volumen y presin son inversamente proporcionales.

Ley de Gay-Lussac.- Para una cierta masa de gas a una presin constante, el volumen crece linealmente con la temperatura. V = V0(1+ a t) [1]

a es el coeficiente de dilatacin de los gases y tiene el mismo valor para todos ellos. a =1/123 [2]

Si en la formula [1] hacemos V0 = 1litro y t = 1C, resulta V=1+a Esto nos permite definir el coeficiente de dilatacin a como el aumento de volumen que experimenta un litro de gas al elevar su temperatura en un grado centgrado. Para la presin, existe una ley idntica. P = P0(1 + a t) [3]

Es decir, la presin de una determinada masa gaseosa, a volumen constante, crece linealmente con la temperatura. El coeficiente a (1/273) equivale al aumento de presin que experimentara una masa gaseosa a volumen constante al calentarla 1C. PGINA 19

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Si en la frmula [3] hacemos P =0, puesto que P0 es distinto de cero, resulta que 1 + at =0 De donde: t =__1_____ = - 273C a Esto significa que a -273C la presin de cualquier gas se hace nula. Esta temperatura se llama CERO ABSOLUTO, y en l las molculas gaseosas estn en reposo, no ejerciendo, por lo tanto, presin alguna sobre el recipiente. El cero absoluto se emplea como origen de la escala absoluta de temperaturas (Kelvin), cuya amplitud del grado de temperatura es la misma que la centgrada usual. Por consiguiente, en esta escala, el punto de fusin del hielo es 273K, y el punto de ebullicin del agua es de 373K. En consecuencia, podemos afirmar que el volumen a presin constante, o la presin a volumen constante, son proporcionales a la temperatura absoluta. ECUACIN DE LOS GASES IDEALES Hiptesis de Avogadro: A igualdad de presin y temperatura, volmenes iguales de cualquier gas tienen el, mismo nmero de molculas. Una masa gaseosa a 0C. ocupar un volumen V0 y ejercer una presin P0. Manteniendo el volumen constante V0, elevamos la temperatura hasta tC. La nueva presin Pvendr medida por la formula. P0 X T P=-------------------[7] 273 Si a temperatura constante, t, dejamos variar libremente la presin y el volumen, segn la ley de Boyle, se cumplir: P X V = PX V0 Sustituyendo Ppor su valor [7], resulta: P0V0 PV=-------------- x T [8] 273

PGINA 20

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. P0V0 El cociente --------- depende nicamente de la masa gaseosa 273 Considerada. Para un mol de gas se ha determinado experimentalmente que a temperatura de 0c y presin de una atmsfera, el volumen que ocupa es de 22.4 litros y al valor de la constante P0V0 se le llama R. --------273 R es la constante universal de los gases y su valor es fcil de calcular; P0V0 R = --------[9] 273 Sustituyendo los valores anteriores: 1 atmsfera x 22.4 litros/mol R =-------------------------------------------- = 0.082 atms.x lt./Kx mol. 273K El hecho de que un mol de cualquier gas, es decir, N molculas ocupen a 0C y presin de una atmsfera 22.4 litros, es la confirmacin de la hiptesis de Avogadro. Este nmero N, como es 6.02 x 1023 molculas /mol. La ecuacin de los gases ideales [8] para un mol quedar de esta forma: P x V = RT [10]

Si en lugar de un mol, consideramos n moles, la constante ser n veces R, y la ecuacin: P x V =n RT [11]

Interpretacin de la frmula [11]: 1) Si T es constante, P x V = constante (ley de Boyle). 2) Si P es constante, V es proporcional a la temp. absoluta. 3) Si v es constante, P es proporcional a la temp. absoluta (Ley de Gay Lussac). 4) El producto P x V es independiente de la naturaleza del gas, de modo que slo depende del nmero de moles. LEY DE LAS MEZCLAS (O LEY DE DALTON) La presin ejercida por una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que ejercen por separado cada uno de ellos, si ocupamos el volumen total.

PGINA 21

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Si se consideran aisladamente los gases 1 y 2 en recipientes de igual volumen, la presin que ejerce el gas n 1 ser dada por la formula; P1V = n1 RT Y la que ejercer el gas N 2, ser; P2V = n2 RT Si sumamos las 2 ecuaciones nos dar; (P1 + P2) V = ( n1 + n2) RT [17] [16] [15]

Sabemos que la presin no depende de la naturaleza del gas, sino del nmero total de moles, al ser mezclados en un mismo recipiente y teniendo en cuenta que no reaccionan entre s, la mezcla resultante equivale a un gas homogneo cualquiera, que tenga un nmero de moles n igual a la suma del contenido de ambos; n = n1 + n2 P x V = nRT1

[18]2

Si se sustituye en la ecuacin [17] (n + n ) por n, y comparndola con la frmula [18] encontramos que; P=P +P1 2

Es decir que la presin total se puede considerar como la suma de las presiones parciales de todos los gases de la mezcla. Y as tenemos que las presiones parciales son proporcionales al nmero de moles de cada uno de ellos, as mismo si dividimos la ecuacin [15] entre la [16] tendremos; P1 n1 -------- = ------P2 n2 P1 n1 --------- = ------ = x1 P n

y dividiendo resulta: [19]

Y la resultante x1 es la llamada FRACCIN MOLAR del gas 1 en la mezcla y va a corresponder al nmero de moles de este gas, partido por el nmero total de moles.

Si tenemos varios gases mezclados: 1, 2, 3,4,....... n1 PGINA 22

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. x1 =------------------------------------n1 + n2 + n3+ n4+ ........ Segn la ecuacin [19] la presin parcial es el producto de la fraccin molar por la presin total; P1 = x1P [20]

EJEMPLO: Si tenemos una mezcla formada por 1).- 7 moles de N2, 2).- 2 moles de O2 y 3).- 1 mol de CO2 a una presin total de 5 atmsferas, cual ser la fraccin molar del O2 en la mezcla? 2 2 xO2 =-------------------- = ----- = 0.2 7 + 2 +1 10 Su presin parcial segn la formula [20]; P2 = x2 x P; (sustituyendo) p2 = 0.2 x 5 atm. = 1 atm. Recordemos que los volmenes parciales cumplen una ley similar a las de las presiones parciales. As podemos afirmar que el volumen ocupado por una mezcla de gases es igual a la suma de los volmenes que ocuparan cada uno de ellos, en recipientes separados, a la misma presin de la mezcla. El tratamiento matemtico es idntico, y podemos sealar: v1 = x1V [21]

