notas de fisicoquÍmica 2003 jimenez vargas macarulla

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.

b FACULTAD DE MEDICINA DE VERACRUZ, “Lic. Miguel Alemán Valdés”

NOTAS de Fisicoquímica para la asignatura de FISIOLOGÍA I (Teoría), compiladas por el Maestro RAFAEL GARCÍA PEÑA GUTIÉRREZ, actualizadas en el verano del 2003.

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

En estas primeras lecciones, dedicadas a cuestiones esenciales para el estudio de Ia Fisiología, revisaremos, siguiendo un criterio de orientación práctica, Ia estructura íntima de Ia materia, empezando por el átomo y Ia molécula.

Este capitulo es fundamental para Ia Biología Molecular, porque el conocimiento de Ia estructura del átomo de Carbono y de las moléculas orgánicas es estudio previo para comprender las reacciones que tienen tugar entre moléculas de los seres vivos.

La Biología Molecular proporciona un conocimiento cada vez más profundo y científicode los fenómenos fisiológicos en condiciones normales a patológicas. El proceso histórico de las investigaciones que han conducido al conocimiento de Ia composición y estructura de Ia materia hasta límites cada vez más profundos prescindiendo de Ia especulación filosófica, ha seguido escalonadamente un orden.

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO1.- Generalidades

- Lavoisier en 1789 demostró una ley natural: “Ley de la conservación de la materia " que dice " La materia no se puede crear ni destruir; por lo tanto en ninguna reacción química se gana ni se pierde peso ".

- Otros estudiaron la composición porcentual en peso de los diversos compuestos:“Ley de las proporciones constantes "

Los compuestos químicos siempre contienen los mismos elementos en proporciones fijas de peso:

Ejem. 100 grms. de agua en cualquier edo. físico siempre están compuestos de 88.8 g. de oxígeno y 11.2 g. de hidrógeno. -

- Demócrito; en Abdera ciudad costera del mar Egeo, (último de los filósofos de la naturaleza), 460 a 370 A. de C.; Hace más de 2,500 años supuso que la materia estaba constituida por partículas muy pequeñas a las que denominó ÁTOMO; A = sin, TOME = división.

- Dalton en 1808 sistematizó esta idea con su modelo experimental enunciando tres postulados:

I. Todos los compuestos están constituidos por partículas diminutas llamadas átomos que son indivisibles e indestructibles.

II. Todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo peso.

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III. Se unen de diversas maneras entre sí, formando compuestos.

Estos constituyen su teoría atómica.

- Actualmente se sabe que los átomos no son indivisibles y que existen átomos de un mismo elemento con diferente peso, denominados ISÓTOPOS.

- El átomo se define como la unidad más pequeña de la materia, sin carga eléctrica, que puede existir como elemento y que puede tomar parte de una reacción química.

- El estudio de la estructura íntima de la materia (átomo y molécula), es fundamental para el entendimiento de la Biología molecular, con el conocimiento de sus estructuras, sobre todo del CARBONO y de las moléculas ORGÁNICAS, entendiendo las reacciones que tienen lugar entre moléculas de los seres vivos, (en condiciones fisiológicas y en las patológicas)

2. Proceso histórico;El conocimiento a seguido un camino en el siguiente orden:

MEZCLAS-------> SUSTANCIAS PURAS-------> ELEMENTOS SIMPLES---------> MOLÉCULAS------> ÁTOMOS----->NÚCLEOS Y PARTÍCULA ELEMENTALES.

A. Mezclas: Es la interposición mecánica de partículas distintas, dando un conjunto homogéneo –disolución-, o heterogéneo, propiedad común de ser desdobladas en componentes más sencillos por medios físicos, relativamente suaves que no destruyen las sustancias, como son:

a. Vaporización, b. Cristalización, c. Destilación, d. Adsorción, e. Sublimación, f. Extracción, Etc.

B. Sustancias puras : Son aquellas que no pueden desdoblarse en otros más sencillos por métodos físicos, tiene todas las moléculas iguales (Glucosa, agua, sílice, etc.) necesitan métodos químicos más violentos:

a. Oxidación, b. Reducción, c. Calcinación, d. Combustión, e. Electrólisis, etc.

Desdoblándose en otras sustancias más sencillas. Si estos cuerpos son compuestos, se desdoblarán en otras sustancias más sencillas, llegando a los elementos o cuerpos simples.

C. Elementos o cuerpos simples : No pueden ser desdoblados, ni por métodos físicos, ni químicos corrientes, todos sus átomos son iguales, (Ejem. oxígeno, yodo, mercurio, etc.), sin embargo por métodos RADIOACTIVOS, unos elementos pueden transformarse en otros de

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.naturaleza distinta, (mercurio en oro).

D. Molécula: Es el límite de la división física, la parte más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades.

E. Átomo : Es el límite de la división química; la partícula indivisible por métodos corrientes, átomos independientes, o agrupación de iguales constituyen las moléculas de cuerpos simples, por ejemplo, He, O2, Cl2, O3, P4, S8, Se∞, * Observemos que las moléculas pueden estar formadas por uno, dos, tres, cuatro o más átomos, e incluso en número indefinido o ilimitado, Y sí son distintos, pero todas las moléculas son iguales entre sí, - tienen un número fijo de átomos de cada clase e igualmente dispuestos en el espacio - forman un cuerpo compuesto.

Ejem. 2 átomos de hidrógeno unidos químicamente con 1 de oxígeno forman el agua líquida, H2O, estos mismos gases, unidos en otra forma, se constituye el peróxido de hidrógeno, H2 O2. Por ultimo, mezclando ambos tipos de moléculas H2 O y H2 O2, constituyen una mezcla o disolución 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 vacío, de la

radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2P10 y 5D5 del átomo de Criptón 86. Corresponde aprox. a la diezmillonésima 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 (Sèvres), y corresponde aproximadamente a la masa de un decímetro cúbico de agua destilada a 4º C. El Kilogramo de agua a 4º C. ocupa 1.000 027 decímetros cúbicos.

C. Tiempo: unidad, el segundo (s).Se define como la duración de 9 129 631 770 períodos de la radiación correspondiente a

la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio 133 es igual aproximadamente a 1/86 400 del día solar medio.

D. Temperatura termodinámica: unidad el kelvin (K).Se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del

agua.Unidad = kelvin (K) se utilizan para expresar un intervalo o una diferencia de

temperatura.Además de la temperatura termodinámica (símbolo T) expresada en kelvins, se utiliza

también la temperatura Celsius (símbolo t), definida por la ecuación:

t =T - To (siendo To = 273.15 K por definición)

La temperatura Celsius se expresa en grados Celsius (símbolo ºC).

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez. unidad Celsius =unidad kelvin

El intervalo de temperatura entre la fusión del hielo y la ebullición del agua, ambas a la presión de 1 atmósfera, (760 mm. de Hg.) a nivel del mar es aproximadamente de 100ºC. o bien 100 K.

E. Cantidad de sustancia: unidad, el mol (mol). Un mol de moléculas, iones, electrones o partículas, cualesquiera, viene a ser un número

de esas partículas igual a la razón que existe entre el gramo y el dalton. Este dalton corresponde a la masa de 1/12 de la masa del núcleo del carbono 12 y aproximadamente es la masa de un átomo de hidrógeno.

Se define el mol como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012 kg. De carbono 12.

Si se expresa el peso molecular de cualquier compuesto tenemos la molécula gramo denominada también mol, o mola siendo la milimola el peso expresado en miligramos; ( para fines clínicos, 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 inorgánicas u orgánicas, si están 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 cúbico (m3).

G. Capacidad: Suele utilizarse el litro (L).Es el volumen exacto que ocupa a 40 C un kilogramo de agua destilada y así un litro

equivale a 1.000 027 decímetros cúbicos.

Unidades atómicas.-Dada Ia extraordinaria pequeñez de los átomos y las moléculas, Ia adaptación de estas magnitudes físicas a las dimensiones atómicas, casi obliga a utilizar unidades nuevas.

Así, las unidades de longitud y sus derivadas, superficie y volumen, es el Ángström (Ǻ), que corresponde a la cien millonésima del centímetro.

a. Longitud: 1 Ǻ = lO-8 cm. = 10-10 mb. Superficie: 1 Ǻ2 = lO-8 cm2. = 10-20 m2

c. Volumen: 1 A3 = 10-24 cm3 = 10-30 m3

En cuanto a Ia masa, los submúltiplos del gramo:

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

Resultan excesivamente grandes para medir masas atómicas y moleculares. Por esta causa, y con objeto de que salieran valores mayores que Ia unidad y muy representativos de las masas atómicas, Se eligió precisamente como unidad atómica de masa Ia masa del átomo

más pequeño conocido, es decir del hidrógeno. Tomando esta unidad, los números de masa PÁGINA 4

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.de los elementos químicos conocidos estaban comprendidos entre 1 y 238, dándose el caso de que sus valores eran próximos en general a números enteros.

Esta unidad de masa presentó algunas dificultades de materialización, por lo que se adoptaron patrones próximos a ella pero más fáciles de reproducir.

Así se tomo por unidad atómica de masa, primeramente 1/16 del átomo de oxigeno natural, después 1/16 del átomo más ligero del Oxigeno, es decir del isótopo 16O.

Hoy día, por Ia importancia extraordinaria que representa el carbono no como elemento clave de la Química Orgánica y Biológica, se ha referido a él la unidad atómica de masa.

Definimos, pues Ia unidad atómica de masa (uam o dalton) como 1/12 de Ia masa del átomo de carbono, isótopo 12 (12C). Esta unidad corresponde muy aproximadamente a Ia masa del átomo de hidrógeno, es decir, a Ia unidad primitiva (Ia masa del hidrogeno es de 1,00797 uam).

Para estudiar Ia correspondencia entre Ia unidad atómica de masa y el gramo, bastará considerar el número de átomos de C-12 que existirían en 12 g de C-12 puro. Este número es fabulosamente grande: N = 6.02 l023 átomos verdaderos del elemento carbono.

Este número N corresponde cuantitativamente al conocido número de Avogadro que se utiliza en las formulas de los gases perfectos.

De las definiciones anteriores se deduce que, Si un átomo de C-12 tiene 12 dalton y N átomos tienen una masa de 12 g, a cada gramo le corresponderán N unidades atómicas de masa.

El volumen ocupado por una mola de cualquier sustancia se obtiene mediante la siguiente formula:

Volumen = molécula gramo de la sustancia / densidad.

La densidad de un gas es el peso de un litro del gas en condiciones de presión y temperatura estándar, o la masa de todas las moléculas en un litro de gas.

El volumen que ocupa cualquier gas a igual temperatura y presión es de 22.4 litros por mola.

Experimentalmente se ha demostrado que el número de partículas es igual a 6.023 X 1023 átomos (número de Avogadro) y este concepto rige en forma universal para cualquier tipo de partículas, sean moléculas, átomos, iones o electrones.

Diversos métodos experimentales han determinado el número de moléculas individuales en 22.4 litros de una sustancia gaseosa a OºC. de temp. y a 760 mm. de Hg. de presión constituyendo el número de Avogadro. En otras palabras, esta constante representa el número de moléculas presentes en una mola de cualquier sustancia.

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F. Peso Atómico y molecular:Dalton sugirió cierta unidad de peso en los átomos, pero estos no pudieron pesarse por

ser tan microscópicos, desechando la idea de pesos absolutos, y adoptó la de pesos relativos.

Interesan más los pesos relativos.

La composición del agua en peso es de 11.2 % de hidrógeno y 88.8 % de oxígeno.

masa de oxígeno = 88.8 = 7.95masa de hidrógeno 11.2 1

Por métodos químicos se precisó su constitución por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, por lo tanto:

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masa del átomo de oxígeno 15.9masa del átomo de hidrógeno = 1.00

Denominándose a estas masas o pesos relativos, masas atómicas.

Inicialmente Dalton tomó como referencia al hidrógeno dándole un valor de 1, después se usó el oxígeno en vista de que se cambiaba más fácilmente con otros elementos y en 1961 fue sustituido por el carbono, ya que el oxígeno es una mezcla de varios isótopos.

De lo anterior se deduce que peso atómico relativo de un elemento es el peso de un átomo de dicho elemento, en relación con el peso de un átomo de carbono al cual, convencionalmente se le asignó el peso de 12,000 unidades de masa atómica.

Si dicho peso atómico de cualquier elemento se expresa en gramos, tenemos lo que se llama átomo - gramo o átomo - masa

Los átomos se agrupan constituyendo moléculas, entendiendo por molécula la unidad más pequeña que puede existir libre como sustancia compuesta, presentando todas las propiedades químicas de ella. Ya que una molécula está constituida por átomos, el peso molecular relativo de un compuesto es la suma de los pesos atómicos en relación con el peso de un átomo de carbono (12 unidades).

G. Número y peso atómico:Elemento es un compuesto de átomos de la misma clase. Existen muy pocos en la tierra,

algunos sólidos (carbón) otros líquidos (mercurio) y otros gaseosos (oxígeno), siendo este último el más abundante en la tierra y el hidrógeno en el universo.

Los elementos se combinan entre sí, formando los compuestos, encontrándose en mayor número que los elementos y siendo el más abundante el agua.

Rutherford en su modelo establece que el átomo está constituido por un núcleo pequeño con una carga POSITIVA, donde está concentrada toda su masa, y por una carga NEGATIVA a su alrededor, la cual será de igual magnitud que la carga positiva para que el átomo sea NEUTRO.

En 1932 Chadwik, descubrió que en el núcleo existen otras partículas sin carga a las que denominó NEUTRONES, siendo la masa del neutrón similar a la del PROTÓN.

El átomo tiene un diámetro de aproximadamente 10-8 cm., y el de su núcleo es de 10-12

cm.

Al igual que los neutrones, se han descrito otras partícula que se encuentran en el núcleo y que actúan como fuerzas de cohesión para mantener al núcleo como unidad.

El núcleo del átomo está constituido por protones que le dan carga eléctrica positiva y masa, en cambio los neutrones le confieren al núcleo únicamente masa, ya que no tienen carga eléctrica.

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Se denominan NUCLEONES a las partículas contenidas en el núcleo del átomo, pero

para fines prácticos se consideran únicamente los protones y neutrones, cuya suma es una medida aproximadamente de la masa atómica de ese átomo en particular, Por lo tanto:

Número de masa atómica = protones + neutrones.

Ejem.:Un átomo de sodio tiene en su núcleo 11 protones 12 neutrones, por lo tanto su

masa atómica es de 23.

Un átomo de cloro tiene en su núcleo 17 protones y 18 neutrones, por lo tanto su masa atómica es de 35.

Un elemento químico se define como un conjunto de átomos con el mismo número de protones en el núcleo. Cuando estos átomos tienen diferente número de neutrones se dice que son isótopos del mismo elemento.

Así, todo átomo que tenga ocho protones en el núcleo número atómico ocho será oxigeno. En realidad, lo que caracteriza un elemento determinado es el número de Protones del

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.núcleo, el cual controla el número de electrones periféricos y su distribución peculiar. Estos electrones, gobernados por el núcleo, determinan las propiedades químicas del elemento.

