Unidad 1. Estructura de La Materia

Ciencias de la Salud, Biolgicas y Ambientales | Biotecnologa1

Fisicoqumica

Programa desarrollado

Ingeniera en Biotecnologa

5 cuatrimestre

Programa de la asignatura

Fisicoqumica

Informacin general de la asignatura

Clave:

200920518 / 190920518

Universidad Abierta y a Distancia de Mxico


Fisicoqumica


La materia se define como: todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio. Est

formada por diminutas partculas subatmicas, que a su vez forman el tomo. Los fsicos

han descubierto varias partculas subatmicas, pero para el inters de esta unidad solo

necesitamos considerar tres: electrones, protones y neutrones. Un electrn es una

partcula cargada negativamente; un protn tiene una carga positiva y un neutrn es una

partcula sin carga. En un tomo elctricamente neutro el nmero de electrones es igual al

nmero de protones.

Gracias a estas partculas subatmicas los tomos de los diferentes elementos forman

enlaces qumicos para formar molculas. Los enlaces qumicos que se abordaran en esta

esta unidad son: inico, covalente, metlico e intermolecular. Adems se tocaran dos

fenmenos en los cuales participan uno o varios de los enlaces mencionados

anteriormente: Disoluciones acuosas y difusin.

La disolucin acuosa es el proceso que involucra dos disolventes, el principal de estos es

el agua, este fenmeno tiene una gran importancia biotecnolgica debido a la gran

cantidad de procesos industriales en los que participa, por ejemplo: cuando destapas un

refresco y observas las burbujas de CO2 escapando, en realidad es CO2 disuelto en el

agua, en forma de HCO3, el cual, al descender la presin a la que esta sometido, escapa

formando burbujas de CO2.

La difusin es un proceso fsico basado en el movimiento aleatorio, un ejemplo de difusin

donde interviene adems la disolucin acuosa es: cuando dejamos caer un terrn de

azcar en el agua, se disuelve y sus molculas se difunden en el agua hasta que

desaparece completamente. Este fenmeno es de vital importancia en los procesos de

difusin celular a travs de la membrana celular, en los cuales se crea un gradiente de

concentracin, de mayor a menor concentracin.

Al conocer la estructura de la materia que forma los elementos y los enlaces qumicos,

que participan para formar molculas orgnicas e inorgnicas, se pueden comprender

algunos procesos como las disoluciones acuosas y el fenmeno de difusin. Los cuales

tienen gran importancia en la biotecnologa aplicada, como es el caso de las industrias

refresqueras que utilizan el principio de disolucin al agregar el gas (CO2) al agua del

Unidad 1. Estructura de la materia

Presentacin de la unidad


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refresco, tambin las industrias potabilizadoras de agua utilizan el fenmeno de difusin,

filtrando el agua de mar a travs de membranas de porcelana para desalinizarla y hacerla

consumible para el ser humano.

Propsitos

En esta unidad comprenders como se forman algunas molculas orgnicas y no

orgnicas gracias a los diferentes tipos de enlaces qumicos y la forma en la que estos

enlaces participan en algunos fenmenos como son: disoluciones acuosas y difusin, los

cuales tienen importantes implicaciones biolgicas, biotecnolgicas, industriales, entre

muchas otras.

Competencia especifica

Describir la estructura de la materia a travs del estudio de las disoluciones acuosas para

identificar su relacin con los procesos de difusin.

Unidad 1. Estructura de la materia

1.1. Estructura atmica

El conocimiento de los principios qumicos es esencial para entender a los organismos,

como funcionan y sus implicaciones que tienen en la biotecnologa. Los elementos son

sustancias que no pueden descomponerse en otras ms sencillas mediante reacciones

qumicas ordinarias. Para clasificar a cada elemento se le asignan las dos primeras letras

del nombre en latn. Por ejemplo, O es el smbolo del oxigeno.

Solomon y colaboradores (2008) definen al tomo como la porcin ms pequea de un

elemento que retiene sus propiedades qumicas, que a su vez estn formados por

partculas diminutas de materia (todo lo que tiene masa y ocupa un espacio) conocidas

como partculas subatmicas: electrones, protones y neutrones.

Cada tomo tiene un nmero conocido de protones en el ncleo, que es conocido como

nmero atmico y esta en equilibrio con el numero de electrones que lo rodean, es decir,

si el numero de protones es 1, el numero de electrones ser 1, como es el caso de

hidrogeno H. Cuando el numero de neutrones en el ncleo es diferente, esto afecta la

masa del elemento y se forman istopos. Los istopos del mismo elemento tienen el


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mismo nmero de protones y electrones; solo vara el nmero de neutrones, como es el

caso de H2 (deuterio, con un neutrn) H (tritio, con dos neutrones). Debido a que tienen el

mismo nmero de electrones, todos los istopos de un elemento poseen las mismas

caractersticas qumicas, sin embargo algunos istopos son inestables y tienden a perder

energa, en forma de radiacin, para formar un istopo ms estable. La mayora de las

veces estos isotopos tienen implicaciones biotecnolgicas; por ejemplo el C14, que es un

isotopo radiactivo del carbono, que se utiliza para determinar la edad de algunos objetos

orgnicos de no mas de 60 000 aos de antigedad. Esta tcnica se basa en la ley de

decaimiento exponencial de los istopos radiactivos y mide la cantidad de C14 que se va

perdiendo a travs del tiempo en los compuestos orgnicos, es decir, entre menos C14 se

mida, mas antigua es la muestra.

Los electrones de un tomo se mueven en regiones tridimensionales bien establecidas

llamadas orbitales. Por cada orbital puede haber un mximo de 2 electrones y no

podemos definir con exactitud el lugar que ocupa en el orbital, por lo que se representa en

forma de nubes electrnicas. En general, la energa de los electrones esta determinada

por el orbital que ocupa cada uno de estos, por lo tanto, los electrones con energa similar

estn en el mismo orbital de energa. Los electrones que estn ms alejados del ncleo

tienen mayor energa que aquellos que estn ms cerca del ncleo. A los electrones ms

alejados del ncleo se les denomina electrones de valencia, estos electrones de valencia

son los que participan en las reacciones qumicas.