En fisiologa respiratoria, las cantidades de gas que se manejan suelen expresarse en presiones parciales, medidas en mm. de Hg., o en volmenes parciales (en porcientos, %, en condiciones normales, es decir, P = 1 atm. y T = 0C. EJEMPLO: El aire que respiramos se compone de; 1).- un 78% de nitrgeno, 2).- un 21% de oxgeno, y 3).- un 1% de otros gases. Como calculamos la presin parcial de cada gas, si la presin total es de 1 atmsfera (760 mm. de Hg.)? Aplicando la formula [21] V1 x1 = ------------; a cada gas. V

Y sustituyendo los valores en la formula [20]; P1 = x1 X P = 0.78 X 760 = 593 mm de Hg. PGINA 23

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. P2 = x2 X P = 0.21 X 760 = 159.4 mm de Hg. P3 = x3 X P = 0.01 X 760 = 7.6 mm de Hg. ____________________________ Presin total = 760 mm. de Hg. (1 Atmsfera) SOLUBILIDAD, ABSORCIN Y ADSORCIN En fisiologa son las propiedades de mayor importancia de los gases, y tienen inmediata aplicacin sobre todo en la fisiologa respiratoria sobre todo en forma concreta en el intercambio gaseoso, tanto a nivel de los alvolos pulmonares como a nivel tisular, independientemente del transporte de los mismos por la sangre circulante. En la funcin respiratoria, en su fase pulmonar, son fundamentalmente importantes los fenmenos de difusin del oxgeno y del dixido de carbono, a travs de la membrana alveolar, en el sentido que marcan los gradientes de concentracin: el oxgeno difunde del alveolo a la sangre venosa transformndola en sangre arterial, y el dixido de carbono de la sangre venosa al alvolo, as tambin observaremos que en los tejidos, la concentracin de dixido de carbono difunde al glbulo rojo de la sangre, y el oxgeno llevado a nivel tisular difunde hacia los tejidos celulares. El estudio de la difusin de los gases en esta funcin justifica el conocimiento de estas propiedades de los gases. A. SOLUBILIDAD: La disolucin de un gas en un lquido es la interposicin mecnica de las molculas de gas entre las del lquido, formando una fase lquida nica. La saturacin de un lquido por un gas a temperatura y presin dadas, es cuando el nmero de molculas del gas que se disuelven en el mismo es igual al nmero de ellas que se escapan de l. LEY DE HENRY: La solubilidad de un gas en un lquido es proporcional a la presin parcial del gas. s1 = k1P1 [23]

Recordando y aplicando las formulas anteriores, encontramos que la solubilidad de un gas en un lquido es proporcional a la fraccin molar y a la presin total, ya que; (P1 = x1P1), y va a depender de la naturaleza del gas (k1 es una constante especfica). s1 =k1x1P [24]

El gas que mejor se amolda a la ley de Henry es el N2, en su solubilidad en sangre.

El COEFICIENTE DE SOLUBILIDAD, es la cantidad de gas disuelto por un ml. de lquido a la presin de una atmsfera y a una temperatura determinada. PGINA 24

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Los coeficientes para los gases de la sangre son: O2 0.022 ml. CO2 0.510 ml. N2 0.013 ml. Para calcular la solubilidad del oxgeno en 100 ml. de plasma, sabiendo que est a presin parcial de 100 mm. de Hg., su fraccin molar, aplicando la frmula [19], ser. P2 100 x2 = ------------ = ---------y utilizando la frmula [24] P 760 100 S2 =0.022 x ----------- x 1 = 0.0029 ml. gas/ml. de plasma 760 Solubilidad del oxgeno: S2 (en 100 ml.) = 0.29 ml. de gas As tambin, calculamos la solubilidad del CO2, en 100 ml. de plasma, sabiendo que est a una presin parcial de 40 mm. de Hg., ser: 40 S3 = 0.510 x ----------- x 1 x 100 = 2.68 ml. de gas 760 Cuando con fines teraputicos empleamos el aire enriquecido de oxgeno, veremos la aplicacin prctica de la importancia fisiolgica de la ley de Henry, ya que este aire enriquecido facilita el transporte por la aplicacin del aumento de la solubilidad, pudindose mantener el aporte de oxgeno adecuado en los casos de insuficiencia respiratoria. En efecto, si x2 para el oxgeno crece, crece tambin proporcionalmente su solubilidad en la sangre y su aplicacin adecuada en biologa. Tambin observaremos que, la influencia de la presin total en la solubilidad de los gases reviste especial inters en condiciones extremas. Y por ejemplo, cuando los buceadores respiran a presiones de ms de 8 atmsferas, la solubilidad del nitrgeno es 8 veces mayor, y un descenso brusco de la presin total - DESCOMPRESIN - disminuira de tal forma la solubilidad que podra liberarse nitrgeno gaseoso en la sangre - embolias -, con graves consecuencias. En estos casos, el aumento de de solubilidad del gas inerte puede subsanarse sustituyendo el nitrgeno por el helio, que tiene menor coeficiente de solubilidad, y por eso disminuye el riesgo de embolia por descompresin. El oxgeno y el dixido de carbono pasan de los alvolos a la sangre por solubilidad y, en parte, se transportan simplemente disueltos, aunque la fraccin que tiene ms importancia fisiolgica es la que se transporta fija o absorbe qumicamente, lo cual estudiaremos ms adelante. B. ABSORCIN: A la fijacin de un gas en un lquido o en un slido en toda su masa, generalmente por PGINA 25

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. una reaccin qumica, se le conoce como absorcin. El cido sulfrico concentrado, por ejemplo, fija el vapor de agua por absorcin, desprendiendo gran cantidad de calor y pudiendo deshidratar otros cuerpos. El cloruro de calcio, tambin fija el vapor de agua, llegando a disolverse en el agua absorbida (higroscopia). El gel de slice puede fijar gran cantidad de agua sin perder su naturaleza de slido. Los hidrxidos de sodio y potasio fijan CO2 hasta formar bicarbonato. El CO2 se fija en la sangre, principalmente por absorcin, debido a la alcalinidad del medio, segn las reacciones qumicas que se estudiarn ms adelante. C. ADSORCIN: Se llama adsorcin a la fijacin de un gas en la superficie de un slido. Esta se realiza solamente en la superficie y no en toda la masa, y las fuerzas de fijacin son de tipo fsico y qumico, de valencia. Un ejemplo de adsorcin, es la fijacin del xido de carbono (CO) sobre carbn activo, utilizado en las caretas anti - gas. Observndose en la figura, que esquemticamente la fijacin de las molculas gaseosas de CO sobre la gran superficie del carbn adsorbente, hasta alcanzar un equilibrio que depende de la presin gaseosa.