En la naturaleza encontramos tres tipos de átomos distintos que, conteniendo ocho protones nucleares, tienen además 8, 9 y 10 neutrones; estos átomos serán respectivamente, los isótopos del Oxigeno:

Los distintos isótopos de un mismo elemento tienen las mismas propiedades químicas,

debido a la completa igualdad en la distribución electrónica que veremos luego, pero varían algo las propiedades físicas -densidad y volatilidad- de sus compuestos por su distinta masa.

Los ISÓTOPOS son átomos que tienen el mismo número de protones en el núcleo, con diferente número de neutrones.

Soddy los define como átomos de un mismo elemento que tienen las mismas propiedades químicas, pero diferentes pesos atómicos. Las propiedades químicas provienen del número de protones y las diferencias de peso del diferente número de neutrones.

El número atómico de un elemento está dado por el número de protones en el núcleo de su átomo. Es muy importante, pues los protones determinan el número de electrones, que son partículas con carga negativa, situados alrededor del núcleo y que confieren al átomo sus propiedades fisicoquímicas.

El sodio con número atómico de 11, es decir consta de 11 protones en su núcleo y alrededor del núcleo 11 electrones en órbitas, variables (Rutherford) o definidas (Bohr).

Los electrones se encuentran distribuidos en varias órbitas. Estas se encuentran situadas alrededor del núcleo en diversos niveles y desde un punto de vista práctico la de más interés es la externa que interviene para que se lleven a cabo los enlaces entre los diferentes átomos.

Cuando la órbita externa se encuentra completamente saturada se dice que el átomo está en situación estable o inerte, y ellos son: HELIO (He2), NEÓN (Ne10), ARGÓN (Ar18), CRIPTÓN (Cr36), XENÓN (Xe54), RADON (Rn86), y OBERÓN (On118).

El átomo de sodio tiene en su órbita externa un solo electrón, existiendo menor fuerza de atracción entre este electrón y el núcleo que entre los electrones que se encuentran más próximos al núcleo y que corresponden a la 1ª y 2ª órbita del sodio. Como resultado de lo anterior el electrón de la 3ª órbita se encuentra débilmente unido al átomo.

El átomo de cloro tiene en su 3ª órbita 7 electrones, que se encuentran tan alejados del núcleo como el electrón del sodio, sin embargo, existe mayor tendencia de unión entre ellos y su núcleo, ya que el número de protones en el cloro que el número de protones del sodio.

Al acercarse un átomo de sodio a uno de cloro, el electrón débil del sodio se separa del mismo para aproximarse a la 3ª órbita del cloro, de esta manera el átomo de sodio pierde una carga negativa predominando en él una carga positiva neta, y el átomo de cloro, al ganar el

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.electrón, gana una carga negativa que predomina sobre la carga positiva de su núcleo (ver fig.).

Tanto el átomo de sodio como el de cloro, al adquirir carga constituye un ION de sodio y cloro; por lo tanto un ION es un átomo que tiene carga al ganar o perder electrones, ya sea positiva o negativa según corresponda.

En vista de que iones de diferente carga se atraen, constituyen una unión o enlace iónico.

Puede existir otro tipo de unión o enlace cuando dos átomos se aproximan teniendo la misma carga. La presencia de los electrones de un átomo repelen a los del otro átomo, existiendo también repulsión entre los protones de uno con los del otro. Sin embargo, los protones de un átomo pueden atraer a los electrones de otro átomo y viceversa, siendo por lo tanto dichas fuerzas de atracción superiores a las de repulsión.

Dos átomos de cloro, en cuya órbita externa se encuentran 7 electrones, al unirse entre si comparten un electrón denominándose a este enlace, covalente.

La molécula del cloro es estable ya que cada átomo adquiere la configuración del neón con 8 electrones en su órbita más externa.

En este tipo de combinación ninguno de los dos átomos gana ni pierde electrones, por lo tanto no se forman iones. La covalencia se expresa por el número de pares de electrones compartidos con otros átomos.

El nitrógeno es un elemento que tiene 5 electrones en su órbita externa y al combinarse con 3 átomos de hidrógeno lo hace compartiendo sus electrones adquiriendo una configuración estable ya que el nitrógeno tendrá 8 electrones y cada átomo de hidrógeno 2 electrones. En este caso, la covalencia del nitrógeno es de 3, porque dicho átomo comparte con el H+ 3 pares de electrones y la covalencia de cada átomo de hidrógeno es de uno, ya que de cada par de electrones comparte uno con el nitrógeno.

Tanto esta combinación como la anterior, no conduce a la formación de iones cargados.

VALENCIA; es el número de electrones ganados o perdidos por un átomo neutro, o los pares de electrones compartidos con otros átomos. La capacidad de combinación de un elemento es llamada valencia del elemento.

SOLUCIONES; Solución es una combinación homogénea de un solvente y un solúto, siendo el solvente el componente que se encuentra en mayor cantidad y el solúto en menor cantidad. Se define también como una dispersión homogénea de una sustancia en otra.

PROPIEDADES COLIGATIVAS; De las soluciones, son aquellas que dependen del número de partículas de solutos presentes en una cantidad específica del solvente y varían en proporción directa a la concentración.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Estas propiedades son:

1. Presión de vapor,2. Punto de ebullición,3. Presión osmótica y4. Punto crioscópico.

1) Presión de vapor: Si se deja un recipiente que contiene un líquido cualquiera, las moléculas existentes, debido al continuo choque entre las mismas, escaparán en forma gaseosa, que se denominan moléculas de vapor.

Un líquido volátil es aquel que se evapora con facilidad a la temperatura ambiente. Cuando lo hace con lentitud se denomina no volátil.

Los factores que contribuyen a la evaporación de las moléculas de los líquidos son:

a) El aumento de la temperatura que contribuye al incremento de la energía cinética y por lo tanto facilita la evaporación ya que el choque de las moléculas es más marcado,

b) El aumento de la superficie, ya que a mayor superficie del líquido, mayor área de evaporación y

c) Las corrientes sobre dichas áreas que contribuyen a movilizar las partículas evaporadas.

Si en un recipiente cerrado y a una temperatura determinada se deja que las moléculas de un líquido que se encuentran en ese recipiente se evaporen, llega un momento en que las moléculas evaporadas ejercen una presión para depositarse en la superficie del líquido, denominándosele a este fenómeno CONDENSACIÓN.

Cuando la velocidad de condensación iguala a la de evaporación se llega a un punto en que ya no se observa disminución del nivel líquido, la presión ejercida o registrada en ese momento es la presión de vapor del líquido estudiado.

La presión de un solvente puro, es mayor que al agregarle solutos no volátiles, porque en las soluciones disminuye la tendencia de las moléculas al escapar de su superficie.

La determinación de la disminución de la presión de vapor permite deducir el peso molecular del soluto presente en la solución, ya que tanto el número de partículas como el tamaño tienen relación con la alteración de esta propiedad.

Se llama DEPRESIÓN a la diferencia entre la presión del solvente puro y la de una solución a la misma temperatura.

CONSTANTE DE DEPRESIÓN es la causada por una mola del solúto no volátil en 1,000 gr. de solvente.

2. Punto de ebullición:PÁGINA 11

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.El aumento de la temperatura de un líquido, aumenta la energía continúa de

las moléculas de manera que la presión de vapor de dicho líquido aumenta.

A medida que aumenta la temperatura, la energía cinética de las moléculas hará que se formen burbujas de vapor de agua no sólo en la superficie, sino en todo el seno del líquido.

Estas burbujas se formarán cuando la presión interior (de la burbuja) sea superior a la atmosférica.

A diferencia de la evaporación que es fenómeno de superficie, la ebullición ocurre en todo el líquido.

El punto de ebullición normal de una sustancia es la temperatura en la cual su presión de vapor es igual a una atmósfera de presión (760 mm. de Hg.).

También el aumento del punto de ebullición depende del número de partículas disueltas en el solvente.

En vista de que la solución tiene menor presión de vapor que el solvente puro, el punto de ebullición de la solución es mayor que el del solvente.

El punto de ebullición del agua es de 100º a una presión barométrica de una atmósfera (760 mm. de Hg.) si se disminuye la presión barométrica de un líquido, las burbujas escapan con mayor rapidez y por lo tanto disminuye el punto de ebullición.

Constante ebulloscópica es la modificación del punto de ebullición causada por una mola del soluto en 1,000 gr. de solvente.

3. Presión osmótica:Depende del número de partículas por unidad de volumen.

Cuando se encuentra separada una solución de un solvente puro, por una membrana permeable al solvente pero no al soluto, el solvente pasa a la solución por un proceso denominado ÓSMOSIS. Presión osmótica es aquella presión hidrostática que se deberá aplicar a la solución 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 moléculas de agua del sitio donde no están diluidas tienen mayor tendencia al escape de donde sí lo están; en esta forma se explica el predominio del paso de las moléculas del lado del solvente puro a donde está el solvente con un soluto.

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El potencial químico del agua o tendencia al escape, puede aumentar mediante cambios en su temperatura o en su presión y disminuye con, la adición de algún soluto.

Una mola de cualquier compuesto no disociable, por ejemplo, glucosa o urea, que consta de 6.023 X 1023 moléculas, se llama OSMOL.

MILIOSMOL es la milésima 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 atmósfera.

Un miliosmol disuelto en un kg. de agua disminuye dicha tendencia al escape del agua en 17 mm. de hg.

La presión osmótica de los líquidos corporales se obtiene multiplicando el número total de miliosmoles por 17 mm. de hg. Que para una persona normal sería 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 osmótico de 2 osmoles; y en el caso de de que se disocie en 3 iones como el cloruro de calcio ejerce un efecto osmótico de 3 osmoles.

4. Punto crioscópico:Cuando un líquido se enfría la energía cinética de las moléculas del mismo disminuye de

tal manera que conforme baja la temperatura, va desapareciendo dicho movimiento y las moléculas adquieren el aspecto de un sólido.

Dicho cambio se denomina CRISTALIZACIÓN, y la conversión de sólido a líquido se denomina FUSIÓN. El punto de congelación y de fusión de un líquido es el mismo y ocurren a la temperatura en la cual la presión de vapor del sólido es igual a la del líquido.

La diferencia entre el punto de congelación del solvente puro y el de la solución se llama DESCENSO CRIOSCÓPICO.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.La constante crioscópica es el descenso ocasionado por una mola de soluto en 1,000 gr.

de solvente.

El agua pura se congela a 0ºC.

Una solución osmolar es la que contiene un osmol de un soluto que no se disocia, en un Kg. de agua se congela a -1.86ºC

El plasma sanguíneo se congela normalmente a -0.553ºC., por lo tanto su concentración osmolar se obtiene dividiendo:

0.553------------= 0.297 Osm/ Kgr. de agua 1.86 (solución 1/6 molar)

En los líquidos corporales al disociarse los compuestos, no forzosamente se obtienen cifras de partículas enteras, así se tiene que el NaCl, que teóricamente daría 2 partículas enteras, realmente da 1.85 partículas. A esta cifra se le denomina coeficiente osmótico y varía con los diferentes compuestos.

Para determinar la concentración de una solución de NaCl, osmóticamente equivalente al plasma, se divide la osmolaridad entre el coeficiente osmótico del NaCl en la concentración apropiada:

0.297----------- = 0.160 molal1.85

La molaridad de una solución se expresa como el número de molas de soluto disueltos en un litro de solución total.

ELECTROLITOS:

Si se hace pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolíticas ésta experimentará una disociación electrolítica o, electrólisis.

Los elementos disociados son llamados electrólitos, adquieren carga eléctrica positiva o negativa y se trasforman en IONES; los iones de carga negativa se dirigen al polo positivo o ánodo por lo que se llaman ANIONES y los de carga positiva al polo negativo y se denominan CATIONES.

Faraday observó que algunas soluciones conducían la electricidad, y denominó ELECTROLITOS a aquellas sustancias cuyas soluciones en agua conducían la electricidad (NaCl, H2SO4, KCL) y NO ELECTROLITOS aquellas que no lo conducían (Urea, Glucosa).

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Si dicha carga eléctrica corresponde a un Faraday, se depositará en el ánodo un peso equivalente de aniones y en el cátodo un peso equivalente de cationes. A dicha carga se le denomina CARGA EQUIVALENTE.

Cuando reaccionan los elementos entre sí no lo hacen en la relación a un átomo a otro o de un peso atómico a otro, sino en relación al número de sus cargas o sea de su peso equivalente.

Así, el peso equivalente de un elemento es el peso que se combina con o sustituye a un átomo de HIDRÓGENO, un GRAMO EQUIVALENTE de un elemento es la cantidad en gramos que lleva el mismo número 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 atómico de 40 pero con 2 valencias, el peso equivalente será igual a la mitad del peso atómico, que es donde se encuentra una sola valencia.

Si se observa por ejemplo el NaCl, hay una relación atómica 1:1 entre los átomos de Na+

y Cl-. La capacidad de combinación entre sí son iguales. Se podría asignar arbitrariamente el valor numérico de 1 para la valencia tanto del Na+ como el del Cl-. A estos iones se les llama monovalentes y se combinan en la relación 1:1.

El equivalente del ion Hidrógeno (con peso de 1.008 gramos) que consta, al igual que el del sodio, de 6.023 X 1023 partículas, equilibra o neutraliza exactamente a un equivalente de iones hidróxido (con peso de 17.008). Dicha neutralización da lugar a la formación de una mola de agua.

También existen iones que tienen más de una valencia, como el calcio que es bivalente, con mayor capacidad de combinación, 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 partículas (3.012 X 1023) que hay en un equivalente de ion hidrógeno.

El cloruro de sodio, cuyo peso molecular es la suma del peso atómico del Na y Cl, si se expresa en gramos constituye una mola (molécula gramo), en solución se disocia en 2 iones, ejerce un efecto osmótico de 2 osmoles y el poder de combinación 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 solución no se disocia por no tener carga y por lo tanto no tiene capacidad de combinación (valencia = 0).El efecto osmótico que ejerce es de una sola partícula. En cambio, el cloruro de calcio, que en solución se disocia en 3 partículas, ejerce un efecto osmótico 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).

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Para convertir mg. a mEq/l. se usa la siguiente fórmula:

mg. X 100 X 10 P.A. X Valencia.

NORMALIDAD de una solución es el número de equivalentes gramos de soluto por litro de solución.

SOLUCIÓN NORMAL es la que contiene un equivalente gramo de soluto por litro de solución.

DIFUSIÓNEs el proceso por el cual las moléculas del líquido o del soluto se dispersan para ocupar

todo el volumen disponible. Se debe al movimiento espontáneo de las moléculas, o partículas pequeñas, desde las regiones de mayor concentración a las de menor concentración. Este proceso es afectado por la temperatura, la viscosidad y el radio molecular.

El coeficiente de difusión (medida de la proporción de difusión es mayor a medida que se eleva la temperatura, a menor radio molecular de las partículas y a menor viscosidad:

Resumiendo: R T 1

D = N 6 vr De donde:

D = coeficiente de difusión (cm2 / segundo)R = constante de los gasesT = temperatura absolutaN = número de Avogadrov = viscosidadr = radio molecular

Existe también difusión a través de las membranas que permiten el paso de moléculas o partículas, siguiendo un gradiente de concentración, o sea de los sitios de mayor a menor concentración tanto de las moléculas del solvente como del soluto.