Durante el movimiento de los electrones, estos pueden recibir o ceder energa, segn el

sentido que tomen dentro de los orbitales. Cuando se desplaza a un orbital mas alejado

del ncleo, el electrn recibe energa, si se desplaza a un orbital mas cercano al ncleo,

sucede lo contrario, el electrn cede energa. Estos cambios de energa son de vital

importancia durante las conversiones energticas de los organismos, por ejemplo, la

fotosntesis, en la cual, la energa procedente del sol (fotones), es utilizada por las

molculas de clorofila para excitar y desplazar a los electrones y a un nivel de energa

superior.


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Estructura atmica

Molculas y compuestos

Solomon et al., 2008 hacen nfasis en que dos o mas tomos pueden combinarse

qumicamente, y que cuando los tomos de diferentes elementos se combinan, el

resultado es un compuesto qumico. El ejemplo mas claro de un compuesto qumico es el

agua, esta formada de 2 tomos de hidrogeno y 1 de oxigeno; la sal de mesa es un

compuesto qumico formado por 1 tomo de sodio y 1 tomo de cloro. La unin de dos o

ms tomos forma una partcula muy estable denominada molcula. Existen compuestos

moleculares, como el agua y compuestos no moleculares como el cloruro de sodio (sal de

mesa).

1.1.1. Enlaces qumicos

Los enlaces qumicos son las fuerzas de atraccin que pueden mantener unidos a los

tomos, por tanto, la energa de enlace, es la energa necesaria para romper o hacer un

enlace qumico y los electrones de valencia determinan cuantos enlaces puede formar un

tomo. Los dos tipos principales de enlaces qumicos son: el covalente y el inico.

Enlace Inico

Maron y Prutton, 2003 definen el enlace inico como: El tipo de interaccin atmica, que

comprende la transferencia de uno o ms electrones de un tomo a otro y conduce a la


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formacin de iones que se mantienen juntos por atraccin electrosttica. A causa de esta

atraccin electrosttica, se dice que el enlace es inico o electrovalente.

El ejemplo mas clsico de enlace inico es el cloruro de sodio o la sal de mesa, donde un

tomo de sodio contiene dos capas cerradas con un electrn fuera de las mismas. El cloro

contiene dos capas cerradas y siete electrones externos. El sodio cede un electrn y se

carga positivamente, el cloro al aceptar el electrn se carga negativamente y se forma la

molcula de sal, como se muestra en la siguiente figura.

Enlace inico en la molecula de sal de mesa (cloruro de sodio)

Este tipo de enlace, esta formado por un metal y un no metal, donde los metales ceden

electrones formando cationes (+) y los no metales los aceptan, formando aniones (-). Los

compuestos formados de estos enlaces tienen las siguientes caractersticas: son solidos a

temperatura ambiente, ninguno es lquido o gas, son buenos conductores de calor o

electricidad, tienen altos puntos de fusin y ebullicin, son solubles en solventes polares

(agua).

Enlace covalente

En los enlaces covalentes se comparten los electrones entre tomos, es decir, que cada

tomo conserva su capa de valencia integra. El ejemplo mas sencillo de este tipo de

enlace, se da entre dos tomos de hidrogeno, los cuales forman la molcula H2. En este

enlace no se donan electrones, debido a que los estos son atrados simultneamente por

los protones de los ncleos, de esta manera, los electrones orbitan alrededor de ambos

ncleos atmicos. De igual manera, tambin se pueden unir tomos diferentes para

formar molculas, resultado de un enlace covalente.


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Las caractersticas de estos enlaces son: los tomos no ganan ni pierden electrones, los

comparten, estn formados por elementos no metlicos, pueden ser 2 o 3, pueden estas

unidos por enlaces simples, dobles o triples, dependiendo de los elementos que unen.

Adems pueden presentarse en cualquier estado, slido, liquido o gaseoso, son malos

conductores de calor y electricidad, tienen puntos de fusin y ebullicin relativamente

bajos, son solubles en solventes no polares como el benceno, tetracloruro de carbono,

etc., e insolubles en solventes polares como el agua.

Un ejemplo clsico y universal de enlace covalente, es el que forma la molcula de agua,

ya que, dos tomos de hidrogeno y un tomo de oxigeno se unen covalentemente, como

se muestra en la siguiente figura.

Enlace covalente en la molcula de agua

De manera general los enlaces covalentes se clasifican en: enlaces covalentes polares,

enlaces covalentes no polares y enlaces covalentes coordinados. Cuando se enlazan dos

tomos iguales, con la misma electronegatividad, la diferencia es cero y los electrones

son atrados de igual manera por ambos lados, se dice que se forma un enlace covalente

no polar. Cuando los electrones se comparten de manera desigual, lo que hace que un

extremo de la molcula sea parcialmente positivo y otro extremo parcialmente negativo,

se forma un enlace covalente polar. El enlace covalente coordinado se forma cuando el

par elctrico compartido se forma por el mismo tomo.


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Enlace Metlico

Los enlaces metlicos se caracterizan por darse entre elementos de electronegatividades

bajas y pocas diferencias entre si. Tambin forman redes metlicas compactas con

elevado ndice de coordinacin, por lo que suelen tener altas densidades y formar redes

hexagonales y cbicas. Hay dos modelos que explican la formacin del enlace metlico:

la teora de nube de electrones y la teora de bandas.

En el modelo de nube de electrones los tomos metlicos ceden sus electrones a una

nube electrnica que comprende todos los tomos del metal, como consecuencia la nube

de electrones resulta de las interacciones electrostticas entre los restos positivos y los

electrones propios de dicha red. Dentro de la red, los electrones no pertenecen a un

determinado tomo, debido a que es un enlace no dirigido y la nube elctrica es comn a

todos los tomos. A pesar que este es un modelo muy sencillo, explica muchas de las

propiedades de los metales, excepto la conductividad de alguno de estos.