La adsorcin de un gas en un slido crece muy rpidamente hasta ocupar el gas todos los puntos activos de la superficie, llegndose entonces a la saturacin.

ISOTERMA DE LANGMUIR; es la ecuacin que relaciona la cantidad de sustancias adsorbidas con la presin de gas, o la concentracin en el medio liquido que puede rodear al slido. PGINA 26

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. c a = k1 -------------c + k2 P a = k1 -------------P + k2 [25]

[26]

a representa la cantidad de gas adsorbido, c su concentracin si el adsorbente est en medio lquido, p la presin de gas si el adsorbente est en medio gaseoso, y las constantes; k1 y k2 dependen de la pareja adsorbente - gas a adsorber. Y podemos deducir de ellas las dos leyes de adsorcin. 1) Si la presin es muy baja, P es despreciable frente a k2; y entonces el denominador es prcticamente k2, simplificndose la formula [26] y trasformndose en: k1 a = -------------- P k2 [27]

As resulta que a presiones bajas, la adsorcin es proporcional a la presin parcial del gas a adsorber. 2) Si la presin es muy alta, k2 resulta despreciable frente a P, y entonces el denominador es prcticamente P, resultando que en la formula [26], a = k1. A presiones altas, la cantidad adsorbida es constante, y aunque aumente la presin -estado de saturacin - no se fija ms gas, porque toda la superficie activa est cubierta.

En la grfica, se observa que a presiones bajas la adsorcin crece linealmente - la curva coincide con su tangente -, y a presiones altas se hace horizontal (pendiente nula que corresponde al estado de saturacin). PGINA 27

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. La unin del oxgeno a la hemoglobina, esencial para el transporte por la sangre circulante, se hace en puntos determinados de la molcula por un fenmeno de adsorcin. Las fuerzas de fijacin son las valencias residuales del hierro, que es capaz de coordinacin hexavalente, ocupando los seis radicales los vrtices de un octaedro. En efecto, la molcula de hemoglobina contiene 4 anillos porfirnicos con sus correspondientes tomos de hierro, en cada uno de ellos puede fijarse una molcula de oxgeno, de modo que una molcula de hemoglobina puede transportar hasta ocho tomos de oxgeno adsorbidos en su superficie. D. DIFUSIN: La cantidad de gas que difunde por una superficie es directamente proporcional al gradiente de concentraciones, al rea de la superficie, y al tiempo que dura el fenmeno; y es inversamente proporcional a la raz cuadrada de la densidad del gas. La difusin en si es muy simple, y su estudio terico es muy fcil, porque est influida slo por la masa molecular de las masas gaseosas. Pero la difusin en los pulmones o en los tejidos es un fenmeno ms complejo, porque en los mecanismos de disolucin, que condicionan la velocidad de difusin, intervienen otros factores que complican el problema: a) Adsorcin del oxgeno sobre la hemoglobina, b) Mecanismos enzimticos de formacin de cido carbnico a partir del CO2 y, c) La absorcin de los hidrogeniones por la dbil alcalinidad del plasma. Para explicarse este mecanismo de difusin en un medio homogneo, podemos imaginar una cavidad llena de agua con oxgeno en un extremo; las molculas de oxgeno se movern al azar y en todas direcciones, de acuerdo con la teora cintica, chocando unas con otras y con el disolvente. Como consecuencia de este movimiento, el gas tender a llenar uniformemente toda la cmara de agua.

Se habr producido, un fenmeno de difusin desde el extremo en que el oxgeno estaba concentrado, al extremo en que estaba ms diluido, (ver figura) PGINA 28

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Suponiendo el depsito cerrado, se llegara a un equilibrio cuando la concentracin de O2 fuera uniforme en su interior, pero esto no sera el final de la difusin; significa, no que la difusin ha terminado, sino que el mismo nmero de molculas difunden tanto en un sentido como en el otro: se ha establecido un equilibrio dinmico. Supongamos ahora que, por medio de un dispositivo cualquiera, en un extremo de la cavidad se mantienen altas concentraciones de O2, y en el otro bajas; Habra as un gradiente de presin, y entonces la difusin sera continua y permanente en el sentido de tender a uniformar las concentraciones. Adems del gradiente de concentracin, otros factores influyen en la velocidad de difusin de un gas en un lquido: a) Solubilidad del gas en el lquido, b) Superficie de difusin considerada normal al gradiente de concentracin del gas, c) Distancia a la cual el gas tiene que difundir, d) Masa molecular del gas, e) Viscosidad del lquido, f) Temperatura del mismo lquido. En el organismo, en condiciones normales, estos dos ltimos factores, permanecen prcticamente constantes, por lo que se puede estudiar la difusin con suficiente exactitud sin necesidad de tenerlos en cuenta. La difusin aumenta con la solubilidad del gas, porque a igual gradiente de presin, el nmero de molculas gaseosas en movimiento ser ms elevado cuanto mayor sea la solubilidad del gas. Tambin aumenta con la superficie de difusin considerada. En cambio disminuir con la distancia que han de recorrer las molculas al difundir y con la raz cuadrada de su masa molecular, porque a igualdad de temperatura, la velocidad de las partculas gaseosas disminuye en cuanto aumenta la masa molecular. Si expresamos esto en una formula, ser: S x s x DP v = ---------------------d M v = velocidad de difusin, S = superficie, s = solubilidad, P = diferencia de presin entre los extremos, d =distancia entre los extremos, M = la masa molecular del gas. Aplicando esta formula a los distintos gases, cuya difusin tienen inters fisiolgico sometindolos a condiciones idnticas y considerando el coeficiente de difusin del oxgeno igual a 1, resultan los siguientes valores: PGINA 29