FILTRACIÓNEs el proceso por el cual un líquido es forzado a pasar a través de una membrana

mediante una diferencia de presión entre los dos lados de ella.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Los factores que la modifican son:

a) La diferencia de presión, siendo el filtrado directamente proporcional al aumento de dicha diferencia.

b) El área de la membrana y el diámetro de los poros, de tal manera que a mayor área y mayor diámetro, mayor filtrado.

c) El espesor de los poros y el diámetro de las moléculas, ya que que a menor espesor y a menor diámetro de las moléculas también el filtrado es mayor.

FENÓMENO DE GIBSS-DONNAN

Si un ion no difusible, por ejemplo proteínas (Pr-) está en un lado de una membrana permeable a todos los demás iones (Na+ y Cl-) los iones difusibles se distribuirán a ambos lados de la membrana de una manera desigual, de tal modo que en equilibrio satisfacen los siguientes requisitos:

1. La neutralidad electroquímica 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 más partículas osmóticamente activas en el sitio donde está la proteína que del otro lado.

4. En el compartimento donde esta la proteína la concentración de aniones difusibles debe ser ser menor que de los cationes difusibles.

Los iones hidrógeno se distribuyen en el organismo en la misma forma que los del sodio; así tenemos que en equilibrio el lado que contiene las proteínas (plasma), es más ácido que el que no las contiene (líquido intersticial). 1. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

A. Generalidades:

Existen tres estados fundamentales de la materia:

a) Gaseosob) Líquido yc) Sólido

Existiendo otros estados intermedios como el Vítreo, Amorfo, Mesomorfo, etc.

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

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.cambios de presión y temperatura, no, presentan una superficie límite y tendencia a ocupar todo el espacio disponible.

b) Estado LÍQUIDO; Carecen de forma definida, tomándola del recipiente que los contienen, presentan una superficie que limita el espacio ocupable y pequeña variación del volumen con los cambios de temperatura y presión.

c) Estado SÓLIDO; Tienen forma definida, varia muy poco su volumen con los cambios de temperatura y presión, y su estructura íntima es cristalina.

Algunos vidrios y resinas tienen forma definida, pero al carecer de estructura cristalina - AMORFOS - se pueden considerar como líquidos subenfriados, extraordinariamente viscosos.

B. Propiedades de los gases:

Teoría cinética.- Las propiedades de los gases:

Expansibilidad, falta de forma y superficie límite y gran variabilidad de volumen con los cambios de presión y temperatura.

Se explican satisfactoriamente por la teoría cinética.

La masa gaseosa está formada por un número extraordinariamente grande de partículas que se mueven a grandes velocidades en todas direcciones - MOVIMIENTOS CAÓTICOS - chocando unas con otras y con las paredes de los recipientes. Así nos explicamos que el volumen ocupado sea todo disponible - EXPANSIBILIDAD - debido al carácter caótico de los choques entre las partículas que se están moviendo en todas direcciones.

Como las fuerzas de dispersión predominan sobre las de cohesión, las partículas se comportan como libres e independientes, y por lo tanto el gas no presenta superficie límite.

La presión es debida a los choques de las partículas del gas con las paredes del recipiente, sobre las cuales ejercen un impulso mecánico. Al elevarse la temperatura, aumenta la velocidad de las propias partículas, y por lo tanto, su energía cinética, con lo cual los choques son más violentos y la presión es más alta.

Si la presión se mantiene constante - por ejemplo, limitando el gas con un émbolo de peso conocido - en estas condiciones se eleva la temperatura, aumentando por consiguiente el volumen.

Las partículas se pueden identificar con las moléculas químicas del gas - CO2, O2, N2, CH4, etc.- o bien con los átomos libres en el caso de los gases nobles: Helio (He2), Neón (Ne10), Argón (Ar18), Criptón (Cr36), Xenón (Xe54), Radon (Rn86), y Oberon (On118).

C. Propiedades de los gases

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Ley de Boyle.- A una temperatura determinada y para una masa definida de gas, el producto de la presión por el volumen es constante.

P X V =k

Volumen y presión son inversamente proporcionales.

Ley de Gay-Lussac.- Para una cierta masa de gas a una presión constante, el volumen crece linealmente con la temperatura.

V = V0(1+ a t) [1]

a es el coeficiente de dilatación 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 = 1ºC, resulta

V = 1 + a

Esto nos permite definir el coeficiente de dilatación a como el aumento de volumen que experimenta un litro de gas al elevar su temperatura en un grado centígrado.

Para la presión, existe una ley idéntica.

P = P0(1 + a t) [3]

Es decir, la presión de una determinada masa gaseosa, a volumen constante, crece linealmente con la temperatura.

El coeficiente a (1/273) equivale al aumento de presión que experimentaría una masa gaseosa a volumen constante al calentarla 1ºC.

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Si en la fórmula [3] hacemos P =0, puesto que P0 es distinto de cero, resulta que

1 + at =0 De donde:

t =__1_____ = - 273ºC a

Esto significa que a -273ºC la presión de cualquier gas se hace nula. Esta temperatura se llama CERO ABSOLUTO, y en él las moléculas gaseosas están en reposo, no ejerciendo, por lo tanto, presión 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 centígrada usual. Por consiguiente, en esta escala, el punto de fusión del hielo es 273ºK, y el punto de ebullición del agua es de 373ºK.

En consecuencia, podemos afirmar que el volumen a presión constante, o la presión a volumen constante, son proporcionales a la temperatura absoluta.

ECUACIÓN DE LOS GASES IDEALES

Hipótesis de Avogadro: A igualdad de presión y temperatura, volúmenes iguales de cualquier gas tienen el, mismo número de moléculas.

Una masa gaseosa a 0ºC. ocupará un volumen V0 y ejercerá una presión P0.Manteniendo el volumen constante V0, elevamos la temperatura hasta tºC. La nueva

presión P´vendrá medida por la formula.P0 X T

P´=-------------------- [7] 273

Si a temperatura constante, t, dejamos variar libremente la presión y el volumen, según la

ley de Boyle, se cumplirá:

P X V = P´X V0

Sustituyendo P´por su valor [7], resulta:

P0V0

PV=-------------- x T [8] 273

PÁGINA 20

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez. P0V0

El cociente --------- depende únicamente de la masa gaseosa 273

Considerada. Para un mol de gas se ha determinado experimentalmente que a temperatura de 0ºc y presión de una atmósfera, 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 fácil de calcular; P0V0

R = --------- [9] 273

Sustituyendo los valores anteriores:

1 atmósfera x 22.4 litros/molR =-------------------------------------------- = 0.082 atmós.x lt./Kºx mol.

273ºK

El hecho de que un mol de cualquier gas, es decir, N moléculas ocupen a 0ºC y presión de una atmósfera 22.4 litros, es la confirmación de la hipótesis de Avogadro.

Este número N, como es 6.02 x 1023 moléculas /mol.

La ecuación de los gases ideales [8] para un mol quedará de esta forma:

P x V = RT [10]

Si en lugar de un mol, consideramos n moles, la constante será n veces R, y la ecuación:

P x V =n RT [11]

Interpretación de la fórmula [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 sólo depende del número de moles.

LEY DE LAS MEZCLAS (O LEY DE DALTON)

La presión 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.

PÁGINA 21

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Si se consideran aisladamente los gases 1 y 2 en recipientes de igual volumen, la

presión que ejerce el gas nº 1 será dada por la formula;

P1V = n1 RT [15]

Y la que ejercerá el gas Nº 2, será;

P2V = n2 RT [16]

Si sumamos las 2 ecuaciones nos dará;

(P1 + P2) V = ( n1 + n2) RT [17]

Sabemos que la presión no depende de la naturaleza del gas, sino del número total de moles, al ser mezclados en un mismo recipiente y teniendo en cuenta que no reaccionan entre sí, la mezcla resultante equivale a un gas homogéneo cualquiera, que tenga un número de moles n igual a la suma del contenido de ambos;

n = n1 + n2

P x V = nRT [18]

Si se sustituye en la ecuación [17] (n1

+ n2

) por n, y comparándola con la fórmula [18]

encontramos que;

P = P1

+ P2

Es decir que la presión total se puede considerar como la suma de las presiones parciales de todos los gases de la mezcla. Y así tenemos que las presiones parciales son proporcionales al número de moles de cada uno de ellos, así mismo si dividimos la ecuación [15] entre la [16] tendremos;

P1 n1

-------- = ------- P2 n2 y dividiendo resulta:

P1 n1 --------- = ------ = x1 [19]

P n

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

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

n1

PÁGINA 22

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.x1 =-------------------------------------

n1 + n2 + n3+ n4+ ........

Según la ecuación [19] la presión parcial es el producto de la fracción molar por la presión 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 presión total de 5 atmósferas, ¿cual será la fracción molar del O2 en la mezcla?

2 2xO2 =-------------------- = ----- = 0.2

7 + 2 +1 10

Su presión parcial según la formula [20];

P2 = x2 x P; (sustituyendo) p2 = 0.2 x 5 atm. = 1 atm.

Recordemos que los volúmenes parciales cumplen una ley similar a las de las presiones parciales. Así podemos afirmar que el volumen ocupado por una mezcla de gases es igual a la suma de los volúmenes que ocuparían cada uno de ellos, en recipientes separados, a la misma presión de la mezcla.

El tratamiento matemático es idéntico, y podemos señalar:

v1 = x1V [21]

En fisiología respiratoria, las cantidades de gas que se manejan suelen expresarse en presiones parciales, medidas en mm. de Hg., o en volúmenes parciales (en porcientos, %, en condiciones normales, es decir, P = 1 atm. y T = 0ºC.

EJEMPLO: El aire que respiramos se compone de; 1).- un 78% de nitrógeno, 2).- un 21% de oxígeno, y 3).- un 1% de otros gases. ¿Como calculamos la presión parcial de cada gas, si la presión total es de 1 atmósfera (760 mm. de Hg.)? Aplicando la formula [21]

V1x1 = ------------; a cada gas.

V

Y sustituyendo los valores en la formula [20];

P1 = x1 X P = 0.78 X 760 = 593 mm de Hg.PÁGINA 23

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.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.

____________________________Presión total = 760 mm. de Hg. (1 Atmósfera)

SOLUBILIDAD, ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN

En fisiología son las propiedades de mayor importancia de los gases, y tienen inmediata aplicación sobre todo en la fisiología respiratoria sobre todo en forma concreta en el intercambio gaseoso, tanto a nivel de los alvéolos pulmonares como a nivel tisular, independientemente del transporte de los mismos por la sangre circulante.

En la función respiratoria, en su fase pulmonar, son fundamentalmente importantes los fenómenos de difusión del oxígeno y del dióxido de carbono, a través de la membrana alveolar, en el sentido que marcan los gradientes de concentración: el oxígeno difunde del alveolo a la sangre venosa transformándola en sangre arterial, y el dióxido de carbono de la sangre venosa al alvéolo, así también observaremos que en los tejidos, la concentración de dióxido de carbono difunde al glóbulo rojo de la sangre, y el oxígeno llevado a nivel tisular difunde hacia los tejidos celulares. El estudio de la difusión de los gases en esta función justifica el conocimiento de estas propiedades de los gases.

A. SOLUBILIDAD:

La disolución de un gas en un líquido es la interposición mecánica de las moléculas de gas entre las del líquido, formando una fase líquida única.

La saturación de un líquido por un gas a temperatura y presión dadas, es cuando el número de moléculas del gas que se disuelven en el mismo es igual al número de ellas que se escapan de él.

LEY DE HENRY: La solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas.

s1 = k1P1 [23]

Recordando y aplicando las formulas anteriores, encontramos que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la fracción molar y a la presión total, ya que; (P1 = x1P1), y va a depender de la naturaleza del gas (k1 es una constante específica).

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 líquido a la presión de una atmósfera y a una temperatura determinada.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.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 oxígeno en 100 ml. de plasma, sabiendo que está a presión parcial de 100 mm. de Hg., su fracción molar, aplicando la fórmula [19], será.

P2 100x2 = ------------ = ---------- y utilizando la fórmula [24]

P 760

100S2 =0.022 x ----------- x 1 = 0.0029 ml. gas/ml. de plasma

760

Solubilidad del oxígeno: S2 (en 100 ml.) = 0.29 ml. de gas

Así también, calculamos la solubilidad del CO2, en 100 ml. de plasma, sabiendo que está a una presión parcial de 40 mm. de Hg., será:

40S3 = 0.510 x ----------- x 1 x 100 = 2.68 ml. de gas

760

Cuando con fines terapéuticos empleamos el aire enriquecido de oxígeno, veremos la aplicación práctica de la importancia fisiológica de la ley de Henry, ya que este aire enriquecido facilita el transporte por la aplicación del aumento de la solubilidad, pudiéndose mantener el aporte de oxígeno adecuado en los casos de insuficiencia respiratoria. En efecto, si x2 para el oxígeno crece, crece también proporcionalmente su solubilidad en la sangre y su aplicación adecuada en biología.

También observaremos que, la influencia de la presión total en la solubilidad de los gases reviste especial interés en condiciones extremas. Y por ejemplo, cuando los buceadores respiran a presiones de más de 8 atmósferas, la solubilidad del nitrógeno es 8 veces mayor, y un descenso brusco de la presión total - DESCOMPRESIÓN - disminuiría de tal forma la solubilidad que podría liberarse nitrógeno gaseoso en la sangre - embolias -, con graves consecuencias. En estos casos, el aumento de de solubilidad del gas inerte puede subsanarse sustituyendo el nitrógeno por el helio, que tiene menor coeficiente de solubilidad, y por eso disminuye el riesgo de embolia por descompresión.

El oxígeno y el dióxido de carbono pasan de los alvéolos a la sangre por solubilidad y, en parte, se transportan simplemente disueltos, aunque la fracción que tiene más importancia fisiológica es la que se transporta fija o absorbe químicamente, lo cual estudiaremos más adelante.

B. ABSORCIÓN:

A la fijación de un gas en un líquido o en un sólido en toda su masa, generalmente por PÁGINA 25

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.una reacción química, se le conoce como absorción.

El ácido sulfúrico concentrado, por ejemplo, fija el vapor de agua por absorción, desprendiendo gran cantidad de calor y pudiendo deshidratar otros cuerpos.

El cloruro de calcio, también fija el vapor de agua, llegando a disolverse en el agua absorbida (higroscopia).

El gel de sílice puede fijar gran cantidad de agua sin perder su naturaleza de sólido.

Los hidróxidos de sodio y potasio fijan CO2 hasta formar bicarbonato.

El CO2 se fija en la sangre, principalmente por absorción, debido a la alcalinidad del medio, según las reacciones químicas que se estudiarán más adelante.

C. ADSORCIÓN:

Se llama adsorción a la fijación de un gas en la superficie de un sólido. Esta se realiza solamente en la superficie y no en toda la masa, y las fuerzas de fijación son de tipo físico y químico, de valencia.

Un ejemplo de adsorción, es la fijación del óxido de carbono (CO) sobre carbón activo, utilizado en las caretas anti - gas. Observándose en la figura, que esquemáticamente la fijación de las moléculas gaseosas de CO sobre la gran superficie del carbón adsorbente, hasta alcanzar un equilibrio que depende de la presión gaseosa.

La adsorción de un gas en un sólido crece muy rápidamente hasta ocupar el gas todos los puntos activos de la superficie, llegándose entonces a la saturación.