La teora de bandas se basa en la formacin de orbitales que pertenecen a toda la

molcula mediante la formacin de orbitales nuevos despus del enlace. Si se juntan tres

tomos, se forman tres orbitales.

En los metales se forman enlaces deslocalizados, debido a la presencia de un numero

muy grande de orbitales atmicos. Esto forma banda donde los niveles de energa estn

muy prximos. Con esta teora se explica incluso el fenmeno de conduccin. En la

siguiente figura se muestran las caractersticas de un enlace metlico.

Enlace metlico

Enlaces intermoleculares


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Es la unin entre molculas gracias a fuerzas electrostticas, formando redes cristalinas y

existen diferentes tipos:

Enlace puente de hidrogeno; es un enlace es una atraccin que existe entre un tomo de

hidrogeno y un halgeno (O, N o X), el agua es un ejemplo de este tipo de enlace. La

molcula de agua es polar, por lo que presenta cuatro cargas parciales, lo que le confiere

las caractersticas qumicas especiales al agua. Este enlace es 20 veces ms dbil que un

enlace qumico entre tomos.

Fuerzas de Van der Waals: existen diferentes tipos de fuerzas de Van der Waals, donde

la intensidad de la atraccin aumenta en funcin del tamao de las molculas y se

clasifican de acuerdo a su carga.

Dipolo permanente-Dipolo permanente: se da entre dos molculas polares

Dipolo permanente-Dipolo inducido: se da entre una molcula polar y otra no polar

Dipolo instantneo-Dipolo inducido: se da entre dos molculas no polares

1.1.2. Generalidades de Bioenergtica

La bioenergtica es una rama de la Biologa que se encarga del estudio de los cambios

de energa (produccin, absorcin, transformacin) dentro de los sistemas biolgicos.

El metabolismo es un parte fundamenta de la bioenergtica, en el cual la materia es

transformada en energa, consta de anabolismo; donde se sintetizan biomoleculas, como

el ATP (adenosin trifosfato), y catabolismo; donde se degradan sustancia complejas.

El ATP y NADH son el combustible mas bsico de los sistemas y biolgicos y fluye dentro

de estos desde los organismos mas simples, hasta los mas complejos.

Los enlaces qumicos estn implicados en la formacin de estas molculas necesarias

para la vida, as como, en la formacin de aminocidos, ADN, protenas etc. A

continuacin se describen algunos de estos procesos y la forma en que los enlaces

qumicos participan en dicha formacin.

Compuestos orgnicos


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El carbono, tanto en su forma orgnica, como inorgnica, se encuentra ampliamente

distribuida en la naturaleza. Los compuestos orgnicos son aquellos en los que los

tomos de carbono se unen covalentemente entre si, para formar el esqueleto de la

molcula. Sin embargo existen muchas formas de carbono inorgnico, el ejemplo mas

conocido es el dixido de carbono, que exhalamos al respirar.

El carbono es ideal para formar el esqueleto de las molculas, debido a que los enlaces

carbono-carbono son especialmente fuertes y no se rompen con facilidad (basado en el

hecho de compartir un par de electrones). Algunos tomos de carbono pueden formar

enlaces dobles o triples.

Debido a que los enlaces covalentes entre hidrogeno y carbono son no polares, los

componentes que forman (principalmente hidrocarburos) carecen de regiones con carga

bien localizada. Por este motivo son insolubles en agua y se dice que son hidrfobas, es

decir, no son afines al agua. Debido a su repulsin al agua las molculas de hidrocarburos

interactan entre si por enlaces de puentes de hidrogeno, de esta forma la parte que no

es afn, no interacta con el vital liquido.

En la membrana celular sucede lo mismo que con los hidrocarburos. El componente

principal de la membrana (fosfolpido) tiene un parte afn al agua (hidrfila) y una parte no

afn, que solo interactan entre ellas. Todos los componentes de la membrana celular se

unen por enlaces inicos y puentes de hidrogeno. A continuacin se muestra una imagen

de la membrana celular y sus componentes.

Membrana celular

Muchas molculas biolgicas, como las protenas o los cidos nucleicos estn formados

de polmeros, es decir, que estn formados por una cadena de molculas, que a su vez

forman macromolculas, que a su vez forman polmeros. Estos monmeros se unen

covalentemente mediante reacciones de condensacin.

ATP (Adenosin Trifosfato)

La molcula de ATP, se compone de adenina, ribosa y tres grupos fosfato, es la principal

moneda energtica de todas las clulas (Curtis et al., 2001). Los grupos fosfatos

terminales se unen al nucletido por medio de enlaces covalentes inestables, tambin

llamados enlaces de alta energa, estos enlaces no son tan fuertes como los covalentes

entre carbono e hidrogeno. Debido a la ruptura del ltimo enlace fosfato-fosfato, transfiere


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toda su energa qumica. Casi toda la energa qumica es fcilmente accesible para la

clula.

Para poder comprender como funciona el ATP, lo podemos considerar como una unidad

monetaria de energa de la clula. Debido a que una persona trabaja para recibir un

salario, podra decirse que su energa esta almacenada en forma simblica en dinero que

cobra la quincena, el dispone del dinero, en el caso de las clulas de la energa. De la

misma manera las clulas almacenan la energa en los enlaces fosfato-fosfato de la

molcula de ATP y disponen de esta cuando la necesitan.

Carbohidratos

Algunas de las biomoleculas ms importantes son los carbohidratos: azucares, almidones

y celulosa. Los azucares y almidones sirven como fuente de energa para las cluas,

mientras que la celulosa es el componente principal que le confiere rigidez a las paredes

celulares de los vegetales.

Los carbohidratos estn formados de tomos de carbono, hidrogeno y oxigeno, unidos por

enlaces covalentes difciles de romper. Se clasifican de acuerdo a la cantidad de azucares

que los componen, es decir, una unidad de azcar (monosacridos), dos unidades

(disacridos), muchas unidades (polisacridos).