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. a) dixido de carbono = 20.3, b) nitrgeno = 0.53, c) helio = 0.95, d) oxgeno = 1.00, La difusin de los gases por los tejidos puede considerarse como difusin en agua, porque el agua es el disolvente de los lquidos; extracelular (intersticial y circulante) e intracelular, y es despreciable la resistencia que ofrecen las membranas celulares. Por ejemplo en la difusin alvolo capilar que es el paso de los gases respiratorios por una serie de membranas y lquidos que separan la cavidad alveolar del protoplasma del glbulo rojo. La resistencia del conjunto de estructuras que forman esta barrera: a) membrana alveolar, b) capa intersticial, c) membrana capilar, d) plasma sanguneo y e) membrana del glbulo rojo. De un espesor de que vara entre 0.5 a 4 micras, es prcticamente despreciable en condiciones normales. La superficie de difusin pulmonar tiene un rea muy extensa de unos 50 a 70 m2, es muy favorable para la difusin. La capacidad de difusin de la membrana respiratoria se define como el volumen de gas que difundir a travs de la membrana cada minuto, siendo el gradiente de 1 mm. de Hg. Para adultos normales en reposo, este volumen de O2 es del orden de 21 ml. por minuto, y tomando como promedio de gradiente de presin normal de O 2 alveolo capilar, 11 mm. Hg., aproximadamente, resulta un total de difusin de O2 por minuto de 250 ml., cifra que iguala al O2 consumido por los tejidos, en condiciones normales en un adulto en reposo. Cuando el consumo de oxgeno aumenta, por ejemplo en el ejercicio muscular, la capacidad de difusin de oxgeno tambin aumenta, como efecto compensador a la adaptacin en la circulacin pulmonar. En la funcin pulmonar, se observa con facilidad el estudio del estado gaseoso, y como un factor importante es el gradiente de la presin alveolocapilar, condicionado, en primer trmino, por la composicin del aire alveolar, dependiente a su vez de la composicin del aire atmosfrico. El aire alveolar difiere del atmosfrico en que est saturado de agua, empobrecido de O2, ya que existe una constante difusin del mismo hacia la sangre, y as mismo esta enriquecido de CO2, por la difusin de este de la sangre hacia el alveolo. PGINA 30


Observando el cuadro anterior, vemos que el aire atmosfrico, en cuanto penetra a las vas respiratorias, se carga de vapor de agua - el aire traqueal es aire atmosfrico humedecido - por la evaporacin continua en toda la superficie de las vas respiratorias y el parnquima. Por lo anteriormente sealado, vemos que en el interior del aparato respiratorio hay siempre un grado de humedad muy uniforme. Revisando la tabla sealada, se comprender que la diferencia de concentraciones de gases entre el aire atmosfrico y el aire inspirado, est condicionada por la concentracin de vapor de agua. El aire espirado es una mezcla de aire alveolar con aire del espacio muerto, entendiendo este al volumen de las vas respiratorias, hasta las ultimas ramificaciones bronquiales, que comprende aproximadamente unos 150 cc, y puede definirse como el volumen de aire que no se ha mezclado, con el aire alveolar, no habindose utilizado para los intercambios gaseosos. La composicin del aire espirado no es uniforme sino que, a medida que avanza la espiracin, va disminuyendo el O2 y aumentando el CO2. Al principio es casi igual que el aire del espacio muerto, y al final de la espiracin es igual al aire alveolar puro. El aire de la cavidad alveolar est continuamente renovndose por la mezcla con el aire atmosfrico que est aportando O2, paralelamente a la difusin desde el alveolo a la sangre circulante, que tiende a empobrecer de O2 al aire alveolar. Entre estas dos influencias de sentido contrario se establece un equilibrio, y la composicin del aire alveolar se mantiene muy aproximadamente constante, porque los movimientos respiratorios de la caja torcica se adaptan a las necesidades de la respiracin, sobre todo a las necesidades tisulares, bajo la influencia de los controles de la propia respiracin.

La concentracin de oxgeno en los alvolos, o lo que es lo mismo, presin parcial de 02 en la cavidad alveolar (PO2), es factor decisivo para mantener el gradiente necesario para una difusin adecuada y la fijacin en la sangre (adsorcin en los grupos heme de la hemoglobina). Cuando la ventilacin es anormal y se administra oxgeno con fines teraputicos, se PGINA 31

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. mantiene la oxigenacin de la sangre arterial a expensas de un gradiente alvolo capilar muy superior a lo normal. Respirando oxgeno puro a la presin de 1 atmsfera, en el aire alveolar, resulta: O2 = 673 mm. de Hg. CO2 = 40 mm de Hg. Agua = 47 mm. de Hg. TOTAL =760 mm. de Hg. El oxgeno que transporta la sangre va fijado a la hemoglobina por la adsorcin, de modo que transporta mayor volumen del mismo a mayor presin parcial de este gas. La fijacin o separacin del oxgeno de la hemoglobina se modifica, tambin en condiciones fisiolgicas por diversos factores, que la aceleran o la retardan, y por eso a un determinado valor de PO2, la disociacin real puede ser mayor o menor que en las condiciones ya mencionadas. La importancia fisiolgica de estos cambios estriba en que el grado de disociacin, a igual presin de O2, depende de que la actividad celular sea de mayor o menor intensidad, de tal modo que si la actividad metablica aumenta, es mayor el grado de disociacin del oxgeno, para un mismo valor de presin parcial de oxgeno. El nivel de actividad metablica de la clula, se traduce en cambios de temperatura, presin de CO2, pH, etctera. Toda una serie de fenmenos se suceden en la respiracin y se pueden agrupar: 1) Ventilacin: Mecanismo por el cual el oxgeno llega de la atmsfera al alvolo, y se elimina el bixido de carbono del alvolo a la atmsfera. 2) Difusin: Paso del oxgeno a travs de los espacios intersticiales; a) Alvolos. b) Lecho capilar-celular. 3) Perfusin y transporte de oxgeno: Fenmenos que ocurren para trasladar el oxgeno de los pulmones a las clulas del organismo. 4) Respiracin celular: Utilizacin celular del oxgeno con liberacin de energa y dioxido de carbono a travs de la cadena oxirreductora.

PGINA 32


PROPIEDADES DE LOS LQUIDOS: Las caractersticas de los lquidos se explican por la teora cintica, son en buena parte fundamentales para el estudio de mecanismos fisiolgicos, aunque algunos aspectos como son; compresibilidad, dilatacin, etc. son de inters secundario en las condiciones fsicas del organismo, y no ser necesario detallarlos. En el estudio de la materia, los lquidos son de estructura intermedia entre los slidos y los gases, se caracterizan por presentar, como los gases, isotropa y fluidez. Sin embargo, sus molculas estn empaquetadas y organizadas como en los slido; esta organizacin se modifica y se reconstruye constantemente, (comprobado por estudios de rayos X). Por ejemplo en el agua, cada tomo de oxgeno es el centro de un tetraedro cuyos vrtices son cuatro hidrgenos, dos de los, cuales pertenecen a otras molculas de agua.