ISOTERMA DE LANGMUIR; es la ecuación que relaciona la cantidad de sustancias adsorbidas con la presión de gas, o la concentración en el medio liquido que puede rodear al sólido.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.c

a = k1 -------------- [25] c + k2

Pa = k1 -------------- [26]

P + k2

a representa la cantidad de gas adsorbido,c su concentración si el adsorbente está en medio líquido,p la presión de gas si el adsorbente está 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 adsorción.

1) Si la presión es muy baja, P es despreciable frente a k2; y entonces el denominador es prácticamente k2, simplificándose la formula [26] y trasformándose en:

k1a = -------------- P [27] k2

Así resulta que a presiones bajas, la adsorción es proporcional a la presión parcial del gas a adsorber.

2) Si la presión es muy alta, k2 resulta despreciable frente a P, y entonces el denominador es prácticamente P, resultando que en la formula [26], a = k1.

A presiones altas, la cantidad adsorbida es constante, y aunque aumente la presión -estado de saturación - no se fija más gas, porque toda la superficie activa está cubierta.

En la gráfica, se observa que a presiones bajas la adsorción crece linealmente - la curva coincide con su tangente -, y a presiones altas se hace horizontal (pendiente nula que corresponde al estado de saturación).

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La unión del oxígeno a la hemoglobina, esencial para el transporte por la sangre circulante, se hace en puntos determinados de la molécula por un fenómeno de adsorción.

Las fuerzas de fijación son las valencias residuales del hierro, que es capaz de coordinación hexavalente, ocupando los seis radicales los vértices de un octaedro. En efecto, la molécula de hemoglobina contiene 4 anillos porfirínicos con sus correspondientes átomos de hierro, en cada uno de ellos puede fijarse una molécula de oxígeno, de modo que una molécula de hemoglobina puede transportar hasta ocho átomos de oxígeno adsorbidos en su superficie.

D. DIFUSIÓN:La cantidad de gas que difunde por una superficie es directamente proporcional al

gradiente de concentraciones, al área de la superficie, y al tiempo que dura el fenómeno; y es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad del gas.

La difusión en si es muy simple, y su estudio teórico es muy fácil, porque está influida sólo por la masa molecular de las masas gaseosas.

Pero la difusión en los pulmones o en los tejidos es un fenómeno más complejo, porque en los mecanismos de disolución, que condicionan la velocidad de difusión, intervienen otros factores que complican el problema:

a) Adsorción del oxígeno sobre la hemoglobina,b) Mecanismos enzimáticos de formación de ácido carbónico a partir del CO2 y, c) La absorción de los hidrogeniones por la débil alcalinidad del plasma.

Para explicarse este mecanismo de difusión en un medio homogéneo, podemos imaginar una cavidad llena de agua con oxígeno en un extremo; las moléculas de oxígeno se moverán al azar y en todas direcciones, de acuerdo con la teoría cinética, chocando unas con otras y con el disolvente.

Como consecuencia de este movimiento, el gas tenderá a llenar uniformemente toda la cámara de agua.

Se habrá producido, un fenómeno de difusión desde el extremo en que el oxígeno estaba concentrado, al extremo en que estaba más diluido, (ver figura)

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Suponiendo el depósito cerrado, se llegaría a un equilibrio cuando la concentración de

O2 fuera uniforme en su interior, pero esto no sería el final de la difusión; significa, no que la difusión ha terminado, sino que el mismo número de moléculas difunden tanto en un sentido como en el otro: se ha establecido un equilibrio dinámico.

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; Habría así un gradiente de presión, y entonces la difusión sería continua y permanente en el sentido de tender a uniformar las concentraciones.

Además del gradiente de concentración, otros factores influyen en la velocidad de difusión de un gas en un líquido:

a) Solubilidad del gas en el líquido,b) Superficie de difusión considerada normal al gradiente de concentración del gas,c) Distancia a la cual el gas tiene que difundir,d) Masa molecular del gas,e) Viscosidad del líquido,f) Temperatura del mismo líquido.

En el organismo, en condiciones normales, estos dos últimos factores, permanecen prácticamente constantes, por lo que se puede estudiar la difusión con suficiente exactitud sin necesidad de tenerlos en cuenta.

La difusión aumenta con la solubilidad del gas, porque a igual gradiente de presión, el número de moléculas gaseosas en movimiento será más elevado cuanto mayor sea la solubilidad del gas.

También aumenta con la superficie de difusión considerada. En cambio disminuirá con la distancia que han de recorrer las moléculas al difundir y con la raíz cuadrada de su masa molecular, porque a igualdad de temperatura, la velocidad de las partículas gaseosas disminuye en cuanto aumenta la masa molecular.

Si expresamos esto en una formula, será:S x s x DP

v = ---------------------- d M

v = velocidad de difusión,S = superficie,s = solubilidad,

ΔP = diferencia de presión entre los extremos,d =distancia entre los extremos,

M = la masa molecular del gas.

Aplicando esta formula a los distintos gases, cuya difusión tienen interés fisiológico sometiéndolos a condiciones idénticas y considerando el coeficiente de difusión del oxígeno igual a 1, resultan los siguientes valores:

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a) dióxido de carbono = 20.3,b) nitrógeno = 0.53,c) helio = 0.95,d) oxígeno = 1.00,

La difusión de los gases por los tejidos puede considerarse como difusión en agua, porque el agua es el disolvente de los líquidos; extracelular (intersticial y circulante) e intracelular, y es despreciable la resistencia que ofrecen las membranas celulares.

Por ejemplo en la difusión alvéolo capilar que es el paso de los gases respiratorios por una serie de membranas y líquidos que separan la cavidad alveolar del protoplasma del glóbulo rojo.

La resistencia del conjunto de estructuras que forman esta barrera:

a) membrana alveolar,b) capa intersticial,c) membrana capilar,d) plasma sanguíneo ye) membrana del glóbulo rojo.

De un espesor de que varía entre 0.5 a 4 micras, es prácticamente despreciable en condiciones normales.

La superficie de difusión pulmonar tiene un área muy extensa de unos 50 a 70 m2, es muy favorable para la difusión.

La capacidad de difusión de la membrana respiratoria se define como el volumen de gas que difundirá a través 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 presión normal de O2 alveolo capilar, 11 mm. Hg., aproximadamente, resulta un total de difusión 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 oxígeno aumenta, por ejemplo en el ejercicio muscular, la capacidad de difusión de oxígeno también aumenta, como efecto compensador a la adaptación en la circulación pulmonar.

En la función pulmonar, se observa con facilidad el estudio del estado gaseoso, y como un factor importante es el gradiente de la presión alveolocapilar, condicionado, en primer término, por la composición del aire alveolar, dependiente a su vez de la composición del aire atmosférico.

El aire alveolar difiere del atmosférico en que está saturado de agua, empobrecido de O2, ya que existe una constante difusión del mismo hacia la sangre, y así mismo esta enriquecido de CO2, por la difusión de este de la sangre hacia el alveolo.

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Observando el cuadro anterior, vemos que el aire atmosférico, en cuanto penetra a las vías respiratorias, se carga de vapor de agua - el aire traqueal es aire atmosférico humedecido - por la evaporación continua en toda la superficie de las vías respiratorias y el parénquima.

Por lo anteriormente señalado, vemos que en el interior del aparato respiratorio hay siempre un grado de humedad muy uniforme.

Revisando la tabla señalada, se comprenderá que la diferencia de concentraciones de gases entre el aire atmosférico y el aire inspirado, está condicionada por la concentración de vapor de agua.

El aire espirado es una mezcla de aire alveolar con aire del espacio muerto, entendiendo este al volumen de las vías 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 habiéndose utilizado para los intercambios gaseosos.

La composición del aire espirado no es uniforme sino que, a medida que avanza la espiración, va disminuyendo el O2 y aumentando el CO2. Al principio es casi igual que el aire del espacio muerto, y al final de la espiración es igual al aire alveolar puro.

El aire de la cavidad alveolar está continuamente renovándose por la mezcla con el aire atmosférico que está aportando O2, paralelamente a la difusión 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 composición del aire alveolar se mantiene muy aproximadamente constante, porque los movimientos respiratorios de la caja torácica se adaptan a las necesidades de la respiración, sobre todo a las necesidades tisulares, bajo la influencia de los controles de la propia respiración.

La concentración de oxígeno en los alvéolos, o lo que es lo mismo, presión parcial de 02

en la cavidad alveolar (PO2), es factor decisivo para mantener el gradiente necesario para una difusión adecuada y la fijación en la sangre (adsorción en los grupos heme de la hemoglobina).

Cuando la ventilación es anormal y se administra oxígeno con fines terapéuticos, se

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.mantiene la oxigenación de la sangre arterial a expensas de un gradiente alvéolo capilar muy superior a lo normal.

Respirando oxígeno puro a la presión de 1 atmósfera, 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 oxígeno que transporta la sangre va fijado a la hemoglobina por la adsorción, de modo que transporta mayor volumen del mismo a mayor presión parcial de este gas.

La fijación o separación del oxígeno de la hemoglobina se modifica, también en condiciones fisiológicas por diversos factores, que la aceleran o la retardan, y por eso a un determinado valor de PO2, la disociación real puede ser mayor o menor que en las condiciones ya mencionadas.

La importancia fisiológica de estos cambios estriba en que el grado de disociación, a igual presión de O2, depende de que la actividad celular sea de mayor o menor intensidad, de tal modo que si la actividad metabólica aumenta, es mayor el grado de disociación del oxígeno, para un mismo valor de presión parcial de oxígeno. El nivel de actividad metabólica de la célula, se traduce en cambios de temperatura, presión de CO2, pH, etcétera.

Toda una serie de fenómenos se suceden en la respiración y se pueden agrupar:

1) Ventilación: Mecanismo por el cual el oxígeno llega de la atmósfera al alvéolo, y se elimina el bióxido de carbono del alvéolo a la atmósfera.

2) Difusión: Paso del oxígeno a través de los espacios intersticiales;a) Alvéolos.b) Lecho capilar-celular.

3) Perfusión y transporte de oxígeno: Fenómenos que ocurren para trasladar el oxígeno de los pulmones a las células del organismo.

4) Respiración celular: Utilización celular del oxígeno con liberación de energía y dioxido de carbono a través de la cadena oxirreductora.

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PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS:

Las características de los líquidos se explican por la teoría cinética, son en buena parte fundamentales para el estudio de mecanismos fisiológicos, aunque algunos aspectos como son; compresibilidad, dilatación, etc. son de interés secundario en las condiciones físicas del organismo, y no será necesario detallarlos.

En el estudio de la materia, los líquidos son de estructura intermedia entre los sólidos y los gases, se caracterizan por presentar, como los gases, isotropía y fluidez. Sin embargo, sus moléculas están empaquetadas y organizadas como en los sólido; esta organización se modifica y se reconstruye constantemente, (comprobado por estudios de rayos X).

Por ejemplo en el agua, cada átomo de oxígeno es el centro de un tetraedro cuyos vértices son cuatro hidrógenos, dos de los, cuales pertenecen a otras moléculas de agua.

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Las fuerzas que unen las moléculas son de puente de hidrógeno; así observamos en la figura la ordenación de las moléculas de agua en su fase de líquida, análoga a la ordenación del hielo, ordenación que se va haciendo más lábil a medida que se eleva la temperatura, dando como efecto aumento de la energía cinética.

a) VAPORIZACIÓN: El paso de líquido a gas se realiza con absorción de calor, su utilidad fisiológica es fácil de comprender.

La absorción de calor en la vaporización del agua significa pérdida de calor por el organismo, y es factor importante en la regulación de la temperatura corporal.

b) PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO: A una temperatura determinada, es la presión gaseosa que ejercen las moléculas vaporizadas en el vacío y en equilibrio con el líquido. Revisaremos el experimento de Torricelli, con la finalidad de comprender el significado de la presión 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 relación al nivel de la vasija, quedando sobre el Hg. un espacio prácticamente vacío. Sí, con un dispositivo especial y adecuado, vamos introduciendo gotas del líquido problema en el interior de la columna, ascienden hasta la superficie del Hg. y se vaporizan, hasta que una gota permanece líquida en la superficie del Hg. En este momento la cámara superior ha quedado saturada de vapor.

La presión que ejerce el vapor saturante, que viene medida por el descenso de la columna, se le llama presión de vapor del líquido a la temperatura del experimento.

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La presión de vapor de los líquidos crece al aumentar la temperatura, puesto que el fenómeno absorbe calor, y puede considerarse independiente de la presencia de otros gases o vapores. Es decir, si la presión de vapor de agua a 37ºC es de 47 mm. Hg. en el vacío, en el aire alcanzará el mismo valor, y la diferencia es despreciable.

La constancia de la presión de vapor de agua a 37ºC y la disminución de la presión atmosférica total con la altitud permiten calcular la presión parcial de oxígeno a distintos niveles sobre la tierra, como se aprecia en la tabla siguiente:

Aproximadamente a 5,000 metros la presión atmosférica es la mitad de la normal y (deducida la presión de vapor del agua) resulta un valor de PO2 excesivamente bajo en el alvéolo, que no basta para saturar la hemoglobina.

A altitudes todavía mayores, la presión parcial de oxígeno se hace tan baja que exige el suministro de oxígeno complementario por medio de aparatos adecuados, sin los cuales la supervivencia es imposible.

En la siguiente tabla se representa la variación de presión de vapor de agua en función de la temperatura, incluyendo la presión de vapor de hielo, datos todos ellos muy interesantes para el estudio de las propiedades coligativas.

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La vaporización puede tener lugar de dos formas:

a) Evaporación yb) Ebullición.

Evaporación; es la vaporización del líquido a nivel de la superficie libre, porque su presión de vapor es inferior a la presión externa.

El fenómeno tiene lugar hasta que la masa de gas en contacto con la superficie del líquido está saturada de vapor.

Ebullición; es la vaporización de un líquido en toda su masa, formando burbujas de vapor, debido a que su presión de vapor iguala o supera la presión externa.

Cuando la ebullición tiene lugar en la atmósfera, en condiciones normales, la temperatura del líquido se mantiene constante mientras dura el fenómeno.

Para el agua la temperatura de ebullición a 760 mm. de Hg. es de 100ºC.

Todo descenso de la presión exterior, por enrarecimiento de la atmósfera en que se vaporiza el líquido, determina un descenso de la temperatura de ebullición; y por el contrario, todo aumento de la presión exterior eleva la temperatura de ebullición.

Solidificación; Es el paso de líquido a sólido.

Al descender la temperatura, las fuerzas de dispersión de las moléculas desligadas originadas por la energía cinética se hacen menores que las fuerzas de cohesión, por lo que las moléculas quedan fijas en los nudos de la red cristalina del sólido.

Para el agua la temperatura de solidificación en la atmósfera es de 0ºC. Cuando la presión aumenta, la temperatura de congelación 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 variación de velocidad por unidad de longitud, llamada gradiente de la velocidad dv/dx.

En la fórmula;

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 líquido en el que,

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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 líquidos, medidas a 20ºC en milipoises.

Son especialmente viscosos la glicerina, el aceite, ácido sulfúrico, y pocos viscosos el éter y la acetona.

La viscosidad de los líquidos suele decrecer rápidamente al aumentar la temperatura, y la fluidez (expresión 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 circulación sanguínea y la estudiaremos en el momento de su aplicación fisiológica.