La glucosa es el monosacrido mas abundante y mayormente utilizado por los

organismos como fuente de energa. Adems de la glucosa, la fructosa posee el misma

formula molecular, pero sus tomos estn dispuestos de manera diferente, es decir, son

ismeros.

En los ejemplos anteriores, observamos que desde las biomoleculas ms sencillas, hasta

las ms complejas, estn formadas por enlaces qumicos. Incluso molculas inorgnicas

indispensables para la vida, como el agua, tienen su base en los enlaces qumicos.


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ACTIVIDAD 1. Cmo se forman las cosas?

1.2 Disoluciones acuosas

Una disolucin acuosa se define como aquellas disoluciones en las que el solvente es el

agua, y el soluto una o mas sustancias, por ejemplo al preparar una taza de caf ests

haciendo una disolucin acuosa, donde el caf y el azcar son los solutos y el agua es el

solvente. En la biotecnologa, las disoluciones acuosas tienen gran importancia, por

ejemplo, en la produccin de bioetanol, se produce etanol y agua. Aplicando los principios

de las disoluciones acuosas, se separan en agua y el etanol mediante una destilacin. El

etanol puro se usa como aditivo oxigenante de la gasolina, para reducir los costos del

combustible, por ejemplo, en Brasil.

Al realizar esta actividad reforzaras tus conocimientos sobre la estructura de la materia y

los tipos de enlaces que intervienen para dar forma a dicha estructura. Adems

conocers algunos ejemplos en los que los enlaces actan para formar biomolculas.

Finalmente aplicaras esos ejemplos al campo de la biotecnologa. Para iniciar esta

actividad necesitas:

1.- Investiga las caractersticas de los principales tipos de enlaces qumicos.

2.- Recopila ejemplos sobre los enlaces implicados para formar biomolculas y el

estado de la materia en el que se encuentran dichas biomolculas.

3.- Aplica los ejemplos encontrados al campo de la biotecnologa, industria,

investigacin, vida cotidiana, etc.

4.- Finalmente participa en la base de datos y comparte la informacin encontrada

Nota: Te pedimos atentamente abstenerte de cualquier accin de plagio o copia de

contenidos, ya que tu Facilitador(a) puede detectar esta situacin sin dificultad. Recuerda

que tu formacin exige que todo producto o tarea que reportes sea totalmente original,

as como de tu iniciativa y creatividad, con el fin de que en lo sucesivo esta actitud se

proyecte directamente en tu prctica profesional.


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1.2.1. Disoluciones acuosas

Una disolucin es una mezcla homognea compuesta por soluto y disolvente. Una

disolucin acuosa se define como el proceso que involucra dos disolventes, agua en su

mayora y otro disolvente. El agua o tambin llamada disolvente universal, debido a la

gran cantidad de componentes que pueden ser disueltos en ella. Los compuestos mas

solubles en el agua, son aquellos que forman enlaces inicos entre si, como el cloruro de

sodio, mientas que los menos solubles, son aquellos que forman enlaces covalentes entre

si, como los metales. Los tipos de disoluciones acuosas se clasifican de acuerdo al soluto

que se va a combinar con el agua.

La solubilidad es una propiedad que esta en funcin de la temperatura y se define como el

lmite de disolucin para un disolvente, pasado este, ya no admite ms soluto. Entonces

se puede decir que la solubilidad es la cantidad mxima de soluto que se puede disolver,

a una temperatura dada. Podemos medir la cantidad de soluto disuelto por medio de la

concentracin y clasificarla en: diluida, concentrada y saturada.

Diluida: cuando contiene una pequea cantidad de soluto.

Concentrada: cuando la cantidad de soluto esta por llegar al limite de solubilidad.

Saturada: cuando la solucin esta en equilibrio con el exceso de soluto.

Una disolucin puede estar formada por dos lquidos, puede ser miscible o inmiscible.

Cuando un lquido se disuelve en otro se dice que es miscible, por ejemplo, el agua y el

etanol. Cuando no ocurre as, la disolucin es inmiscible, por ejemplo, el agua y el aceite.

Cuando existe un lmite de la cantidad que uno puede disolver de otro, se dice que son

parcialmente miscibles.

El agua como disolvente

Se considera estado de referencia de una sustancia, cuando se encuentra a 25 C y 1 atm

de presin, bajo estas condiciones sabemos que el agua esta en estado liquido y parte de

sus molculas estn ionizadas. Estas y otras caractersticas se reflejan en las

caractersticas fsicas del agua como su densidad, viscosidad, elevado punto de

ebullicin, alta constante y conductancia elctrica. Las cuales afectan tambin su

comportamiento como disolvente.


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Entre muchos otros factores, la temperatura y la presin afectan el comportamiento de los

disolventes, especialmente el del agua. A una temperatura y presin dadas, la

concentracin del disolvente en una disolucin es directamente proporcional a la cantidad

de soluto que puede disolver, es decir, que entre mayor sea la concentracin de solvente,

mayor ser la concentracin de soluto que se disolver (Morris, 2001).

El elevado momento dipolar del agua y su capacidad de formar puentes de hidrogeno, la

hacen un excelente disolvente, siempre y cuando, las molculas o iones del soluto

interacten con las del agua por medio de puentes de hidrogeno o interacciones dipolo. A

pesar de que el agua es conocida como el disolvente universal y que disuelve muchos

tipos de sustancias en mayor cantidad que cualquier otro tipo de solvente, solo disuelve

compuestos polares o inicos, mientras que los compuestos polares son virtualmente

insolubles en agua, por ejemplo, el aceite.

Osmosis

La smosis es el proceso en el cual el disolvente se mueve espontneamente desde la

regin de una disolucin donde su actividad es alta, a otra donde su actividad es baja. En

la practica, la osmosis solo tiene lugar donde una membrana semipermeable separa una

disolucin, bien del disolvente puro, o bien de una disolucin con el mismo disolvente

pero con una concentracin distinta de soluto (Morris, 2001).