PGINA 33


Las fuerzas que unen las molculas son de puente de hidrgeno; as observamos en la figura la ordenacin de las molculas de agua en su fase de lquida, anloga a la ordenacin del hielo, ordenacin que se va haciendo ms lbil a medida que se eleva la temperatura, dando como efecto aumento de la energa cintica. a) VAPORIZACIN: El paso de lquido a gas se realiza con absorcin de calor, su utilidad fisiolgica es fcil de comprender. La absorcin de calor en la vaporizacin del agua significa prdida de calor por el organismo, y es factor importante en la regulacin de la temperatura corporal. b) PRESIN DE VAPOR DE UN LQUIDO: A una temperatura determinada, es la presin gaseosa que ejercen las molculas vaporizadas en el vaco y en equilibrio con el lquido. Revisaremos el experimento de Torricelli, con la finalidad de comprender el significado de la presin de vapor: En un tubo de 1 metro de longitud, lleno de mercurio, se invierte sobre una vasija con Hg., alcanza, en condiciones normales, la altura de 760 mm. con relacin al nivel de la vasija, quedando sobre el Hg. un espacio prcticamente vaco. S, con un dispositivo especial y adecuado, vamos introduciendo gotas del lquido problema en el interior de la columna, ascienden hasta la superficie del Hg. y se vaporizan, hasta que una gota permanece lquida en la superficie del Hg. En este momento la cmara superior ha quedado saturada de vapor. La presin que ejerce el vapor saturante, que viene medida por el descenso de la columna, se le llama presin de vapor del lquido a la temperatura del experimento.

PGINA 34

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. La presin de vapor de los lquidos crece al aumentar la temperatura, puesto que el fenmeno absorbe calor, y puede considerarse independiente de la presencia de otros gases o vapores. Es decir, si la presin de vapor de agua a 37C es de 47 mm. Hg. en el vaco, en el aire alcanzar el mismo valor, y la diferencia es despreciable. La constancia de la presin de vapor de agua a 37C y la disminucin de la presin atmosfrica total con la altitud permiten calcular la presin parcial de oxgeno a distintos niveles sobre la tierra, como se aprecia en la tabla siguiente:

Aproximadamente a 5,000 metros la presin atmosfrica es la mitad de la normal y (deducida la presin de vapor del agua) resulta un valor de PO2 excesivamente bajo en el alvolo, que no basta para saturar la hemoglobina. A altitudes todava mayores, la presin parcial de oxgeno se hace tan baja que exige el suministro de oxgeno complementario por medio de aparatos adecuados, sin los cuales la supervivencia es imposible. En la siguiente tabla se representa la variacin de presin de vapor de agua en funcin de la temperatura, incluyendo la presin de vapor de hielo, datos todos ellos muy interesantes para el estudio de las propiedades coligativas.

PGINA 35

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. La vaporizacin puede tener lugar de dos formas: a) Evaporacin y b) Ebullicin. Evaporacin; es la vaporizacin del lquido a nivel de la superficie libre, porque su presin de vapor es inferior a la presin externa. El fenmeno tiene lugar hasta que la masa de gas en contacto con la superficie del lquido est saturada de vapor. Ebullicin; es la vaporizacin de un lquido en toda su masa, formando burbujas de vapor, debido a que su presin de vapor iguala o supera la presin externa. Cuando la ebullicin tiene lugar en la atmsfera, en condiciones normales, la temperatura del lquido se mantiene constante mientras dura el fenmeno. Para el agua la temperatura de ebullicin a 760 mm. de Hg. es de 100C. Todo descenso de la presin exterior, por enrarecimiento de la atmsfera en que se vaporiza el lquido, determina un descenso de la temperatura de ebullicin; y por el contrario, todo aumento de la presin exterior eleva la temperatura de ebullicin. Solidificacin; Es el paso de lquido a slido. Al descender la temperatura, las fuerzas de dispersin de las molculas desligadas originadas por la energa cintica se hacen menores que las fuerzas de cohesin, por lo que las molculas quedan fijas en los nudos de la red cristalina del slido. Para el agua la temperatura de solidificacin en la atmsfera es de 0C. Cuando la presin aumenta, la temperatura de congelacin disminuye muy ligeramente. Viscosidad; Es la resistencia al deslizamiento de un fluido por rozamiento interno. La fuerza necesaria, f, para deslizar una capa de fluido con respecto a otra, es proporcional a la superficie y a la variacin de velocidad por unidad de longitud, llamada gradiente de la velocidad dv/dx. En la frmula;

La constante h se llama coeficiente de viscosidad del fluido, o simplemente viscosidad del fluido. La viscosidad se mide en POISES, siendo un poise la viscosidad de un lquido en el que, PGINA 36

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. para deslizar una capa de 1 cm2 de superficie a la velocidad de 1 cm/seg., respecto a otra estacionaria situada a un cm, fuese necesaria la fuerza de una dina. Como el poise es una unidad demasiado grande, se emplea el milipoise, que es igual a 10-3 poises. En la tabla siguiente figuran las viscosidades de algunos lquidos, medidas a 20C en milipoises. Son especialmente viscosos la glicerina, el aceite, cido sulfrico, y pocos viscosos el ter y la acetona.

La viscosidad de los lquidos suele decrecer rpidamente al aumentar la temperatura, y la fluidez (expresin inversa a la viscosidad) crece notablemente con la temperatura, como se observa por ejemplo en aceites, vaselinas, etc. La viscosidad es una propiedad importante para el estudio de la circulacin sangunea y la estudiaremos en el momento de su aplicacin fisiolgica. Tensin superficial; Esta propiedad es la que fundamentalmente diferencia el estado lquido del gaseoso, es efecto de la misma fuerza con que se atraen mutuamente las molculas, esta fuerza se denomina cohesin, y tiende a impedir el paso de lquido a gas, siendo determinante de la existencia de superficie lmite que distingue el lquido del gas. La cohesin, por lo tanto, es una fuerza que, como resultado de la atraccin mutua entre las molculas, tiende a la mnima superficie lmite. Esta tensin superficial, que tiende a reducir la superficie, se expresa como energa de superficie. La energa de superficie se define como el trabajo necesario para aumentar en un cm2 la superficie libre del lquido. Coincide en valor numrico con la tensin superficial, y se puede expresar en ergios/cm2, o en dinas/cm. La explicacin cintica de la tensin superficial es fcil observando el esquema clsico:

PGINA 37


La molcula situada en el interior de la masa lquida est rodeada uniformemente por molculas de la, misma naturaleza y en consecuencia, experimenta el efecto de la fuerza de cohesin de un modo uniforme en toda su superficie, es decir, est atrada por igual en todas direcciones y la resultante es nula. En cambio, la molcula situada en la superficie libre del lquido se encuentra en tales condiciones que la mitad de la superficie experimenta la atraccin hacia el interior del lquido, mientras que la otra mitad est rodeada de molculas en fase gaseosa, que no ejercen fuerza atractiva apreciable, por lo que predomina por completo la cohesin, y la molcula es atrada fuertemente hacia el interior de la masa lquida. As, la capa de molculas superficiales, sobre la que no actan ms fuerzas que las atractivas hacia el interior del lquido, se ha podido comparar con una membrana elstica, aunque, naturalmente, esta tendencia a la reduccin de la superficie a un mnimo, difiere del todo de la elasticidad en estricto sentido mecnico. El valor de la tensin superficial depende en parte de la sustancia en contacto con la superficie libre. No es lo mismo si es aire, un slido, o cualquier otro lquido, porque la resultante de dos fuerzas antagonistas (cohesin y atraccin entre partculas del lquido partculas de la sustancia en contacto con la superficie) dar valores diferentes en cada caso. En la siguiente tabla se observan los valores de tensin superficial de algunos lquidos, medidos a 20C, en la superficie entre lquidos y aire.

PGINA 38

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. La tensin superficial de un lquido se modifica, adems, por otros factores. Algunas sustancias disueltas disminuyen la tensin superficial del disolvente, fenmeno que se llama actividad capilar, por ejemplo, los jabones, en mnimas cantidades originan un considerable descenso de la tensin y las sales biliares realizan su funcin fisiolgica produciendo un descenso de la tensin superficial que facilita la emulsin y por consiguiente, la digestin de las grasas en el intestino. Las sales inorgnicas, por el contrario, suelen aumentar la tensin superficial del disolvente y entre ellas las sustancias que presentan una polaridad ms fuerte son las que ms marcadamente elevan la tensin. Se comprende que los compuestos polares suelen aumentar la tensin superficial del agua, porque a consecuencia de su polaridad, pueden atraer otras molculas polares, como el agua, con lo que resulta reforzado el fenmeno de la cohesin. En cambio, las molculas con grupos no polares, como no presentan atraccin con las polares, se acumulan en la superficie aumentando la distancia entre las molculas acuosas, y disminuyendo el efecto de cohesin. La tensin superficial es una fuerza que participa en diversos fenmenos biofsicos, normales o patolgicos, por ejemplo, en las alteraciones de la retraccin elstica del pulmn. Actualmente se sabe que en la superficie interna de la cavidad alveolar se encuentra una fina pelcula de lquido (surfactante pulmonar) que disminuye la tensin superficial en la interfase con el aire. Cuando falta esta sustancia, la tensin superficial aumenta, lo cual puede dar origen a diversos trastornos respiratorios, como es la llamada enfermedad de la Membrana Hialina del recin nacido. Miscibilidad de lquidos: Dos lquidos son totalmente miscibles, cuando las molculas de uno pueden dispersarse homogneamente en el seno del otro en cualquier proporcin. Si la capacidad de dispersin no puede sobrepasar determinadas proporciones, se dice que los lquidos son parcialmente miscibles. La miscibilidad de los lquidos est ntimamente relacionada con su estructura qumica. Las molculas pueden interponerse con mayor facilidad cuando originan campos elctricos anlogos, es decir, cuando tienen parecida polaridad, y por eso los lquidos fuertemente polares son totalmente miscibles entre s, por ejemplo agua, alcohol, glicerina, acetona, cido actico, etc., como, por otra parte, tambin son miscibles entre s los apolares, por ejemplo ter, hexano, benceno, cloroformo, tricloetileno, etc. Dos lquidos no miscibles, o parcialmente miscibles, forman dos fases lquidas superpuestas con una superficie de interfase, en la que ocurren una serie de fenmenos que abordaremos en su momento ms adelante.

PGINA 39

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Los lquidos orgnicos se disuelven en agua cuando en sus molculas predominan los grupos polares sobre los apolares, y se disuelven en los llamados disolventes de las grasas (ter, cloroformo, tetracloruro de carbono, benceno, ter de petrleo, etc.) cuando predominan los grupos apolares. Les anexo un cuadro del apndice del texto, con las caractersticas de miscibilidad de los lquidos de mayor importancia en biologa.

EL AGUA Y SU SIGNIFICADO EN BIOLOGA: El agua es un xido de hidrgeno con indicios (0.02 %) de xido de deuterio o agua pesada. El hidrgeno de deuterio o agua pesada se pueden separar de las molculas formando iones. H2O --------> OH- + H+ D2O --------->DO- + DEn el agua natural se encuentran molculas de tres tipos ( HOH, HOD, DOD.) entre las cuales hay un fcil intercambio, pero predominan tanto las molculas HOH, que casi pueden considerarse como exclusivas. El agua es un lquido asociado tpico, lo cual significa que sus molculas se unen unas a PGINA 40

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. otras mediante un enlace por puente de hidrgeno, que afecta profundamente sus propiedades. En la tabla siguiente observaremos algunas de las constantes fsicas del agua, comparativamente con otros lquidos anlogos.

El oxgeno del ter dimetlico (metoximetano) no puede establecer enlace por puente de hidrgeno, pero s el oxgeno del metanol, que tiene una valencia unida al H, y en mayor proporcin el agua, porque las dos valencias del oxgeno, estn unidas al H. De estos tres lquidos, el agua tiene el punto de ebullicin ms alto (aunque su masa molecular es la ms baja de los tres) precisamente por la existencia de numerosos puentes de H. Anlogamente la temperatura crtica (temperatura por encima de la cual el gas no se puede licuar) tambin parece que tendra que ser ms baja para el agua, pero ocurre lo contrario, por la existencia de los mismos puentes de hidrgeno.

SIGNIFICACIN FUNCIONAL DE LAS PROPIEDADES DEL AGUA: Las propiedades del agua son la base fisicoqumica de una serie de funciones esenciales para la integridad del organismo. El agua es el disolvente general del organismo que condiciona los fenmenos osmticos, mantiene el edo. coloidal del protoplasma y transporta los compuestos nutritivos y los productos de desecho de la actividad celular. La inmensa mayora de las reacciones qumicas del metabolismo se realizan en disoluciones acuosas, participando el agua directa o indirectamente.