Tensión superficial; Esta propiedad es la que fundamentalmente diferencia el estado líquido del gaseoso, es efecto de la misma fuerza con que se atraen mutuamente las moléculas, esta fuerza se denomina cohesión, y tiende a impedir el paso de líquido a gas, siendo determinante de la existencia de superficie límite que distingue el líquido del gas.

La cohesión, por lo tanto, es una fuerza que, como resultado de la atracción mutua entre las moléculas, tiende a la mínima superficie límite.

Esta tensión superficial, que tiende a reducir la superficie, se expresa como energía de superficie.

La energía de superficie se define como el trabajo necesario para aumentar en un cm2 la superficie libre del líquido. Coincide en valor numérico con la tensión superficial, y se puede expresar en ergios/cm2, o en dinas/cm.

La explicación cinética de la tensión superficial es fácil observando el esquema clásico:

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La molécula situada en el interior de la masa líquida está rodeada uniformemente por moléculas de la, misma naturaleza y en consecuencia, experimenta el efecto de la fuerza de cohesión de un modo uniforme en toda su superficie, es decir, está atraída por igual en todas

direcciones y la resultante es nula. En cambio, la molécula situada en la superficie libre del líquido se encuentra en tales condiciones que la mitad de la superficie experimenta la atracción hacia el interior del líquido, mientras que la otra mitad está rodeada de moléculas en fase gaseosa, que no ejercen fuerza atractiva apreciable, por lo que predomina por completo la cohesión, y la molécula es atraída fuertemente hacia el interior de la masa líquida.

Así, la capa de moléculas superficiales, sobre la que no actúan más fuerzas que las atractivas hacia el interior del líquido, se ha podido comparar con una membrana elástica, aunque, naturalmente, esta tendencia a la reducción de la superficie a un mínimo, difiere del todo de la elasticidad en estricto sentido mecánico.

El valor de la tensión superficial depende en parte de la sustancia en contacto con la superficie libre. No es lo mismo si es aire, un sólido, o cualquier otro líquido, porque la resultante de dos fuerzas antagonistas (cohesión y atracción entre partículas del líquido partículas de la sustancia en contacto con la superficie) dará valores diferentes en cada caso.

En la siguiente tabla se observan los valores de tensión superficial de algunos líquidos, medidos a 20ºC, en la superficie entre líquidos y aire.

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La tensión superficial de un líquido se modifica, además, por otros factores.

Algunas sustancias disueltas disminuyen la tensión superficial del disolvente, fenómeno que se llama actividad capilar, por ejemplo, los jabones, en mínimas cantidades originan un considerable descenso de la tensión y las sales biliares realizan su función fisiológica produciendo un descenso de la tensión superficial que facilita la emulsión y por consiguiente, la digestión de las grasas en el intestino.

Las sales inorgánicas, por el contrario, suelen aumentar la tensión superficial del disolvente y entre ellas las sustancias que presentan una polaridad más fuerte son las que más marcadamente elevan la tensión.

Se comprende que los compuestos polares suelen aumentar la tensión superficial del agua, porque a consecuencia de su polaridad, pueden atraer otras moléculas polares, como el

agua, con lo que resulta reforzado el fenómeno de la cohesión. En cambio, las moléculas con grupos no polares, como no presentan atracción con las polares, se acumulan en la superficie aumentando la distancia entre las moléculas acuosas, y disminuyendo el efecto de cohesión.

La tensión superficial es una fuerza que participa en diversos fenómenos biofísicos, normales o patológicos, por ejemplo, en las alteraciones de la retracción elástica del pulmón.

Actualmente se sabe que en la superficie interna de la cavidad alveolar se encuentra una fina película de líquido (surfactante pulmonar) que disminuye la tensión superficial en la interfase con el aire. Cuando falta esta sustancia, la tensión superficial aumenta, lo cual puede dar origen a diversos trastornos respiratorios, como es la llamada enfermedad de la Membrana Hialina del recién nacido.

Miscibilidad de líquidos: Dos líquidos son totalmente miscibles, cuando las moléculas de uno pueden dispersarse homogéneamente en el seno del otro en cualquier proporción.

Si la capacidad de dispersión no puede sobrepasar determinadas proporciones, se dice que los líquidos son parcialmente miscibles.

La miscibilidad de los líquidos está íntimamente relacionada con su estructura química.

Las moléculas pueden interponerse con mayor facilidad cuando originan campos eléctricos análogos, es decir, cuando tienen parecida polaridad, y por eso los líquidos fuertemente polares son totalmente miscibles entre sí, por ejemplo agua, alcohol, glicerina, acetona, ácido acético, etc., como, por otra parte, también son miscibles entre sí los apolares, por ejemplo éter, hexano, benceno, cloroformo, tricloetileno, etc.

Dos líquidos no miscibles, o parcialmente miscibles, forman dos fases líquidas superpuestas con una superficie de interfase, en la que ocurren una serie de fenómenos que abordaremos en su momento más adelante.

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Los líquidos orgánicos se disuelven en agua cuando en sus moléculas predominan los grupos polares sobre los apolares, y se disuelven en los llamados disolventes de las grasas

(éter, cloroformo, tetracloruro de carbono, benceno, éter de petróleo, etc.) cuando predominan los grupos apolares. Les anexo un cuadro del apéndice del texto, con las características de miscibilidad de los líquidos de mayor importancia en biología.

EL AGUA Y SU SIGNIFICADO EN BIOLOGÍA:

El agua es un óxido de hidrógeno con indicios (0.02 %) de óxido de deuterio o agua pesada.

El hidrógeno de deuterio o agua pesada se pueden separar de las moléculas formando iones.

H2O --------> OH- + H+

D2O --------->DO- + D-

En el agua natural se encuentran moléculas de tres tipos ( HOH, HOD, DOD.) entre las

cuales hay un fácil intercambio, pero predominan tanto las moléculas HOH, que casi pueden

considerarse como exclusivas.

El agua es un líquido asociado típico, lo cual significa que sus moléculas se unen unas a

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.otras mediante un enlace por puente de hidrógeno, que afecta profundamente sus propiedades.

En la tabla siguiente observaremos algunas de las constantes físicas del agua,

comparativamente con otros líquidos análogos.

El oxígeno del éter dimetílico (metoximetano) no puede establecer enlace por puente de

hidrógeno, pero sí el oxígeno del metanol, que tiene una valencia unida al H, y en mayor

proporción el agua, porque las dos valencias del oxígeno, están unidas al H.

De estos tres líquidos, el agua tiene el punto de ebullición más alto (aunque su masa

molecular es la más baja de los tres) precisamente por la existencia de numerosos puentes de

H.

Análogamente la temperatura crítica (temperatura por encima de la cual el gas no se

puede licuar) también parece que tendría que ser más baja para el agua, pero ocurre lo

contrario, por la existencia de los mismos puentes de hidrógeno.

SIGNIFICACIÓN FUNCIONAL DE LAS PROPIEDADES DEL AGUA:

Las propiedades del agua son la base fisicoquímica de una serie de funciones esenciales

para la integridad del organismo.

El agua es el disolvente general del organismo que condiciona los fenómenos

osmóticos, mantiene el edo. coloidal del protoplasma y transporta los compuestos nutritivos y

los productos de desecho de la actividad celular.

La inmensa mayoría de las reacciones químicas del metabolismo se realizan en

disoluciones acuosas, participando el agua directa o indirectamente.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.El contenido de agua es variable de unos a otros organismos, algunos de los cuales

tienen hasta un 95%. En general, los tejidos más jóvenes tienen más agua.

En el embrión de mamífero la proporción de agua es superior a la que se puede

determinar en cualquier fase más avanzada del desarrollo, y es mínima la proporción de agua

en las fases de envejecimiento.

Varía también el contenido acuoso de los diferentes tejidos, y es máximo, como es

lógico, en los medios líquidos del organismo.

Así observamos, en la siguiente tabla algunos datos comparativos:

Por su notable conductividad térmica, que es mayor que la de ningún otro líquido

orgánico, el agua influye en la termorregulación, porque por esta propiedad puede fácilmente

conducir el calor y por lo tanto igualar con rapidez la temperatura de todos los sectores del

medio interno y naturalmente de las propias células.

Por su elevado calor específico, contribuye notablemente a estabilizar la temperatura

del organismo.

Debemos recordar que el calor específico de un cuerpo es el número de calorías que es

necesario suministrar a un gramo de este cuerpo para elevar su temperatura de 15º a 16ºC.

El calor específico del agua, igual a 1, resulta más elevado que el de cualquier otro

líquido, lo que significa que para elevar la temperatura de una solución acuosa hace falta un

mayor aporte de calor que para la misma elevación de temperatura de una disolución de

cualquier otro solvente.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Y así debido a este poder de almacenamiento de calor, consecuencia del alto calor

específico del agua, el organismo dispone de un mayor mecanismo amortiguador que evita o

disminuye la elevación de la temperatura corporal.

Se ha calculado que las 3,000 calorías que por término medio se liberan en 24 horas, en

el hombre, en condiciones normales, serían capaces de elevar la temperatura del organismo

hasta 100º C. o 150ºC., si el disolvente fuese cualquier otra sustancia distinta del agua.

Su alto calor latente de vaporización, que se presenta por la energía absorbida al

evaporarse, permite mantener la temperatura del organismo más baja que la del ambiente. Y se

conoce a este calor latente de vaporización, a la cantidad de calor que se ha de proporcionar a

un gramo de líquido para transformarlo en vapor, a su temperatura de ebullición.

El calor latente de vaporización del agua es de 536 calorías y es mayor del que se

necesitaría 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, así como también en forma líquida por los riñones y por

las heces fecales, ahora bien la vaporización del agua, al ser evaporado el sudor, absorberá

mucho más calor que si se evaporase cualquier otro líquido. Tenemos así otro mecanismo

amortiguador que frena la elevación de la temperatura corporal absorbiendo calor.

La tensión superficial del agua es la más alta, después del mercurio, por lo que casi

todas las sustancias disueltas en agua son capilarmente activas.

La constante dieléctrica de un líquido 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 sólo inferior a la de la sangre y la orina, lo que favorece la disociación de los

electrólitos disueltos en ella.

Así como una fuerte capacidad para mantener un grado de disociación elevado de los

cuerpos que disuelve.

La lecitina y la colesterina, por el contrario, poseen una constante dieléctrica

notablemente menor que el agua, y son precisamente los componentes principales y

fundamentales de la membrana celular. Siendo esta una de las características que revisten

importancia fisiológica.

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Las propiedades que se derivan de ser el agua un electrolito débil, dando como

consecuencia efectos sobre el equilibrio ácido/base, fenómenos de hidrólisis a nivel de

membrana, conductividad eléctrica, etc., serán objeto de estudio y aplicaciones prácticas de la

fisiología, como veremos más adelante.

ESTADO MESOMORFO O LÍQUIDO CRISTALINO:

Entre los sólidos típicos (cristalinos) y los líquidos típicos (fluidos) se encuentran dos estados intermedios que son:

a) Mesomorfo yb) Amorfo.

Los mesomorfos son esencialmente líquidos (fluidos, con tensión superficial, etc.) pero en lugar de ser isótropos, presentan anisotropía, como sucede en los sólidos, debido a la ordenación de sus moléculas en el seno del líquido.

Entendiendo por isotropía a la distribución de propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas, etc., por igual en cualquier dirección del espacio y anisotropía al fenómeno contrario, los líquidos son isótropos y los sólidos anisótropos, debido a la ordenación cristalina peculiar.

Las sustancias con ordenación parcial como son las lecitinas, embebidas de agua o las moléculas filiformes de proteínas, constituyen ejemplos de comportamiento mesomorfo, estos por calentamiento sufren un cambio brusco de propiedades y fundamentalmente pasan de turbios a transparentes, y de anisótropos a isótropos,. Y la temperatura a que ocurren estos cambios se llama punto de fusión del cuerpo mesomorfo.

ESTADO VITREO O AMORFO:

El vítreo o amorfo es un estado aparentemente sólido pero con algunas propiedades de los líquidos.

Comúnmente se consideran como sólidos los vidrios, ya que presentan forma propia, superficie límite, volumen poco variable con la temperatura y además consistencia análoga a los sólidos.

Sin embargo, tienen isotropía como los líquidos, ya que sus propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas no dependen de la dirección considerada. No tienen punto de fusión determinado, sino que al elevarse la temperatura, sufren un reblandecimiento o fluidificación progresiva, disminuyendo la viscosidad hasta llegar a líquidos verdaderos.

Por lo anteriormente mencionado, los vidrios se consideran como líquidos subenfriados y extraordinariamente viscosos.

Ejemplos de vidrios son los silicatos alcalinos y la sílice, solidificados rápidamente

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.después de fundir, son transparentes y duros, su estructura íntima es análoga a la de los sólidos, `pero sin guardar los átomos una simetría tan rigurosa.

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

ESTADO SÓLIDO:

El estado sólido de la materia, se caracteriza por la constancia de forma y volumen dentro de ciertos límites.

La forma puede cambiar a plasticidad o recuperarse por elasticidad, después de una deformación.

El volumen crece reversiblemente con la temperatura, aunque mucho menos que en los líquidos.

En sentido riguroso se consideran sólidos a los cuerpos cristalinos, que son aquellos cuyos átomos y moléculas o iones, ocupan posiciones fijas formando una red tridimensional.

Cuando los nudos de la red están formados por átomos, se originan cristales atómicos, por ejemplo el diamante, que suele ser de mucha dureza por la dificultad en romper los enlaces covalentes, tienen punto de fusión muy elevado.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Si los nudos de la red están ocupados por iones positivos y negativos, el cristal es iónico

de tipo salino, por ejemplo el CLNa, las fuerzas que mantienen fijos los iones en el cristal son de naturaleza electrostáticas, sí se desplaza la red, se rompe fácilmente al enfrentar los átomos de la misma carga. Los cristales iónicos tienen el punto de fusión más bajos que los cristales atómicos, porque los enlaces iónicos no son dirigidos y dan una cierta autonomía a los iones que continúan existiendo cuando el sólido licua.

Si los nudos de la red cristalina están ocupados por iones del mismo signo, el cristal es iónico de tipo metálico.

La unión entre los iones del mismo signo la realizan los electrones libres dentro de la malla iónica cristalina.

El punto de fusión no es demasiado elevado y estos cristales no son frágiles, sino plásticos, es decir, mantienen la deformación a que se les somete, por ejemplo; el plomo, cobre, etc.

Si los nudos del cristal están ocupados por moléculas, el cristal se llama molecular.

Dentro de la molécula, los átomos se unen covalentemente y las moléculas se atraen unas a otras por fuerzas de Van der Waals, de polaridad, etc., por ejemplo; CO2 sólido, hielo, Yodo. Como las fuerzas intermoleculares por lo general, son muy débiles, estos cristales se desmoronan fácilmente por el calor.

Entre los sólidos de mayor importancia fisiológica encontramos los cristales hexagonales de hidroxiapatito, que constituyen la parte sólida de los huesos:

(PO4)3 Ca5 (OH, Cl, F)

Cristales de oxalato y de ácido úrico, por ejemplo, se forman patológicamente en el riñón.

En el protoplasma encontramos estructuras más o menos organizadas (películas de lípidos parcialmente ordenadas, fibras proteicas, etc.), pero este orden no es suficiente para

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.que puedan considerárseles como sólidos en el sentido estricto desde el punto de vista físico.