En teora la membrana que se utiliza es perfectamente semipermeable, es decir, que es

permeable a solvente e impermeable a todos los solutos. En la prctica las membranas

con estas caractersticas son escasas, la mayora son selectivamente impermeables y

solo permiten el paso a ciertos solutos. En la siguiente figura se muestra el proceso de

smosis.


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Proceso de smosis

La aplicacin ms til para la smosis, es el proceso de smosis inversa, en el cual se

utiliza una presin superior a la presin osmtica, donde los solventes pasan a travs de

la membrana, mientras que los solutos se quedan atrs. Este proceso se usa

bsicamente para desalinizar el agua de mar para hacerla consumible para el ser

humano. Ha sido ampliamente usado en pases de la pennsula Arbiga.

El comportamiento osmtico de las clulas vivas

Cuando las disoluciones ideales, es decir, que tienen igual concentracin (isosmoticas),

son separadas por una membrana perfectamente semipermeable, se puede observar el

potencial osmtico cuando la disolucin se separa de su disolvente puro. Si la membrana

es impermeable en forma selectiva, permitiendo el libre paso del disolvente y de ciertos

solutos, mientras restringe el de otros solutos, se dice que la disolucin es parcialmente

osmtica, a este fenmeno se le llama tonicidad.

Resulta importante hacer esta comparacin entre tonicidad y potencial osmtico, debido a

que la membrana celular es selectivamente impermeable a solutos del interior de la

clula, por lo que se dice que hay tonicidad del contenido celular. Esto explica por qu las

clulas no revientan en medios donde la concentracin de solutos es mayor dentro de la


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clula, que la concentracin del medio extracelular (hipotnicas). Adems de la

semipermiabilidad selectiva de la membrana, se sabe que posee rigidez estructural,

incluso algunas clulas vegetales tienen, adems de la membrana, una pared celular que

le confiere una estructura definida y fuerte. Con esto se explican muchos de los procesos

osmoreguladores de las clulas animales y vegetales. Tal es el caso del corazn y rin

que mantienen la concentracin ideal de electrolitos en la sangre.

1.2.2. pH dependiente de aminocidos y protenas

Todas las disoluciones acuosas contienen iones hidrogeno cargados positivamente (H+) e

iones hidroxilo cargados negativamente (OH-). En agua pura estos iones derivan de la

disociacin de la molcula de agua.

La disolucin de un acido en agua aumenta la concentracin de ion hidrogeno y

correspondientemente hace descender el pH. La disolucin de una base en agua

aumenta la concentracin del ion hidroxilo y correspondientemente baja la concentracin

de ion hidrogeno, por lo que pH aumenta tambin. Debido a este comportamiento se

puede decir, que los cidos y las bases son compuestos que al disociarse en agua dan

lugar a iones H+ y OH-.

Un compuesto que puede dar ambos iones (H+ y OH-) por disociacin y que por tanto

puede actuar como acido y como base se denomina anfolito.

Fuerza de cidos y base

Los trminos de fuerza y concentracin de un acido y una base no son los mismos. Por

concentracin se refiere a la cantidad de acido o base disueltos en determinado volumen

de agua. La fuerza de un acido o una base en una indicacin del grado en el que el

compuesto demuestra sus propiedades de acido o base con respecto a otros compuestos

de propiedades similares, es decir, es la medida de la efectividad con que este compuesto

se comporta como acido o como base.

La fuerza de un cido esta determinada con la eficiencia que este cido acta como

donador de protones, que a su vez esta determinado por las propiedades del medio en el

que se disuelve. Los cidos, se clasifica en cidos dbiles y cidos fuertes. Los fuertes

son aquellos son aquellos que se disocian de forma completa en la disolucin acuosa, es

decir, aquellos que aportan mas iones H- a la disolucin. En los cidos dbiles la

disociacin es parcial.


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Las bases tambin se clasifican en dbiles o fuertes. Una base fuerte es aquella que

cuando esta disuelta en agua favorece la formacin de iones hidroxilo. La base dbil se

caracteriza por su afinidad relativamente pequea a los protones.

Neutralizacin cido-base base- cido

La forma en que cambia el pH cuando se realiza una titulacin, es caracterstica de una

neutralizacin. Cuando se realiza una neutralizacin de un cido fuerte y una base fuerte,

el resultado es un cido excesivamente dbil y una base infinitamente dbil. Cuando se

realiza una dilucin de un acido dbil con una base fuerte, el valor del pH depende de la

disociacin (representado por pK o constante de disociacin) del cido y la base. En la

neutralizacin de una base dbil y un cido fuerte, el cido moderadamente fuerte, acta

como tampones en pH alcalinos. En la titulacin de un acido dbil con una base dbil en

disolucin acuosa se crea un tampn rpidamente, que es difcil de apreciar en una

titulacin.

Importancia del pH en aminocidos

Segn muchos bilogos, el pH intercelular debe estar en un valor muy cercano a 7 o ser

7. Dentro de los organismos existen complicados sistemas de tamponamiento que

mantienen el pH cerca de la neutralidad.

Todos los aminocidos son anfolitos y son la base de las protenas, estn formados por

un grupo amino, que es dbilmente bsico y se asocia con protones para formar un ion

cargado positivamente y un grupo carboxilo dbilmente cido. Las propiedades de un

aminocido se ven afectadas por cambios de pH, ya que el pH determina que formas

inicas que estn presentes y en que porciones. De a cuerdo al pH, se determina el tipo

de aminocido que prevalece, por ejemplo a pH cido abundan el cido asprtico y el

cido glutmico; a pH bsico abundan el lisina, arginina e histidina.

