1. UNIDAD 2
1.1. FENÓMENOS BIOFÍSICOS MOLECULARES
Los fenómenos
biofísicos moleculares son procesos que se realizan en los seres vivos, los
cuales se basan en leyes físicas y físico-químicas dando lugar a la formación
de dichos fenómenos. Los fundamentos moleculares de la Biofísica se rigen en
las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto
1.2. TENSIÓN SUPERFICIAL
En física se
denomina tensión superficial de
un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por
unidad de área.Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia
para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como
el zapatero (Gerris lacustres), desplazarse por la superficie
del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas
intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los
líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a
la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la
superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible
definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por
unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en
equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas
entre las moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido
como tensión superficial.
Causa
A nivel microscópico,
la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a
cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la
superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas
de atracción que en promedio se anulan.
Esto permite que la
molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la
superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si
en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza
atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable
debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.
Otra manera de
verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de
energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas
interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las
partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y
por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su
estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie.
Energéticamente,
las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que
las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir
la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas
en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.
Como resultado de
minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado
matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de
Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura
en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una
pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.
Propiedades
La tensión
superficial suele representarse mediante la letra griega
(gamma), o mediante
(sigma). Sus unidades son de N·m-1=J·m-2=Kg/s2=Dyn/
Algunas propiedades
de:
- > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema y eso la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie.
- depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie).
- se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide en N·m-1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua.
- El valor de depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la de cada líquido crece del hexano al mercurio.
- Para un líquido dado, el valor de disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos, desapareciendo las dos fases. Al haber solamente una fase, la tensión superficial vale 0.
1.3. PRESION HIDROSTATICA
La presión hidrostática es la fuerza por
unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente
que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido, como esta
presión se debe al peso del líquido, esta presión depende de la densidad (p),
la gravedad (g) y la profundidad (h) del el lugar donde medimos la presión
(P).
Un
fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes del fondo del recipiente que lo
contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión,
llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular
a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin
importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las
fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente
perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del
líquido en cuestión y de la altura del líquido con referencia del punto del que
se mida.
Se
calcula mediante la siguiente expresión:
·
es
la altura del fluido (en metros).
Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier
superficie sumergida en su interior
1.4. ADHESION
La adhesión es la propiedad de la
materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales
o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas
intermoleculares.
La
adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas
de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con
el mortero (cemento) es un ejemplo claro.
·
Adhesión mecánica
Los
materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies manteniendo
las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran escala de
costura, otras veces a media escala como el velcro y algunos
adhesivos textiles que funcionan a escalas pequeñas. Es un método similar a
la tensión superficial
·
Adhesión química
Dos
materiales pueden formar un compuesto químico al unirse. Las uniones más
fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se
comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce
cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída
por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso
hablaríamos de un puente.
·
Adhesión dispersiva
En
la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas
de van der Walis: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales
tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene
una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de
carga contraria. Este efecto puede ser una propiedad permanente o temporal
debido al movimiento continuo de los electrones en una región.
En
la ciencia de superficies el término "adhesión" siempre se refiere a
una adhesión dispersiva. En un sistema sólido-líquido-gas normal (como una gota
de un líquido sobre una superficie rodeada de aire) el ángulo de
contacto es usado para cuantificar la adhesividad. En los casos donde el
ángulo de contacto es bajo la adhesión está muy presente. Esto se debe a que
una mayor superficie entre el líquido y el sólido conlleva una energía
superficial mayor.
·
Adhesión electrostática
Algunos
materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia
de potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a
un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva
entre materiales con diversos materiales les pueden ayudar.
1.5. COHESIÓN
Es la atracción
entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La
cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción
entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión
es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.
En el agua la
fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrogeno que
mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura
compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder
comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático,
como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca
mediante la presión generada por sus líquidos internos.
La cohesión en los diferentes estados:
·
Tanto
los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad
de la que carecen los gases: tienen una superficie “libre”, o sea tienen una
superficie cuya forma no está determinada por la forma del recipiente que lo
contiene. Esta superficie se forma por una combinación de atracción
gravitacional de la tierra (fuerza ocasionada por el peso) y de fuerzas entre
moléculas del líquido. Una consecuencia de eso es que en la superficie de los
líquidos actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos
(salvo que haya burbujas en el interior), por eso llamada “tensión
superficial”. Aunque relativamente pequeña, esta fuerza es determinante para
muchos procesos biológicos, para la formación de burbujas, para la formación de
olas pequeñas, etc.