Sin embargo, muchas sustancias bioquímicas, incluyendo macromoléculas (enzimas y partículas tan complejas como los virus) pueden adoptar formas geométricas definidas que permiten considerarlas en determinadas circunstancias, como verdaderos sólidos.

Cambios de estado;

Ya estudiamos que la presentación de la materia de un estado físico a otro depende de las condiciones energéticas de las moléculas, siendo la energía cinética, máxima en el gas y mínima en el sólido. Y cuando se modifican las condiciones se podrá pasar de un estado de agregación a otro.

En el esquema se observan los cambios; hacia la derecha:

Fusión, licuación y vaporización, que requieren un gran aporte de energía que se invierte en liberar a las partículas de las fuerzas de cohesión.

Y hacia la izquierda:

Licuación, solidificación y condensación; desprendiendo energía, igual a la absorbida en el paso anterior.

Solubilidad de un sólido en un líquido:

Cuando se pone en contacto un sólido con un líquido, la energía cinética de las partículas de éste, al chocar con la red cristalina del sólido, permite arrancar fragmentos del sólido, que se dispersan en el seno del líquido. Entonces se dice que el sólido se disuelve en el líquido. Esto suele ocurrir a temperatura más baja que la propia de fusión del sólido.

La disolución está saturada cuando se establece un equilibrio dinámico entre las nuevas partículas que se arrancan de la red cristalina y las que se depositan en ella:

a) Estado de Insaturación,b) Estado de saturación yc) Estado de sobresaturación.

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BIOENERGÉTICA

Energética del ser vivo:

Metabolismo: Es el incesante recambio de materia y energía en el ser vivo, y esta es una de sus características que los definen como tales.

Este metabolismo está integrado por dos corrientes de reacciones;

a) Anabolismo y b) Catabolismo.

Anabolismo: Es la tendencia de síntesis que conduce a la formación de coloides destinados a la estructura del protoplasma celular y de compuestos químicamente más o menos complejos, de significación funcional específica, así como los cambios energéticos necesarios para esta función de asimilación.

Catabolismo: es la función en sentido contrario, y consiste en una serie de fenómenos de desintegración de compuestos en otros más sencillos, hasta los productos terminales, como son anhídrido carbónico, urea, agua etc., así mismo el empleo de energía necesaria para esta función.

Esta capacidad y característica de los seres vivos, de utilizar energía química en la realización del trabajo celular.

La energía utilizada procede de los alimentos, que al final de cuentas, son reservorios de la misma energía acumulada en alguna forma de la proveniente del sol.

A partir de los nutrientes, o sustancias nutritivas, en las transformaciones metabólicas graduales, se sintetizan enlaces ricos en energía, fundamentalmente el nucleótido adenosintrifosfato (ATP), de cuya degradación ulterior procede la energía 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 están unidos por enlaces de alta

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.energía (), que convencionalmente se representan por el signo especial anterior. (observar figura):

La cantidad de energía que corresponde a los enlaces, último y penúltimo:

a) ultimo enlace = 7,000 cal. por mol,b) penúltimo enlace = 8,300 cal. por mol.

Y esta será la energía que se libera cuando en una reacción química se rompe uno de estos enlaces, esta energía puede ser captada por otra reacción química que discurra paralelamente.

La separación se representa:

ATP <-------> ADP + Pi + 7,000 calorías

Esta es la energía química del ATP que se utiliza en el trabajo celular convirtiéndose en energía mecánica, eléctrica, química etc., y que en último término, acaba convirtiéndose en térmica, lo que se conoce como calor secundario.

Una parte de la energía acumulada en los compuestos nutritivos, se transforma directamente en calor (calor primario) en el curso de su degradación metabólica. Entendiendo que en el balance de las transformaciones energéticas globales en el organismo, es correcto referirlas cuantitativamente al calor desprendido.

La intensidad de los cambios metabólicos guardan un estrecho paralelismo con los fenómenos oxidativos, y por lo tanto con el consumo de oxígeno, por eso se valora el balance energético a partir del oxígeno consumido en forma práctica.

En los seres vivos, aunque con especiales complejidades, se cumplen las leyes de la termodinámica, ya que en las reacciones metabólicas vemos que todo fenómeno bioquímico, tanto en las transformaciones químicas, como en las energéticas son bajo control de las leyes que mencionaremos.

Energética; es la parte de la Física que estudia las diversas formas de energía.

La energía es la capacidad de producir un trabajo, se conocen diferentes formas; mecánica (cinética y potencial), eléctrica, química, calórica, atómica, luminosa, etc. Todas son transformables unas en otras, aunque con ciertas limitaciones: cualquier tipo de energía se puede transformar en calor íntegramente, pero nunca la energía calórica se transforma

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.íntegramente en otro tipo de energía.

La energía mecánica empleada en la agitación de una masa de agua, se convierte en calor que eleva la temperatura del líquido; la energía eléctrica consumida por una lámpara, se trasforma en luminosa, y esta totalmente en calórica.

TERMOQUíMICA

Es Ia parte de Ia termodinámica que estudia los cambios energéticos que acompañan a las reacciones químicas.

Una reacción se llama exoergónica, cuando al producirse libera energía y endoergónica cuando absorbe energía.

En particular, si Ia energía es calórica las reacciones se Ilaman exotérmicas cuando desprenden calor, y endotérmicas cuando lo absorben.

La energía que se absorbe o se desprende de las reacciones químicas, además de ser calórica, puede ser eléctrica, lumínica, mecánica, etc.

Revisaremos Ia energía térmica por ser de comprensión más simple, antes de utilizar las variaciones de energía libre, que son las que bioquímicamente poseen mayor interés.

Dos reacciones opuestas tienen sus manifestaciones energéticas también opuestas; es decir, si la sustancia A se convierte en B liberando Q calorías por mol, para que Ia sustancia B se convierta en A, deberá absorber Q calorías/mol.

---->B +Q calorías

En conjunto, podemos manejar el calor Q, en las reaccionesquímicas como si se tratara de una sustancia más que intervieneen ellas.

Calor de formación de una sustancia: Es Ia cantidad de energía térmica que hay que comunicar a sus elementos constitutivos para sintetizarla. Si Ia síntesis es endotérmica, (IaReacción absorbe el calor), se dice que el calor de formación es positivo.

Ley de Hess: El efecto calórico de un sistema reacciónante depende solo de los estados inicial y final y es independiente de los intermedios. Esta ley permite calcular Ia totalidad térmica (calor desprendido o absorbido) que no puede ser hallada directamente.

Para que esta ley sea rigurosamente cierta es necesario que los procesos tengan lugar a volumen o a presión constantes, en cuyo caso el calor desprendido corresponderá, respectivamente a Ia disminución de energía interna o de entalpía, ambas funciones de estado

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.y por lo tanto independientes del camino seguido.

Fuerza impulsora de las reacciones químicas: Una reacción tiende a producirse espontáneamente cuando origina un trabajo útil positivo. Las sustancias reaccionan cuando de ello se deriva una disminución de Ia energía libre. En Ia inmensa mayoría de las reacciones espontáneas son exotérmicas, y que el grado de espontaneidad está vinculado al carácter más o menos exotérmico de Ia reacción. Sin embargo, no es rigurosamente exacto, puesto que existen excepciones.

Hay reacciones endotérmicas que se producen espontáneamente y las reacciones que conducen a un equilibrio se producen en ambos sentidos, es decir si una es exotérmica, Ia otra es endotérmica, alcanzándose, sin embargo, el mismo resultado final. Las reacciones exotérmicas se Ilevan a cabo mucho más fácilmente que las endotérmicas. La verdadera fuerza impulsora de las reacciones químicas, es Ia disminución de Ia energía libre.

Para que una reacción se produzca es necesario que disminuya Ia energía libre. Y esta se encuentra en algunos compuestos biológicos a partir de los elementos simples constitutivos.

Energía libre de formación a 25° C y a presión atmosférica

La función de energía libre resulta de gran utilidad para estudiar los equilibrios químicos que se producen entre sustancias capaces de realizar reacciones reversibles.

Mecanismos de las reacciones: Para explicar Ia mecánica de las reacciones químicas representaremos una molécula AB que choca con otra C.

Si Ia dirección de choque entre AB y C es Ia adecuada y Ia energía de las moléculas es suficiente para romperlas y reorganizarlas, se pueden formar las nuevas sustancias AC y B.

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No obstante, un gran número de choques no producirán transformación química por ser su intensidad débil su dirección inadecuada para romper Ia molécula AB.

Recordemos que entre los átomos que constituyen una molécula existen fuerzas atractivas debidas a los electrones compartidos por covalencias, y si el impulso que recibe un

átomo es adecuado para superar estas fuerzas atractivas, este átomo abandona Ia molécula que puede convertirse en un radical y este puede presentar afinidad suficiente para desgajar uno o más átomos de otra molécula, que a su vez se reorganiza.

Esta sucesiva rotura y reorganización de moléculas es lo que constituye Ia reacción química.

Velocidad de reacción: Llamamos velocidad de reacción a Ia cantidad de sustancia transformada por unidad de tiempo.

Cuando Ia velocidad de reacción es independiente de las concentraciones de sustancias reaccionantes, se dice que Ia reacción es de orden cero.

Energía de activación: La velocidad de reacción depende del número de choques eficaces (aquellos que producen reacción), entre las moléculas, que no son todos, porque Ia mayoría de las moléculas que chocan, o no tienen energía suficiente para romperse y reorganizarse, o Ia dirección de los choques no es Ia adecuada.

Según Ia eficacia de los choques, podemos diferenciar las reacciones instantáneas de las reacciones lentas.

En las instantáneas son eficaces Ia mayoría de los choques, porque las moléculas reaccionantes necesitan muy poca energía para reorganizarse.

En las reacciones lentas suele ser pequeñísima Ia fracción de choques eficaces.

Por Io tanto llamamos energía de activación al suplemento de energía que hay que comunicar a las moléculas de un cuerpo reacciónante para desencadenar Ia reacción.

Supongamos Ia transformación:

A ---------> B + calor

En este caso el desprendimiento de energía (calor) no se produce si no se comunica previamente a las moléculas en el estado A, suficiente energía (energía de activación) para pasar a D, siguiendo después espontáneamente de D a B. Una vez en marcha Ia reacción, Ia propia energía desprendida en el paso D a B puede servir para activar nuevas moléculas.

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Por ejemplo, el carbón se quema espontáneamente en el aire dando calor.

C + 02 = CO2 + calor

Para que esto ocurra, es necesario desencadenar Ia reacción, aplicando energía de activación en un punto de Ia masa, y por eso calentando inicialmente en un punto hasta Ia

incandescencia, Ia combustión sigue después, espontáneamente por el calor que se va desprendiendo en Ia misma reacción.

Catalizadores: Son activadores de las reacciones químicas. En general son sustancias que, sin formar parte de los productos finales, aceleran Ia

reacción de algún modo. Aumentan Ia eficacia de los choques entre las sustancias reaccionantes, debido a que labilizan los enlaces intramoleculares, o bien forman un complejo activado que requiere poca energía.

Los catalizadores actúan, disminuyendo Ia energía de activación y no afectan ni a Ia posición de los equilibrios ni a Ia tonalidad térmica de las reacciones químicas.

En Ia figura se observa que al utilizar un catalizador basta con menos energía de activación para aumentar el número de choques eficaces y acelerar Ia reacción:

La función del catalizador es de tipo exponencial, es decir activa las reacciones en varias veces su rapidez.

En el organismo humano, Ia función de los catalizadores es tan importante que hasta las reacciones al parecer más fáciles de producirse espontáneamente (por ejemplo Ia combinación de CO2 más H20, para formar ácido carbónico) sólo tiene lugar por completo, o ensu mayor parte, bajo Ia acción del biocatalizador correspondiente.

Los catalizadores biológicos (enzimas) determinan que las reacciones metabólicas se realicen con Ia velocidad adecuada, cuando espontáneamente podrían producirse sólo a velocidad lenta o incluso desencadenan reacciones que espontáneamente, en condiciones del organismo vivo, no se producirían nunca.

Influencia de Ia temperatura en Ia velocidad de reacción:

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El aporte de calor aumenta Ia velocidad de todas las reacciones; Ia velocidad se duplica, es decir se aumenta en un 100%, por cada 10°C. de aumento de Ia misma. Cuando Ia temperatura se eleva en progresión aritmética, no puede explicarse sólo por el aumento térmico del número de choques (que no pasa de 2 a 3% para cada 10°C. de elevación de temperatura, sino por el aumento del número de choques eficaces.

La proporción del número de choques eficaces crece como resultado de Ia facilidad para Ia disgregación y reorganización de las moléculas, debido a que su energía ha aumentado notablemente con Ia elevación de Ia temperatura.

Pocas reacciones químicas transcurren en un sólo sentido, Ia mayoría son susceptibles de realizarse en los dos sentidos, y se llaman reacciones reversibles.

Ley de acciones de masas (LAM): Sólo Ia enunciaremos y en su oportunidad en cuanto a Ia aplicación práctica Ia utilizaremos. El estudio cuantitativo de los equilibrios químicos, conduce a Ia llamada ley de acción de las masas, esta ley es válida para reacciones en las que intervengan múltiples sustancias y que tienen una formulación termodinámica rigurosa.

Recordaremos que las enzimas o catalizadores biológicos, se unen al sustrato, facilitando su transformación en otros productos:

VS------>P

Al igual que los catalizadores inorgánicos, las enzimas no se destruyen durante el proceso, porque su acción se limita a activar el sustrato y facilitar su transformación, con un menor consumo de energía y por lo tanto a mayor velocidad.

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PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES

Estas constituyen un caso especial de dispersiones, de extraordinario interés para el conocimiento de Ia Fisicoquímica de los seres vivos.

La inmensa mayoría de las sustancias biológicas, tanto intracelulares como extracelulares, se encuentran en forma de dispersiones.

Dispersiones: En un sentido amplio, definimos las dispersiones como Ia interposición mecánica de las partículas de una sustancia en el seno de otra. Esta definición genérica permite incluir en este concepto, desde las mezclas heterogéneas, por ejemplo, polvo suspendido en el aire, en las cuales las partículas de diversas sustancias presentan superficies de contacto o interfases, hasta las mezclas totalmente homogéneas, como el aire puro, sin interfases.

En las mezclas heterogéneas, recordemos que dicha mezcla participa de las propiedades de las sustancias componentes y que estas pueden estar en proporciones diversas.

Esto ocurre también en las dispersiones aparentemente homogéneas.

Se distingue en toda dispersión una fase continua, en general Ia más abundante, Ilamada dispersante, y otra u otras discontinuas, más escasas, llamadas dispersas.

Podemos citar diversos tipos de ejemplos de mezclas heterogéneas:

a) El granito de una roca formada por cristales de cuarzo y de mica, heterogéneamente dispersos en feldespato sólido,

b) El agua turbia de un torrente, arrastra en suspensión heterogénea arena, arcilla, etc.

c) El humo de una hoguera tiene dispersos, en un medio gaseoso, partículas de carbón, restos orgánicos y cenizas.

Por debajo de las mezclas heterogéneas, cuando las partículas dispersas no son visibles a simple vista, tenemos las dispersiones propiamente dichas, las cuales pueden clasificarse atendiendo diversos criterios.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Se llama dispersante a Ia sustancia que presenta fase continua, aunque se podría

haber seguido el criterio de llamar dispersante a Ia sustancia más abundante.