Importancia del pH en las protenas

Las protenas estn formadas por secuencias de aminocidos enlazados entre ellos por

enlaces peptdicos. La forma tridimensional de la molcula es producida por enrollamiento

y agregacin de sus de sus cadenas de polipptidos (cadenas de aminocidos). Aunque

en el mantenimiento de la estabilidad de la estructura final intervienen otros tipos de

enlaces que estn determinados por el pH del medio, entonces se dice que la estabilidad

de las protenas queda afectada por el pH.


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Como los enlaces electrostticos contribuyen a que la estructura tridimensional de las

protenas se mantenga, cualquier cambio de pH altera la porcin de cargas de la molcula

y da lugar a un desplazamiento y desorientacin de las cadenas polipetdicas, lo que

afecta la estructura de la protena en general. Las protenas resisten cambios pequeos

de pH, pero cuando estos cambios son muy grandes, la protena sufre daos

estructurales irreparables. Solo unas pocas protenas pueden mantener su estructura en

pHs extremadamente altos o bajos.

Un ejemplo de como el pH afecta la estructura de las protenas; es cuando un animal, del

cual se consuma la carne, es sometido a mucho estrs, el nivel de CO2 en la sangre

(disuelto como acido carbnico) aumenta y como consecuencia, el pH del cuerpo baja.

Una cada rpida del pH post-mortem produce carne plida, blanda y de mala calidad,

debido a que algunas de las protenas sufren alteraciones.

1.2.3. Equilibrio acido base y capacidad buffer

Soluciones mas acidas que pH 1 o ms bsicas que pH 14, pueden existir, pero no se

incluyen en la escala por que casi nunca se encuentran en los sistemas biolgicos, de

hecho casi toda la qumica de los seres vivos tiene lugar a pH entre 6 y 8 (Curtis et al.,

2001). Un ejemplo que rompe este esquema, es la digestin humana, ya que el pH de

trabajo del estomagado es de 2.

En un sistema buffer o tamponado existen combinaciones de formas aceptaras y

donadoras de H+, es decir, cidos y bases dbiles. Los buffers mantienen el pH estable,

debido a su capacidad de combinarse con iones H+, eliminndoles de la solucin cuando

la concentracin de iones H+ comienza a elevarse y liberndolos cuando comienza a

bajar. La capacidad buffer de un sistema esta determinada por la capacidad de sus

donadores o receptores de ceder o liberar iones H+, entre mayor sea dicha capacidad,

mayor ser la tolerancia a sustancias acidas o bsicas.

Un ejemplo de un sistema buffer en el cuerpo humano es la sangre, ya que mantiene un

pH casi constante, de 7.4, a pesar del hecho de que es el vehculo de muchos nutrientes y

desechos de la clula, como el CO2, que disuelto en el agua forma cido carbnico, una

alta concentracin de este compuesto hara descender el pH, pero gracias a su capacidad

buffer lo mantiene cerca de la neutralidad. Lo mismo sucede con la saliva, en la boca

existen microorganismos que desechan productos cidos, lo que debilita el esmalte y

causa la caries, la saliva es un amortiguador muy eficaz para cidos dbiles.

Sistemas buffer conocidos


Fisicoqumica


Sangre humana: Como se sabe el pH influye en la velocidad de las reacciones qumicas

de los organismos, las cuales se llevan a cabo en muchos sistemas, como en el

circulatorio. El principal sistema buffer del torrente sanguneo es el sistema carbonatos

[bicarbonato-cido carbnico (H2CO3, -HCO3)]. Dentro de este sistema el acido dbil, es el

cido carbnico, el cual aporta iones H+, de esta disociacin se forma el bicarbonato, el

cual es el aceptor, como se muestra en la siguiente reaccin:

H2CO3 H+ + -HCO3

Este sistema resiste los cambios de pH que podran resultar de la adicin de pequeas

cantidades de cidos o bases absorbindolos, o bien, neutralizndolos. Por ejemplo si

se agrega un apoca cantidad de H+ el aceptor ser el -HCO3 y formar H2CO3. Si se

agrega una pequea cantidad de OH-, se combina con el H+ para formar H2O ms el CO2

que se absorber para formar H2CO3, como se muestra en la siguiente reaccin:

H2O + CO2 H2CO3

Como se observa en las reacciones, estas se encuentran en equilibrio, y el CO2 de la

sangre a su vez esta en equilibrio con el CO2 de los pulmones. Al cambiar el ritmo

respiratorio, un individuo puede cambiar la concentracin de -HCO3 en la sangre y as,

ajustar el pH de los fluidos internos. Si la concentracin de acido o base sobrepasa los

niveles normales, el buffer fallara.

Agua: Rodrguez y Marn (1999) consideran al agua como un medio cido corrosivo

debido fundamentalmente a su contenido de CO2 y otros cidos que posibilitan la

disolucin de rocas y minerales bsicos. As bien, el agua mantiene un equilibrio de pH

entre la disolucin del CO2 y sus especies relacionadas de carbono (igual que en el

sistema de regulacin de pH de la sangre) y las rocas bsicas (silicatos, aluminosilicatos,

carbonatos, principalmente).

En el agua el sistema carbonatos que controla el pH, es el mismo que controla el pH en la

sangre, solo que las especies carbonatadas que se encuentren en el agua, dependen del

pH en el que este la solucin, es decir, a pHs inferiores a la neutralidad, las especies

presentes sern H2CO3 y CO2, a pHs superiores a la neutralidad, las especies presentes

sern -HCO3 y 2-CO3. Esta es la razn de porque el agua es un excelente buffer.


Fisicoqumica


ACTIVIDAD 2. El pH en la Biotecnologa

1.3 Difusin

Solomon y colaboradores (2005) definen a la difusin como un fenmeno azaroso que

sucede a temperaturas mayores al cero absoluto (-273 C), donde todos los tomos y

molculas tienen energa cintica o movimiento. Aunque el movimiento de las partculas

es prcticamente impredecible, es posible suponer el comportamiento de estas, si no

estn distribuidas de manera uniforme, de tal manera que se forman dos regiones, una de

Con la realizacin de esta actividad podrs afianzar tus conocimientos sobre las

disoluciones acuosas. Adems entenders la importancia del pH en las disoluciones

acuosas. Finalmente relacionaras el pH en procesos biotecnolgicos.