PGINA 41

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. El contenido de agua es variable de unos a otros organismos, algunos de los cuales tienen hasta un 95%. En general, los tejidos ms jvenes tienen ms agua. En el embrin de mamfero la proporcin de agua es superior a la que se puede determinar en cualquier fase ms avanzada del desarrollo, y es mnima la proporcin de agua en las fases de envejecimiento. Vara tambin el contenido acuoso de los diferentes tejidos, y es mximo, como es lgico, en los medios lquidos del organismo. As observamos, en la siguiente tabla algunos datos comparativos:

Por su notable conductividad trmica, que es mayor que la de ningn otro lquido orgnico, el agua influye en la termorregulacin, porque por esta propiedad puede fcilmente conducir el calor y por lo tanto igualar con rapidez la temperatura de todos los sectores del medio interno y naturalmente de las propias clulas. Por su elevado calor especfico, contribuye notablemente a estabilizar la temperatura del organismo. Debemos recordar que el calor especfico de un cuerpo es el nmero de caloras que es necesario suministrar a un gramo de este cuerpo para elevar su temperatura de 15 a 16C. El calor especfico del agua, igual a 1, resulta ms elevado que el de cualquier otro lquido, lo que significa que para elevar la temperatura de una solucin acuosa hace falta un mayor aporte de calor que para la misma elevacin de temperatura de una disolucin de cualquier otro solvente.

PGINA 42

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Y as debido a este poder de almacenamiento de calor, consecuencia del alto calor especfico del agua, el organismo dispone de un mayor mecanismo amortiguador que evita o disminuye la elevacin de la temperatura corporal. Se ha calculado que las 3,000 caloras que por trmino medio se liberan en 24 horas, en el hombre, en condiciones normales, seran capaces de elevar la temperatura del organismo hasta 100 C. o 150C., si el disolvente fuese cualquier otra sustancia distinta del agua. Su alto calor latente de vaporizacin, que se presenta por la energa absorbida al evaporarse, permite mantener la temperatura del organismo ms baja que la del ambiente. Y se conoce a este calor latente de vaporizacin, a la cantidad de calor que se ha de proporcionar a un gramo de lquido para transformarlo en vapor, a su temperatura de ebullicin. El calor latente de vaporizacin del agua es de 536 caloras y es mayor del que se necesitara para vaporizar un volumen igual de cualquier otro disolvente. El organismo pierde continuamente agua por diferentes sitios, como son por la piel, y los pulmones, en forma de vapor de agua, as como tambin en forma lquida por los riones y por las heces fecales, ahora bien la vaporizacin del agua, al ser evaporado el sudor, absorber mucho ms calor que si se evaporase cualquier otro lquido. Tenemos as otro mecanismo amortiguador que frena la elevacin de la temperatura corporal absorbiendo calor. La tensin superficial del agua es la ms alta, despus del mercurio, por lo que casi todas las sustancias disueltas en agua son capilarmente activas. La constante dielctrica de un lquido nos da la medida de la capacidad que tienen para mantener separados los iones de carga opuesta y la del agua es muy elevada, se le considera muy aislante, y es slo inferior a la de la sangre y la orina, lo que favorece la disociacin de los electrlitos disueltos en ella. As como una fuerte capacidad para mantener un grado de disociacin elevado de los cuerpos que disuelve. La lecitina y la colesterina, por el contrario, poseen una constante dielctrica notablemente menor que el agua, y son precisamente los componentes principales y fundamentales de la membrana celular. Siendo esta una de las caractersticas que revisten importancia fisiolgica. PGINA 43

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Las propiedades que se derivan de ser el agua un electrolito dbil, dando como

consecuencia efectos sobre el equilibrio cido/base, fenmenos de hidrlisis a nivel de membrana, conductividad elctrica, etc., sern objeto de estudio y aplicaciones prcticas de la fisiologa, como veremos ms adelante. ESTADO MESOMORFO O LQUIDO CRISTALINO: Entre los slidos tpicos (cristalinos) y los lquidos tpicos (fluidos) se encuentran dos estados intermedios que son: a) Mesomorfo y b) Amorfo. Los mesomorfos son esencialmente lquidos (fluidos, con tensin superficial, etc.) pero en lugar de ser istropos, presentan anisotropa, como sucede en los slidos, debido a la ordenacin de sus molculas en el seno del lquido. Entendiendo por isotropa a la distribucin de propiedades pticas, elctricas, mecnicas, etc., por igual en cualquier direccin del espacio y anisotropa al fenmeno contrario, los lquidos son istropos y los slidos anistropos, debido a la ordenacin cristalina peculiar. Las sustancias con ordenacin parcial como son las lecitinas, embebidas de agua o las molculas filiformes de protenas, constituyen ejemplos de comportamiento mesomorfo, estos por calentamiento sufren un cambio brusco de propiedades y fundamentalmente pasan de turbios a transparentes, y de anistropos a istropos,. Y la temperatura a que ocurren estos cambios se llama punto de fusin del cuerpo mesomorfo. ESTADO VITREO O AMORFO: El vtreo o amorfo es un estado aparentemente slido pero con algunas propiedades de los lquidos. Comnmente se consideran como slidos los vidrios, ya que presentan forma propia, superficie lmite, volumen poco variable con la temperatura y adems consistencia anloga a los slidos. Sin embargo, tienen isotropa como los lquidos, ya que sus propiedades pticas, elctricas, mecnicas no dependen de la direccin considerada. No tienen punto de fusin determinado, sino que al elevarse la temperatura, sufren un reblandecimiento o fluidificacin progresiva, disminuyendo la viscosidad hasta llegar a lquidos verdaderos. Por lo anteriormente mencionado, los vidrios se consideran como lquidos subenfriados y extraordinariamente viscosos. Ejemplos de vidrios son los silicatos alcalinos y la slice, solidificados rpidamente PGINA 44

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. despus de fundir, son transparentes y duros, su estructura ntima es anloga a la de los slidos, `pero sin guardar los tomos una simetra tan rigurosa.