Si por ejemplo, mezclamos 15 gr. de yoduro de potasio (KI) sólido con 10 gr. agua liquida, la mezcla resultante, homogénea y liquida, decimos que es una disolución de yoduro de potasio en agua, y nunca al revés, aunque el componente más abundante es el yoduro de potasio sólido, consideramos por lo tanto, como fase dispersante al agua por ser líquida al igual que Ia dispersión, a pesar de ser más escasa que Ia sustancia sólida dispersa.

Clasificación de las dispersiones:

Dejaremos aparte las mezclas heterogéneas que son a simple vista, y estudiaremos las que tienen en común característica de ser visualmente homogéneas.

Tendremos cuatro tipos diferentes:

1) Según el número de componentes;

Para que exista dispersión, el número mínimo de componentes debe ser dos, en cuyo caso la dispersión se llama binaria, Si son tres se llamará ternaria y si son más, será múltiple o compleja.

Estudiaremos las binarias, porque son más simples, cuando aparezcan otras más complejas, procuraremos reducirlas para su estudio a dispersiones binarias de cada uno de los dispersos del mismo dispersante; Por ejemplo al estudiar el suero sanguíneo complejo, hablaremos de disoluciones acuosas de sales, de glucosa, urea, albúminas, globulinas, lípidos, etc.

2) Según el estado físico de los componentes;

Tanto el dispersante como el disperso, pueden presentarse en cualquiera de los tres estados físicos de la materia, es decir en estado sólido, líquido o gaseoso. Las posibilidades de combinar dos componentes (dispersante o disperso) en estos tres estados físicos, son nueve, en la tabla de la página anterior se representan esquemáticamente, haciendo mención de

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.algunos ejemplos.

3) Según La naturaleza de las partículas dispersas; Las cuales de la sustancia dispersa pueden ser de diversos tipos: Moléculas, átomos, iones o agregados.

Dispersiones moleculares o disoluciones moleculares típicas son:

La disolución de compuestos orgánicos (azúcares, urea, alcoholes) en agua, las disoluciones de oxígeno, nitrógeno y anhídrido carbónico en el plasma sanguíneo, etc.

Disoluciones atómicas típicas son: las aleaciones de dos o más metales, las disoluciones de los gases nobles en el agua, la dispersión de carbono negro en el diamante etc.

Forman disoluciones iónicas las sales disueltas en agua, y los ácidos y bases fuertes.

Muchas dispersiones constan de agregados de partículas menores, es decir, asociaciones de átomos, moléculas o iones, dispersas a su vez en la fase continua, por ejemplo, grupos de moléculas de lípidos forman las partículas de aceite que pueden dispersarse en agua; grupos de iones cloruro y sodio forman las partículas de sal dispersas en benceno; y por último, grupos de átomos de carbono negro pueden estar dispersos en el diamante cristalino.

El tamaño de las partículas dispersas condicionan muchas de las propiedades de las dispersiones y pueden tomarse como el dato clasificador más importante.

Según este criterio, se distinguen tres tipos de dispersiones:

I) Disoluciones verdaderas, el diámetro de la partícula dispersa es inferior a 10 Ǻ, es decir a una milimicra;

II) Disoluciones coloidales están formadas por partículas cuyo diámetro oscila entre 10 y 1 ,000 Ǻ, (de 1 a 1 00 milimicras) y

III) Dispersiones groseras que se componen de partículas cuyo diámetro supera a los 1,000 Ǻ, (100 milimicras).

Estos límites no son arbitrarios sino que marcan unas variaciones en otras propiedades de las dispersiones, perfectamente determinables, tales como estabilidad a la gravedad y centrifugación, visibilidad con diversos medios Ópticos, capacidad de difusión a través de membrana etc., propiedades que se muestran esquemáticamente en la tabla de la siguiente página:

Las dispersiones groseras están formadas por partículas invisibles a simple vista, pero visibles al microscopio, le dan turbidez u opacidad a La dispersión, como ejemplos de ellas, tenemos; los hematíes de la sangre, las gotitas de grasa en la leche, o las partículas de arcilla en las aguas de un río, que en los tres casos dan opacidad.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.En cuanto a la estabilidad, las dispersiones groseras sedimentan espontáneamente (no

son estables), y esta sedimentación puede acelerarse centrifugando.

Por su considerable tamaño las partículas groseras no atraviesan membranas permeables, dialíticas o semipermeables, cuyos poros están dentro de los límites señalados para estas dispersiones, así el papel de filtro húmedo, o el filtro de arcilla, que son membranas permeables, retienen estas partículas de dispersiones groseras.

Las disoluciones coloidales estén formadas por partículas invisibles a simple vista y al microscopio normal, pero las disoluciones manifiestan cierta opalescencia con iluminación lateral sobre fondo oscuro, y por eso se puede decir que las partículas disueltas resultan visibles al ultramicroscopio, que es el que dispone de La iluminación mencionada. Estas son estables a la gravedad y a los campos centrífugos moderados y en cambio sedimentan cuando la fuerza centrífuga es muy elevada.

La ultra centrifugación es de 10,000 a 100,000 revoluciones por minuto (rpm).

En cuanto a difusibilidad, las disoluciones coloidales no son retenidas por las membranas permeables (papel de filtro, filtro de arcilla), pero si por las membranas dialíticas, como el celofán, endotelio capilar, colodión, etc. Estas son por ejemplo las proteínas de la sangre o de la leche.

Las disoluciones verdaderas; tienen las partículas tan pequeñas que no resultan visibles a ningún microscopio de luz, y están en el límite de resolución del microscopio electrónico.

Son estables a la gravedad y a la centrifugación, aunque al ultra centrifugado a altas

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.velocidades pueden conseguir separaciones parciales.

Atraviesan las membranas permeables y dialíticas, pero no las semipermeables, como son el pergamino, la membrana de ferrocianuro de cobre y en cierto sentido los tegumentos son ejemplos de estas disoluciones verdaderas las disoluciones de sales, glucosa, urea, aminoácidos en La sangre o en la leche.

PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES VERDADERAS

Muchas de las propiedades se deducen del pequeño tamaño de las partículas dispersas:

- Estabilidad, - Invisibilidad, - Y difusibilidad a través de membranas dialíticas y permeables.

Forman disoluciones verdaderas las sustancias capaces de dar dispersiones iónicas o moleculares, y cuya masa molecular no alcanza La 10,000 unidades Ǻ.

Algunas propiedades de las disoluciones son función de la naturaleza del soluto o sea la sustancia disuelta, como son la conductividad eléctrica, la variación de densidad con la concentración, la posible coloración, etcétera.

Otras propiedades dependen del disolvente, aunque pueden ser modificadas por el soluto, por ejemplo, la tensión superficial, la viscosidad, el Índice de refracción, etc... Así si disolvemos alcohol, acetona o amoníaco en agua, la densidad disminuye; en cambio si disolvemos sacarosa, glicerina o cloruro de sodio, esta densidad aumenta.

Muchos compuestos orgánicos y muchas sales dan coloraciones especificas en agua, por ejemplo, las sales de cobre, dan coloración azul; las de cobalto rosa; los cromatos amarillo,etc.

El sabor de las disoluciones también es propiedad específica del soluto.

Las Ilamadas propiedades coligativas no están ligadas a la naturaleza del soluto y sólo dependen de la naturaleza del disolvente y del número de partículas del soluto.

Estas propiedades, por su carácter universal, tienen un interés muy superior al de las propiedades específicas y por ligar o correlacionar las distintas disoluciones se les denomina propiedades coligativas.

Revisaremos brevemente los modos de expresar las concentraciones de soluto y solvente, analizando el cuadro siguiente:

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PROPIEDADES COLIGATIVAS

Ya fueron estudiadas en las páginas anteriores. Ver pag. 10.

El medio interno se considera dividido en compartimentos que contienen disoluciones diferentes, separadas por membranas de propiedades características, cuyo estudio fisiológico requiere un conocimiento fisicoquímico preciso de la presión osmótica.

Antes del estudio complementario de esta propiedad, revisaremos, como conocimientos previos, los conceptos de difusión u osmosis.

Difusión en general: La difusión es un fenómeno por el cual las moléculas de un gas, un líquido o un sólido, tienden a alcanzar una distribución homogénea en todo el espacio que les es accesible.

Por difusión, las moléculas del soluto tienden a esta homogeneidad en el seno del disolvente, lo que alcanza al cabo de un cierto tiempo.

Al poner en contacto dos disoluciones acuosas, por ejemplo, de NaCI y KNO3, los solutos difunden en toda su masa, esencialmente de la misma manera que difunden dos gasesencerrados en recipientes que comunican libremente.

Difusión a través de membranas: Es el tipo de difusión de mayor importancia biológica, porque la presencia de membranas de las más variadas características condicionan el paso de disolvente y disoluciones en todas las estructuras celulares, dichos fenómenos se observan y tienen aplicación práctica en toda la fisiología, ya que se estudiarán desde La génesis de potenciales eléctricos en las células nerviosas, hasta los más elementales mecanismos de secreción glandular.

Las membranas biológicas o artificiales, se han definido aproximadamente como estructuras laminares caracterizadas por poros de determinadas dimensiones.

El comportamiento de la membrana frente a determinadas circunstancias depende fundamentalmente de la relación entre el diámetro de los poros y el de las partículas.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.La presencia de una membrana separando dos medios diferentes, determina ciertas

restricciones en los procesos de difusión de las sustancias.

Las membranas se clasifican en cuatro grupos fundamentales: a) Impermeables, b) Semipermeables, c) Dialíticas y d) Permeables.

Según sus propiedades referentes a la filtración y osmosis que se detallaran en su oportunidad.

En fisiología, al hablar de disolvente, prácticamente en todos los casos, nos referimos al agua, pero los solutos pueden ser muy variables:

a) Coloidales; como proteínas y polisacáridos, b) Verdaderos; de tipo salino o molecular; como NaCI, KHCO3, Glucosa, Urea, etc.

Membranas impermeables; Son aquellas que no las pueden atravesar ni el disolvente, ni los solutos; por ejemplo, aunque no en sentido muy riguroso, los tegumentos.

Membranas semipermeables; las pueden atravesar libremente el agua, pero no permiten el paso de los solutos verdaderos o cristaloides, de ninguna clase, son ejemplos las membranas de pergamino o de ferrocianuro cúprico.

Membranas dialíticas; Son permeables al agua y solutos verdaderos, pero no la atraviesan los solutos coloidales, por ejemplo, las membranas de colodión, celofán o el endotelio capilar.

Membranas permeables; Permiten el paso del agua y disoluciones verdaderas y coloidales, y sólo son impermeables a las dispersiones groseras; son ejemplos típicos los filtros de arcilla y el papel de filtro húmedo.

Las membranas biológicas en general, aunque pueden incluirse en algunos de estos grupos para sistematizar conceptos, en realidad no encajan estrictamente en ninguno de ellos, porque son de propiedades intermedias; Además, las membranas celulares, junto a sus propiedades de permeabilidad comparables a las membranas artificiales, presentan otro fenómeno que es variabilidad selectiva, es decir, el paso de sustancias está condicionado, en parte por los fenómenos metabólicos de la membrana o el protoplasma, que modifican el tipo de difusión que serla previsible atendiendo sólo a sus propiedades fisicoquímicas

Efectos osmóticos:

Osmosis es La difusión de líquidos a través de membranas.

Supongamos dos disoluciones de concentración desigual, por ejemplo cloruro de sodio

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.1 molal y 2 molal respectivamente, separadas por una membrana semipermeable que permite el paso del agua, pero no de la sal, el agua tiende a atravesar la membrana, pasando de la disolución más diluida a la más concentrada, es decir, en el sentido de igualar las concentraciones.

Y si los volúmenes de las dos disoluciones indicadas fuesen iguales, el equilibrio se alcanzarla cuando a los lados de la membrana se Ilegase a La misma concentración (1.5 molal) de sal. Existe una tendencia a igualarse las concentraciones a ambos lados de la membrana.

Un ejemplo de los efectos mecánicos; (ver La figura) que es el esquema de un deposito cerrado por un extremo con una membrana elástica semipermeable, conteniendo en su interior una disolución de azúcar. Al introducirlo a un recipiente con agua destilada, la membrana elástica se distiende por el efecto mecánico de la penetración de agua en la vasija, que es el resultado de la presión osmótica. Lo mismo ocurrirla si en lugar de azúcar, hubiera NaCI2 m en el interior, y NaCI, 1 m en el exterior, como en el ejemplo anterior, creándose una presión mecánica.

Un soluto ejerce presión osmótica al enfrentarse con el disolvente, sólo cuando no es capaz de atravesar la membrana que los separa. Por ejemplo, frente a una membrana impermeable al NaCI y permeable a la glucosa, sólo la sal ejercerá presión osmótica, y si además de estas sustancias hay un coloide no iónico, y la membrana sólo es impermeable al coloide, lógicamente no ejercerán presión osmótica los cristaloides, y el único efecto mecánico que cuenta en este caso es el correspondiente a la concentración de partículas coloidales. Este fenómeno variara en las disoluciones coloidales iónicas como se vera más adelante.

Supongamos un recipiente, cerrado en su parte inferior por una membrana PÁGINA 62

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.semipermeable, conteniendo una disolución de sal o de azúcar, por ejemplo, con un émbolo controlado sobre la superficie de la disolución, al sumergir el recipiente en agua destilada, el agua atraviesa la parte inferior de la vasija y ejerce una presión capaz de elevar el émbolo hasta una determinada altura. Sometiendo el émbolo a una presión mecánica adecuada se puede impedir que pase agua del disolvente a la disolución, y el valor de esta presión mecánica mide la presión osmótica.

Es decir, la presión osmótica de una disolución se puede medir por la presión justamente necesaria para evitar la entrada de agua, cuando está separada del disolvente por una membrana semipermeable.

Con una presión aún más elevada se puede hacer pasar el agua de la disolución al disolvente, concentrando la disolución, y se habrá producido un electo mecánico (filtración) por una fuerza que supera la presión osmótica.

Definida La presión osmótica como la medida de la tendencia a diluirse una disolución separada del disolvente puro por una membrana semipermeable, se pueden realizar determinaciones cuantitativas mediante dispositivos que se utilizan para estas mediciones en el laboratorio.

Se Ilaman disoluciones isotónicas aquellas que manifiestan la misma presión osmótica frente a una determinada membrana, es decir, el disolvente atraviesa la membrana en igual proporción en ambos sentidos, por lo que no manifiesta efecto resultante alguno.

Son disoluciones isotónicas, por ejemplo el plasma sanguíneo y el protoplasma de los hematíes. El hematíe es la célula de características especialmente favorables al estudio de La presión osmótica y por eso puede presentarse como ejemplo muy demostrativo. Su membrana puede compararse a la membrana semipermeable ideal, aunque no es rigurosamente comparable una membrana artificial de este tipo.

Si el glóbulo rojo se introduce en agua destilada, esta pasará la pared hacia el protoplasma, aumentando el volumen celular, distendiendo la misma membrana hasta su rotura, este fenómeno se llama hemólisis, se produce tanto con agua destilada como con disoluciones hipotónicas desde un cierto límite de dilución.