1.- Recopila. Informacin sobre:

Disoluciones acuosas

pH

implicacin del pH en las disoluciones acuosas

pH en procesos biolgicos

pH en procesos biotecnolgicos

pH en procesos industriales

2.- Una vez que tengas claros los conceptos de pH y disoluciones acuosas, selecciona

aquella informacin en donde el pH juegue un papel importante en las disoluciones

acuosas.

3-. Organiza. La informacin donde ejemplifiquen el papel del pH en actividades

cotidianas, procesos biotecnolgicos, industriales etc.

4.- Discute. La importancia que tiene el pH en procesos biotecnolgicos y sus

aplicaciones industriales, mediante la herramienta de foro y pide ayuda a tu facilitador

Nota: Recuerda ser muy respetuoso sobre la opinin de los dems, ya que escuchando

diferentes opiniones de este tema enriquecers tus conocimientos de ste.


Fisicoqumica


alta concentracin y otra de baja concentracin. De tal diferencia de concentracin se dice

que se forma un gradiente de concentracin.

En el movimiento de difusin las partculas se mueven a favor del gradiente de

concentracin, es decir, de la regin de mayor concentracin, a la regin de menor

concentracin. La difusin puede ocurrir con rapidez en distancias muy cortas, pero la

velocidad esta determinada por factores como: temperatura, tamao, forma y carga de las

partculas. Se sabe que al aumentar la temperatura, la velocidad de difusin se

incrementa.

1.3.1. Tipos de Difusin

Existen dos tipos de difusin, la simple y la facilitada. La difusin simple es aquella en la

que no se invierte energa para el paso de sustancias a travs de la membrana. El

transporte activo o difusin facilitada es aquella en la que se invierte ATP para el paso de

sustancia a travs de la membrana (Castellan, 1998).

La difusin simple, se da por el movimiento neto de las partculas de un lado a otro de la

membrana, resultado de la presencia de un gradiente de concentracin. Solomon y

colaboradores (2005) mencionan que si la membrana es permeable a alguna sustancia,

ocurre un movimiento neto de la parte de mayor concentracin hacia la parte de menor

concentracin (gradiente de concentracin), se dice que este gradiente de concentracin,

en realidad es un tipo de energa potencial de la membrana.


Fisicoqumica


Difusin simple

En el Transporte activo o difusin facilitada, los solutos se mueven a travs de la

membrana debido a la inversin de energa. Pese al movimiento por difusin pasiva de

algunas sustancias, es frecuente que la clula necesite transportar algunas sustancias en

contra del gradiente de concentracin y adems por que la clula necesita muchas

sustancias en concentracin mucho mayor que la concentracin extracelular.

En este mecanismo bsicamente las partculas son bombeadas de una zona de baja

concentracin a otra zona de alta concertacin. Algunos de estos movimientos suceden

por mediadores, que pueden ser protenas, por ejemplo, la protena permeasa de la

glucosa, que se encuentra en la membrana celular y es capas de cambiar de forma y

permitir el paso de glucosa para que la clula la aproveche. Cuando la glucosa pasa a

travs de la protena, esta le coloca un grupo fosfato. En la siguiente figura se muestra la

difusin facilitada en la protena permeasa de la glucosa.

Difusin facilitada

Uno de los ejemplos ms importantes de este tipo de transporte, es la bomba de sodio y

potasio, en donde estos iones son bombeados por protenas que usan ATP para su

funcionamiento. En este movimiento de las protenas intercambian iones de sodio del

interior de la clula, por iones de potasio del medio extracelular. La bomba de sodio-

potasio es de vital importancia para transmitir los impulsos nerviosos, cuando el impulso

nervioso es transmitido por las clulas del sistema nervioso, estas controlan el potencial


Fisicoqumica


de membrana mediante la bomba de sodio-potasio, para estar listas para el siguiente

impulso nervioso. En la siguiente figura, se muestra la forma en que acta la bomba de

sodio-potasio.

Bomba de sodio y potasio

1.3.2. Las leyes de Fick

La ley de Fick nos dice que la difusin molecular se define como la transferencia de

molculas individuales a travs de un fluido por medio de los desplazamientos

individuales y desordenados de las molculas. Podemos imaginar a las molculas

desplazndose en lnea recta y cambiando de direccin al rebotar con otras molculas

cuando chocan. Puesto que las molculas se desplazan en trayectorias al azar, la difusin

molecular a veces se llama tambin proceso con trayectoria aleatoria.

Esta ley predice el proceso de difusin mediante una ecuacin diferencial, donde se

expresa la difusin molecular como un proceso no azaroso, por decirlo as, un tanto

predecible, donde intervienen factores como las concentraciones de solventes y solutos,

la temperatura, entre otros. Por ejemplo, cuando se aade una gota de tinta azul a una

taza de agua. Las molculas de la tinta se difundirn con lentitud en todas las partes del

agua por difusin molecular. Para incrementar esta velocidad de mezclado de la tinta, se

puede agitar el lquido por medios mecnicos, como una cuchara. Si tomamos en cuenta

la difusin de molculas cuando la totalidad del fluido est inmvil, es decir, estacionario.


Fisicoqumica


La difusin de las molculas se debe a un gradiente de concentracin, donde intervienen

la concentracin del soluto y la temperatura.

Otro ejemplo practico para aplicar las leyes de Fick de la difusin es al explicar la cantidad

de oxgeno o dixido de carbono que se difunde a travs de la membrana de un alveolo,

ya que depende de las diferencias de presin parcial a ambos lados de la membrana y

tambin del rea de sta (Solomon et al., 2005), es decir, que a mayores diferencias de

presin y rea superficial, mas rpido se difundir el gas. En estas circunstancias

observamos que la presin y la concentracin de los gases dependen en su difusin. En

la siguiente figura se ilustra la difusin dentro de un alveolo pulmonar.