·
También
en los gases, la fuerza de cohesión puede observarse en su licuefacción, que
tiene lugar al comprimir una serie de moléculas y producirse fuerza de
atracción suficiente mente altas para proporcionar una estructura liquida.
·
En los líquidos, la cohesión se refleja en la
tensión superficial, causada por una fuerza no equilibrada hacia el interior
del líquido que actúa sobre las moléculas superficiales, y también en la
transformación de un líquido en sólido cuando se comprimen las moléculas lo
suficiente. En los sólidos, la cohesión depende de cómo estén distribuidos los
átomos, las moléculas y los iones, lo que a su vez depende del estado de
equilibrio (o desequilibrio) de las partículas atómicas. Muchos compuestos
orgánicos, por ejemplo, forman cristales moleculares, en los que los átomos
están fuertemente unidos dentro de las moléculas, pero éstas se encuentran poco
unidas entre sí.
En conclusión la cohesión se caracteriza así según el
estado de las sustancias:
En los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y
en las tres direcciones espaciales.
Cuando aplicamos una fuerza solo permite pequeños
desplazamientos de las moléculas entre sí, cuando cesa la fuerza exterior, las
fuerzas de cohesión vuelven a colocar las moléculas en su posición
inicial.
En los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas
en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy
débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy
elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus
débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras.
Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes
como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda
deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido,
se queda pegada a éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a
las otras deslizan entre sí.
En los gases, las fuerzas de cohesión son
despreciables, las moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas
de adherencia con los sólidos y los líquidos son importantes. Al aplicarse una
fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de las moléculas. Como estas
partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el
espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad
media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento
más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de
movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola
1.6. DIFUSIÓN
La difusión (también difusión molecular) es un proceso
físico irreversible, en el que partículas materiales se
introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando
la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las
partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o
disuelven.
Normalmente los
procesos de difusión están sujetos a la Ley de Rick. La membrana
permeable puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a
favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que
no requiere aporte energético, es frecuente como forma de
intercambio celular.
Difusión simple
Se denomina difusión simple al
proceso por el cual se produce un flujo neto de moléculas a través de una
membrana permeable sin que exista un aporte externo de energía. Este proceso,
que en última instancia se encuentra determinado por una diferencia de
concentración entre los dos medios separados por la membrana; no requiere de un
aporte de energía debido a que su principal fuerza impulsora es el aumento de
la entropía total del sistema.
En este
proceso el desplazamiento de las moléculas se produce siguiendo el gradiente de concentración, las moléculas atraviesan la membrana desde el medio
donde se encuentran en mayor concentración, hacia el medio donde se encuentran
en menor concentración.
El proceso de
difusión simple se encuentra descrito por las Leyes de Fick, las cuales relacionan la densidad
del flujo de las moléculas con la diferencia de concentración entre los dos
medios separados por la membrana, el coeficiente de difusión de las mismas y la
permeabilidad de la membrana.
El proceso de
difusión simple es de vital importancia para el transporte de moléculas
pequeñas a través de las membranas celulares. Es el único mecanismo por el cual el
oxígeno ingresa a las células que lo utilizan como aceptor
final de electrones en la cadena
respiratoria y uno de los principales mecanismos de
regulación osmótica en las células.
Difusión facilitada
Algunas moléculas son demasiado grandes como
para difundir a través de los canales de la membrana y demasiado hidrofílicos
para poder difundir a través de la capa de fosfolípidos y hopanoides. Tal es el
caso de la fructuosa y algunos otros monosacáridos.
Estas sustancias, pueden cruzar la membrana
plasmática mediante el proceso de difusión facilitada, con la ayuda de una
proteína transportadora. En el primer paso, la glucosa se une a la proteína
transportadora, y esta cambia de forma, permitiendo el paso del azúcar. Tan
pronto como la glucosa llega al citoplasma, una quinasa (enzima
que añade un grupo fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en
glucosa-6-fosfato. De esta forma, las concentraciones de glucosa en el interior
de la célula son siempre muy bajas, y el gradiente de concentración exterior →
interior favorece la difusión de la glucosa.
La difusión facilitada es mucho más rápida
que la difusión simple y depende:
·
Del gradiente de concentración de la
sustancia a ambos lados de la membrana.