Si el hematíe se pone en un medio hipertónico, el efecto será en sentido contrario, saliendo agua del protoplasma a la disolución extracelular y como resultado se retrae la membrana del glóbulo rojo, debido a la concentración del protoplasma, observándose en el microscopio con una característica de aspecto estrellado.

En un medio de igual presión osmótica que el protoplasma o sea medio isotónico, el hematíe permanecerá inalterable.

Lo anteriormente mencionado tiene gran importancia debido a la constante osmótica del medio intersticial para la integridad celular.

Debemos hacer notar que las membranas no sólo son afectadas por la simple concentración de las disoluciones, sino que también debemos tener en cuenta las propiedades coligativas de las mismas disoluciones, ya que estas propiedades dependen únicamente del

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.número de partículas de soluto, o sea su concentración molal y de las características de la naturaleza de las membranas que separan las propias disoluciones.

Cuando lleguemos al estudio de los líquidos y electrolitos desde el punto de vista fisiológico, tendremos en cuenta los conceptos aquí vertidos para su mejor entendimiento.

DISOCIACIÓN ELECTROLÍTICA

Los solutos orgánicos en general (azúcares, alcoholes, aminoácidos neutros, urea, acetona, etc.), a igualdad de concentración molal, tienen exactamente los mismos valores de las propiedades coligativas, es decir, una disolución de 0.1 molal, de cualquiera de estos solutos, tendrán los mismos valores de temperatura, de congelación, presión osmótica, etc., independientemente de cual sea el soluto que contiene.

Pero existen numerosas sustancias fundamentalmente inorgánicas que parecen no cumplir las propiedades coligativas, porque a igualdad de molalidad dan distintos valores de descenso crioscópico, presión osmótica, etc., y estos valores en general mayores de los previsibles, son función de la naturaleza del soluto.

Ante este hecho, cabría pensar en la no validez universal de las propiedades coligativas, sin embargo, no es así, y se explica teniendo en cuenta la ionización, con el hecho de que estas sustancias manifiestan en disolución alguna propiedad, como es la conducción de la corriente eléctrica, y este hecho permitió a Arrhenius elaborar la teoría de la ionización, que actualmente está perfectamente demostrada, así al fraccionarse las moléculas del soluto en subunidades menores, aumenta el número de partículas disueltas y con el valor numérico de las propiedades coligativas.

Las sustancias solubles en agua y capaces de conducir la electricidad se llaman electrolito.

Electrólisis: Se llaman conductores de primera especie a las sustancias que conducen la electricidad sin experimentar alteración alguna, como los metales y sus aleaciones.

Los conductores de segunda especie son las sustancias que conducen la electricidad en estado disuelto o fundidos y experimentan transformación química al paso de la corriente:

Electrolito.

Estos electrolitos, al paso de la corriente eléctrica, se disocian en dos o más partes capaces de desplazarse en un campo eléctrico, estas partículas se cargan eléctricamente y se

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Ilaman iones, etimológicamente "caminantes", por su capacidad de desplazamiento, ya que los de carga negativa se dirigen hacia el ánodo, por eso se Ilaman aniones y los de carga positiva hacia el cátodo Ilamanadose cationes.

Ionización y disociación: La primitiva teoría de Arrhenius suponía que la disociación de las sustancias en iones se producía al fundirse o disolverse, y que la velocidad de desplazamiento de los iones era independiente de la presencia de otros iones en la disolución.

Pero en realidad los electrolito fuertes suelen estar ionizados por completo ya en estado sólido, de tal modo que al disolverlos o fundirlos no se hace más que liberar los iones de las fuerzas que los mantienen fijos en la red cristalina. y la velocidad de unos iones depende de los demás, debido a que todo ion en su movimiento se encuentra frenado por los iones de carga opuesta que se mueven en sentido contrario.

Los fenómenos de ionización o formación de iones y disociación o liberación de iones ya formados, son por lo tanto diferentes. Por ejemplo, el NaCI cristalino está ionizado y al disolverle se disocia.

CONCEPTO Y MEDIDA DEL pH:

Hidrógeno:

a. Función en el organismo; Representa la unidad atómica, el protón y por definición el PÁGINA 65

Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.ácido. Es un elemento muy difundido y de gran importancia en las funciones biológicas.

Proviene en su mayor parte del metabolismo endógeno y tan pronto como es liberado en el líquido extracelular se combina con los elementos químicos amortiguadores que lo guardan así hasta su excreción o su transformación en agua.

Una proporción mínima de este elemento: 0.000024 mEq/kg. de peso corporal o 0.000034 mEq/l. de plasma, se encuentra en forma ionizada, "libre".

El papel que desempeña en el organismo es parcialmente conocido; sin embargo, su intervención en las reacciones de oxidorreducción, su influencia sobre la actividad de numerosos sistemas enzimáticos, su interdependencia con las concentraciones de otros iones

intra o extracelulares, han sido bien documentadas; estos hechos así como la precisión en la detección de sus variaciones en los líquidos orgánicos y sus finos mecanismos de regulación, pone de manifiesto que su concentración es un índice homeostático cuidadosamentecontrolado.

Los términos protón, hidrión, hidrogenión [H], hidronio, pueden ser sinónimos en la práctica, sin embargo, el hidronio o ion oxonio, se refiere a La hidratación del H+ en soluciones acuosas para dar H30 +.

La concentración de iones de hidrógeno determina la actividad del pH de una solución hacia la alcalinidad o hacia la acidez; hablar de acidez es hablar de un mayor número de iones de hidrogeno y de alcalinidad de un menor número de iones de estos:

La sangre normal tiene un pH que varía de 7.35 a 7.45; cifras menores de 7.35 son indicativas de acidez y valores por arriba de 7.45 señalan alcalosis.

Los iones de hidrógeno proceden de la dieta normal y del metabolismo de los carbohidratos, proteínas y lípidos.

b. Medición:

La concentración de H+ puede expresarse en términos de equivalente por litro o en unidades de pH.

En los Líquidos orgánicos La disociación de los ácidos es muy baja y por tal motivo la concentración de H+ varía entre:

1 1---------------------- Y --------------------------de Eq/I.;

10,000,000 100,000,000

Las dificultades del manejo aritmético de estas mínimas concentraciones son obvias, por lo que se adoptó la nomenclatura propuesta por Sorensen en 1909 del empleo de unidades de pH, o potencial de H+.

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Debido a lo impráctico de su determinación en mEq/I, se adopto el término pH, que se define como "el logaritmo negativo de la concentración do iones hidrógeno" y matemáticamenteexpresa de la manera siguiente:

pH = - log(H+)

Si la concentración media de H+ en el plasma sanguíneo es de 0.000000398 Eq/I, entonces La ecuación queda así:

pH = -log(3.98 x 10-8) ó

pH = -log(3.98 -log 10-8)

El logaritmo de 3.98 =0.60 y el de 10-8 = 8. de donde,

pH=-0.60+8 ó pH = 7.40

que es el término medio normal del pH sanguíneo humano. Y como se podrá observar;

los limites de normalidad son muy estrechos, y este balance está establecido por varios sistemas amortiguadores. (que estudiáremos más adelante).

Los números positivos de La escala de pH son más entendibles que los exponentes negativos o las pequeñas fracciones decimales equivalentes de la escala de concentración absoluta.

La concentración de hidrogeniones en el agua destilada pura a 25°C es 10-7 Eq/I.; La concentración de iones hidróxido es la misma siendo por lo tanto neutra.

Una proporción muy pequeña de moléculas de agua; (8 x 10-7 g./kg.) se disocian en igual número de H+ y de OH+.

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Si La concentración de hidrogeniones excede 10-7 Eq/I. la solución es ácida; si es menos

de esta cantidad, la solución es alcalina.

El producto de la concentración de H+ por OH da siempre 1014 Eq/I. Si La concentración de un ion aumenta, la del otro disminuye proporcionalmente guardando constante el producto.

La escala de pH va de 0 (H+ = 1 Eq/I.) a 14 (H+ = 10 14Eq/I.), de la reacción de 1.0 N ácido fuerte a 1.0 N base fuerte. Obviamente cuando la solución es más ácida, el pH disminuye y cuando se hace más alcalina el pH aumenta.

La zona fisiológica de concentración plasmática de H+ está entre los pH de 7.35 a 7.45 (de 0.000035 a 0.000044 mEq. /l), como promedio de 7.4 o sea 0.000039 mEq.

En condiciones de enfermedad que produzcan excesivo ingreso o pérdida de H+, el pH puede reducirse hasta un valor de 7 (100 millonésimo de mEq) característico de un cuadro clínico de "acidosis" grave; por el contrario el pH puede aumentar a 7.8 (19 millonésimo de mEq) que caracteriza una "alcalosis" grave.

Las variaciones extremas, arriba a abajo de la zona fisiológica del pH, parecen ser muy pequeñas y por el hecho de que se acompañan de signología marcada, se tiene la impresión de que el organismo es muy sensible a mínimas desviaciones de pH; sin embargo la realidad es que son cambios que van del 40 al 250%, si se considera como 100% a La concentración normal de H+.

Cambios mucho menores que éstos no son tolerados por el organismo en relación al sodio y al potasio.

Esta tolerancia a las variaciones de concentración de H+ la presentan en forma sorprendente la mayoría de las células de las tejidos. Sin embargo, la zona fisiológica se conserva en condiciones de salud mediante un sistema de regulación muy preciso.

La concentración de [Hi+] en el líquido intracelular es mayor que en el líquido extracelular; utilizando métodos de investigación, Irvine y col., demostraron un pH de 6.9 en el interior de las células del músculo esquelético de ratas vivas; se ha encontrado que la oscilación está entre 6.0 y 7.4, valores más bajos han sido reportados por otros autores empleando un microelectrodo intracelular de vidrio.

Cuando el metabolismo celular se acelera aumenta la formación de ácidos, especialmente de ácido, carbónico (H2C03), disminuyendo el pH. Igualmente la perfusión tisular inadecuada produce una rápida acumulación de ácido y una disminución del pH intracelular.

COLOIDES:

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Disoluciones coloidales;

En los más diversos aspectos de la actividad funcional de las células aparecen manifestaciones de las propiedades coloidales de la matería viva; que, aproximadamente en un 90%, se encuentran en estado coloidal.

Hay sustancias que siempre forman disoluciones de carácter coloidal por el tamaño considerable de sus moléculas (coloides moleculares), pero esa propiedad depende sólo de su masa molecular grande y no de nínguna característica química.

Cuando las partículas del soluto son mucho más grandes que las del disolvente, el sistema es heterogeneo (hay una fase discontinua en el seno de otra continua) lo cual explica las propiedades más características de los coloides, sus diferencias con las disoluciones verdaderas, y los define: un coloide es un sistema heterogéneo en el que las fases no se separan.

Propiedades de las disoluciones coloidales;

La superficie de separación entre las dos fases del sistema heterogéneo (La superficie de las partículas dispersas) tiene tal extensión, que muchas de las propiedades características delestado coloidal son consecuencia, precisamente, de esta enorme área de la interfase que separa el medio disperso de la fase continua, y por eso son tan importantes los fenómenos de adsorción.

Un cm3 de sustancia, por ejemplo, formando un sólo cubo de 1 cm de lado, tiene una superficie de 6 cm2, y si se fracciona hasta formar partículas de 1 mµ, la superficie alcanza la extensión de 6,000 mts2, cifras que dan una idea de lo que representa la extensión de la superficie en las disoluciones coloidales.

Las propiedades de los coloides varían mucho en función del tamaño de las partículas dispersas: de 0.1 µ. se aproximan a las de las suspensiones groseras; del orden de 000.1µ ya son comparables a las disoluciones verdaderas.

Pero es más importante distinguir las propiedades en lo que dependen de la constitución química, diferenciando dos grupos de disoluciones:

Suspensoides y Emulsoides.

Las propiedades ópticas de las disoluciones coloidales dependen del tamaño de las partículas.

Es característica, a simple vista, cierta turbidez (opalescencia) y la impresión de ligera coloración azulada o violácea. Al ultramicroscopio, en lugar de esta turbidez, aparecen puntos brillantes en continuo movimiento, que no son otra cosa que los rayos de luz difractados por las partículas coloidales. Así, la opalescencia no es más que el resultado de la sensación que nos produce el conjunto de todos los rayos difractados por las partículas coloidales, y como los rayos más difractados son los de menor longitud de onda (azules y violetas), se explica La

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.apariencia coloreada de La disolución. Este fenómeno óptico constituye el efecto Tyndall-Faraday.

Las partículas coloidales se mueven continuamente con una trayectoria irregular (movimiento browniano), cuyo estudio ha contribuido al conocimiento del movimiento de las moléculas, este depende esencialmente de los choques de las moléculas del disolvente contra las partículas de la fase dispersa, y es tanto más lento cuanto mayor es el diámetro de las partículas (los choques de las moléculas del disolvente las desplaza menos) y por lo tanto la velocidad de difusión de las partículas coloidales es tanto más lento cuanto mayor es su volumen.

Del movimiento browniano depende, en parte, la persistencia del estado coloidal de la disolución, porque representa una fuerza de repulsión de las partículas entre si, y una cierta resistencia a precipitar, porque se oponen a la gravedad. la estabilidad depende, ante todo de la carga eléctrica y la hidratación de las partículas.

La hidratación es fundamental en los coloides de las características de los que constituyen la materia viva, que son casi en su totalidad emulsoides. Cuando las partículas van perdiendo su carácter hidrófilo, tienden a formar agregados y a flocular. En toda disolución coloidal este fenómeno se desarrolla progresivamente al cabo de un período más o menos prolongado.

Ya hemos mencionado que las disoluciones coloidales según sus propiedades se clasifican en dos tipos: emulsoides y suspensoides.

Los emulsoides son coloides hidrófilos o Iíofilos, es decir, sus partículas tienen una fuerte afinidad por el disolvente.

Los suspensoides, por el contrario, se llaman hidrófobos o liofobos, por la tendencia natural a separarse las partículas del disolvente, o lo que es igual, a separarse las dos fases del sistema heterogéneo.

La diferencia más importante entre uno y otro tipo de disoluciones coloidales está en el factor decisivo de a estabilidad de la disolución: los suspensoides se mantienen en dispersión, ante todo, por la influencia de sus cargas eléctricas; en los emulsoides la carga eléctrica influye menos, y como agente estabilizante, predomina con mucho el estado de hidratación de las partículas y es por eso que que floculan rápidamente cuando se neutraliza la carga eléctrica, mientras que en los emulsoides esto no influye gran cosa en la estabilidad de de la disolución.

La casi totalidad de de los coloides biológicos son emulsoides de marcada afinidad por el agua. Esto quiere decir que las moléculas de agua se orientan en torno de las moléculas coloidales, de la misma manera que se orientan alrededor de los iones.

H. Veracruz, Estado de Veracruz de Ignacio de la Llave en el mes de septiembre del 2003

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Maestro y Médico Cirujano Pedíatra; Rafael García Peña Gutiérrez.Bibliografía: FISICOQUÍMICA FISIOLÓGICA; Jiménez Vargas – Macarulla; sexta edición, Editorial: McGRAW-HILL. INTERAMERICANA DE ESPAÑA; sexta edición, 1984, (tercera reimpresión 1989).

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notas de fisicoquÍmica 2003 jimenez vargas macarulla

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