Por ejemplo observamos el xido de boro (B2O3) en las dos formas: Cristalina y Vtrea:

ESTADO SLIDO: El estado slido de la materia, se caracteriza por la constancia de forma y volumen dentro de ciertos lmites. La forma puede cambiar a plasticidad o recuperarse por elasticidad, despus de una deformacin. El volumen crece reversiblemente con la temperatura, aunque mucho menos que en los lquidos. En sentido riguroso se consideran slidos a los cuerpos cristalinos, que son aquellos cuyos tomos y molculas o iones, ocupan posiciones fijas formando una red tridimensional. Cuando los nudos de la red estn formados por tomos, se originan cristales atmicos, por ejemplo el diamante, que suele ser de mucha dureza por la dificultad en romper los enlaces covalentes, tienen punto de fusin muy elevado. PGINA 45

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. Si los nudos de la red estn ocupados por iones positivos y negativos, el cristal es inico de tipo salino, por ejemplo el CLNa, las fuerzas que mantienen fijos los iones en el cristal son de naturaleza electrostticas, s se desplaza la red, se rompe fcilmente al enfrentar los tomos de la misma carga. Los cristales inicos tienen el punto de fusin ms bajos que los cristales atmicos, porque los enlaces inicos no son dirigidos y dan una cierta autonoma a los iones que continan existiendo cuando el slido licua. Si los nudos de la red cristalina estn ocupados por iones del mismo signo, el cristal es inico de tipo metlico. La unin entre los iones del mismo signo la realizan los electrones libres dentro de la malla inica cristalina. El punto de fusin no es demasiado elevado y estos cristales no son frgiles, sino plsticos, es decir, mantienen la deformacin a que se les somete, por ejemplo; el plomo, cobre, etc.

Si los nudos del cristal estn ocupados por molculas, el cristal se llama molecular. Dentro de la molcula, los tomos se unen covalentemente y las molculas se atraen unas a otras por fuerzas de Van der Waals, de polaridad, etc., por ejemplo; CO 2 slido, hielo, Yodo. Como las fuerzas intermoleculares por lo general, son muy dbiles, estos cristales se desmoronan fcilmente por el calor. Entre los slidos de mayor importancia fisiolgica encontramos los cristales hexagonales de hidroxiapatito, que constituyen la parte slida de los huesos: (PO4)3 Ca5 (OH, Cl, F) Cristales de oxalato y de cido rico, por ejemplo, se forman patolgicamente en el rin. En el protoplasma encontramos estructuras ms o menos organizadas (pelculas de lpidos parcialmente ordenadas, fibras proteicas, etc.), pero este orden no es suficiente para que PGINA 46

Maestro y Mdico Cirujano Pedatra; Rafael Garca Pea Gutirrez. puedan considerrseles como slidos en el sentido estricto desde el punto de vista fsico. Sin embargo, muchas sustancias bioqumicas, incluyendo macromolculas (enzimas y partculas tan complejas como los virus) pueden adoptar formas geomtricas definidas que permiten considerarlas en determinadas circunstancias, como verdaderos slidos. Cambios de estado; Ya estudiamos que la presentacin de la materia de un estado fsico a otro depende de las condiciones energticas de las molculas, siendo la energa cintica, mxima en el gas y mnima en el slido. Y cuando se modifican las condiciones se podr pasar de un estado de agregacin a otro.

En el esquema se observan los cambios; hacia la derecha: Fusin, licuacin y vaporizacin, que requieren un gran aporte de energa que se invierte en liberar a las partculas de las fuerzas de cohesin. Y hacia la izquierda: Licuacin, solidificacin y condensacin; desprendiendo energa, igual a la absorbida en el paso anterior. Solubilidad de un slido en un lquido: Cuando se pone en contacto un slido con un lquido, la energa cintica de las partculas de ste, al chocar con la red cristalina del slido, permite arrancar fragmentos del slido, que se dispersan en el seno del lquido. Entonces se dice que el slido se disuelve en el lquido. Esto suele ocurrir a temperatura ms baja que la propia de fusin del slido. La disolucin est saturada cuando se establece un equilibrio dinmico entre las nuevas partculas que se arrancan de la red cristalina y las que se depositan en ella: a) Estado de Insaturacin, b) Estado de saturacin y c) Estado de sobresaturacin.

PGINA 47


BIOENERGTICA Energtica del ser vivo: Metabolismo: Es el incesante recambio de materia y energa en el ser vivo, y esta es una de sus caractersticas que los definen como tales. Este metabolismo est integrado por dos corrientes de reacciones; a) Anabolismo y b) Catabolismo. Anabolismo: Es la tendencia de sntesis que conduce a la formacin de coloides destinados a la estructura del protoplasma celular y de compuestos qumicamente ms o menos complejos, de significacin funcional especfica, as como los cambios energticos necesarios para esta funcin de asimilacin. Catabolismo: es la funcin en sentido contrario, y consiste en una serie de fenmenos de desintegracin de compuestos en otros ms sencillos, hasta los productos terminales, como son anhdrido carbnico, urea, agua etc., as mismo el empleo de energa necesaria para esta funcin. Esta capacidad y caracterstica de los seres vivos, de utilizar energa qumica en la realizacin del trabajo celular. La energa utilizada procede de los alimentos, que al final de cuentas, son reservorios de la misma energa acumulada en alguna forma de la proveniente del sol. A partir de los nutrientes, o sustancias nutritivas, en las transformaciones metablicas graduales, se sintetizan enlaces ricos en energa, fundamentalmente el nucletido adenosintrifosfato (ATP), de cuya degradacin ulterior procede la energa utilizada en el trabajo celular. Las transformaciones del mismo son reversibles, entre ATP y adenosin difosfato (ADP). El ATP, tiene tres radicales fosfato, dos de los cuales estn unidos por enlaces de alta PGINA 48

energa (), que convencionalmente se representan por el signo especial anterior. (observar figura):


La cantidad de energa que corresponde a los enlaces, ltimo y penltimo: a) ultimo enlace = 7,000 cal. por mol, b) penltimo enlace = 8,300 cal. por mol. Y esta ser la energa que se libera cuando en una reaccin qumica se rompe uno de estos enlaces, esta energa puede ser captada por otra reaccin qumica que discurra paralelamente. La separacin se representa: ATP ADP + Pi + 7,000 caloras Esta es la energa qumica del ATP que se utiliza en el trabajo celular convirtindose en energa mecnica, elctrica, qumica etc., y que en ltimo trmino, acaba convirtindose en trmica, lo que se conoce como calor secundario. Una parte de la energa acumulada en los compuestos nutritivos, se transforma directamente en calor (calor primario) en el curso de su degradacin metablica. Entendiendo que en el balance de las transformaciones energticas globales en el organismo, es correcto referirlas cuan

Notas de FISICOQUÍMICA 2003 Jimenez Vargas Macarulla

Documents

Transcript of Notas de FISICOQUÍMICA 2003 Jimenez Vargas Macarulla