Difusin de los gases en los alvolos pulmonares

1.3.3. Equilibrio de Donnan

El equilibrio de Donnan representa un equilibrio entre dos fases, las cuales contienen no

solo aniones y cationes, sino que contienen ambos, los cuales pueden pasar a travs de

la membrana, tambin contienen molculas para las que la membrana es impermeable.

Este equilibrio depende de la concentracin y carga de los iones y se alcanza cuando se

cumplen ciertas caractersticas:

Requiere que los iones se distribuyan de forma pasiva

El transporte activo aleja a la clula del equilibrio de Donnan


Fisicoqumica


Con el equilibrio de Donnan puede calcularse de forma aproximada la difusin pasiva de

algunos iones, a pesar de que esta es muy rpida

El equilibrio de Donnan se alcanza bajo ciertas limitaciones:

Los iones permeables se difunden predeciblemente

En ambas fases la carga neta es cero

El volumen de la clula puede sufrir alteraciones, por lo que llevara a cambios de

concentraciones

El equilibrio del pH en ambas fases podra alterar el equilibrio de Donnan

En la realidad, el equilibrio de Donnan es difcil de aplicar a los sistemas biolgicos,

debido a que en la naturaleza, los organismos contienen polielectrolitos (molculas ms o

menos grandes que tienen una distribucin de grupos ionizables). Algunos de estos

polielectrolitos, son anfteros (tienen grupos cargados positiva y negativamente), como

las protenas, algunos otros, solo tienen una carga, como algunos polisacridos. La

dificultad de la aplicacin del equilibrio de Donnan a los sistemas biolgicos, radica en que

estos polielectrolitos influyen en la difusin, debido a sus cargas, ya que las membrana

celulares no permiten su paso. Por ejemplo, del lado e de una solucin tenemos NaCl

disociado y del lado i un poligalacturonato de sodio PGNa disociado. La membrana

dejar pasar solo los iones de Na+, pero no los de PG-.

Equilibrio de Donnan Las ecuaciones de Donnan nos indican que la presencia de un polielectrolito en uno de

los compartimentos, tiende a excluir la sal de ese compartimento. Este fenmeno se


Fisicoqumica


conoce como exclusin de Donnan. Esta exclusin vara en funcin de la concentracin

y presin osmtica de las sales.

Actividad 3. Para que sirve la difusin

Autoevaluacin En la autoevaluacin podrs retar tus conocimientos y reafirmar tambin tu comprensin de los contenidos de esta unidad, as como tambin podrs tener una buena idea propia de tu logro y aprovechamiento. Para que la realices dirgete al espacio de autoevaluacin de la plataforma y sigue adelante con lo que en ella se pide. Buena suerte.

Evidencia de aprendizaje. De lo ms pequeo a lo ms complejo

Esta actividad te ayudara a comprender la estructura de los objetos animados e

inanimados, as como los procesos que estn implicados en su formacin. Para realizar

esta actividad necesitas:

1.- Investiga. Los tipos de difusin, las leyes de Fick y el equilibrio de Donnan

2.- Identifica. Cuantos y cuales tipos de difusin existen, as como, cuando y en que

circunstancias podemos aplicar las leyes de Fick y cuando se alcanza el equilibrio de

Donnan

3.- Desarrolla. Un esquema que incluya algn tipo de difusin, aplicacin de las leyes de

Fick o el equilibrio de Donnan

4.- Crea. Un archivo con el nombre de: FIQ_U1_A3_XXYZ

5.- Enva el archivo a tu Facilitador(a) mediante la seccin de Tareas para que lo revise y

te retroalimente.

Nota: Recuerda que tu documento no deber pesar ms de 4 MB.


Fisicoqumica


1.- Selecciona un objeto cotidiano, por ejemplo, una paleta de hielo, etc.

2.- Elabora un mapa conceptual del objeto, donde incluyas:

tomos de los cuales esta formado

Tipos de enlaces que intervienen en su formacin ( enlaces qumicos y enlaces

intermoleculares)

Caractersticas qumicas del objeto

Caractersticas fsicas del objeto

Posibles aplicaciones

3.- Guarda tu trabajo con la nomenclatura FIQ_U1_EA_XXYZ. Sustituye las XX por las

dos primeras letras de tu nombre, la Y por la inicial de tu apellido paterno y la Z por la

inicial de tu apellido materno.

4.- Enva el archivo a tu Facilitador(a) mediante la seccin Portafolio de evidencias

para que lo revise y te retroalimente.

Cierre de la Unidad

En este punto, tus conocimientos sobre los enlaces qumicos, disoluciones acuosas y difusin, as como sus implicaciones que tienen en las biomoleculas y en todos los seres vivos, se ha ampliado considerablemente. Ahora podrs aplicar estos conocimientos en la vida cotidiana, procesos biotecnolgicos, industriales etc.

Fuentes de consulta Bibliografa bsica Solomon E. P., Berg L. R y Martin W. D. (2005). Biologa. Sexta edicin. McGraw-Hill Interamericana. Mxico, D.F. Maron S.H. y Prutton C. F. (2003). Fundamentos de fisicoqumica. Editorial Limusa. Mxico, D.F. Morris G. J. (2001). Fisicoqumica para bilogos. Editorial Revert S.A.. Barcelona, Espaa. Bibliografa alternativa:


Fisicoqumica


Castellan. G. W. (1998). Fisicoqumica. Segunda edicin. Addison-Wesley Longman Mxico S.A. de C.V. Estado de Mxico, Mxico. Rodrguez-Medallo J.M. y Marn-Galvn R. (1999). Fisicoqumica de aguas. Ediciones Daz de Santos S.A. Madrid, Espaa. Curtis H. y Barnes S.N.(2001). Biologa. Sexta edicin. Editorial Mdica Panamericana. Madrid, Espaa.

Unidad 1. Estructura de La Materia

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