·
Del número de proteínas transportadoras
existentes en la membrana.
·
De la rapidez con que estas proteínas hacen
su trabajo.
Difusión facilitada: la fuerza impulsora es
el aumento de entropía por el aumento de concentración a un lado de la
membrana. Tanto la difusión facilitada como el transporte activo se producen a
través de proteínas integrales de membrana.
1.7. OSMOSIS
La ósmosis es un fenómeno
físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de
una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión
simple a través de la membrana, sin "gasto de energía". La
ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo
celular de losares.
Mecanismo
Se
denomina membrana semipermeable a la que contiene poros o agujeros,
al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es
tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes,
normalmente del tamaño de micrómetros. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de
agua, que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes.
Si una membrana
como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra
de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por
Van 't Hoff y Gibbs empleando conceptos de potencial
electroquímico y difusión simple, entendiendo que este último
fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr
la homogénea distribución de las mismas y esto ocurre cuando las partículas que
vienen se equiparan con las que aleatoriamente van, sino el equilibrio de los
potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los
componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos
componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio, que
está en relación directa con la os molaridad de la solución, genera un flujo de
partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa
como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica,
por ejemplo: "existe una presiónosmóticade50atmósferas entre
agua desalinizada y agua de mar". El solvente fluirá hacia
el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que
la presión hidrostática equilibre la presión osmótica.1 2
El resultado final
es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta
concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que
pasan desde la zona de baja concentración a la de alta.
Dicho de otro modo:
dado suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la
de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta
concentración.
Las moléculas de
agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor
concentración, disolución hipotónica, a la de mayor concentración, disolución
hipertónica. Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las
disoluciones reciben el nombre de isotónicas.
En los seres vivos,
este movimiento del agua a través de la membrana celular puede producir que
algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua, o bien que se
hinchen, posiblemente hasta reventar, por un aumento también excesivo en el
contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias
desastrosas para las células, estas poseen mecanismos para expulsar el agua o
los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía.
La ósmosis es un fenómeno
físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de
una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión
simple a través de la membrana, sin "gasto de energía". La
ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo
celular de losares.
1.8. ABSORCION
Absorción es
la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de
una mezcla gaseosa con la ayuda de
un solvente líquido con el cual forma
solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase
gaseosa y pasan a la líquida).
Este proceso
implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del
soluto A través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido
C, también en reposo. Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por
medio de agua líquida C.
Al proceso inverso
de la absorción se le llama empobrecimiento o des absorción; cuando el gas es
aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama des humidificación, la
des humidificación significa extracción de vapor de agua del aire.
Elección del disolvente para absorción
Si el propósito
principal de la operación de absorción es producir una solución específica, el
disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito
principal es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la
posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente más barato y
más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes
propiedades:
·
Solubilidad del gas:
La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin
de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de
disolvente.
En general, los
disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber
proporcionan una buena solubilidad. Para los casos en que son ideales las
soluciones formadas, la solubilidad del gas es la misma, en fracciones mol,
para todos los disolventes.
Sin embargo, es mayor, en fracciones peso,
para los disolventes de bajo peso molecular y deben utilizarse pesos menores de
estos disolventes. Con frecuencia, la reacción química del disolvente con el
soluto produce una solubilidad elevada del gas; empero, si se quiere recuperar
el disolvente para volverlo a utilizar, la reacción debe ser reversible.
·
Volatilidad:
El disolvente debe tener una presión baja de
vapor, puesto que el gas saliente en una operación de absorción generalmente
está saturado con el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran
cantidad. Si es necesario, puede utilizarse un líquido menos volátil para
recuperar la parte evaporada del primer disolvente.
·
Corrosión:
Los materiales de construcción que se
necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos.
·
Costo:
El disolvente debe
ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse
fácilmente.
·
Viscosidad:
Se prefiere la viscosidad baja debido a la
rapidez en la absorción, mejores características en la inundación de las torres
de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y buenas características de
transferencia de calor.
·
Otros:
Si es posible, el disolvente no debe ser
tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de
congelamiento.
Absorción es
la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de
una mezcla gaseosa con la ayuda de
un solvente líquido con el cual forma
solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase
gaseosa y pasan a la líquida).
1.9. ACCIÓN CAPILAR Y CAPILARIDAD
Atracción capilar,
o capilaridad, es la capacidad de un líquido a fluir en espacios estrechos sin
la ayuda de, y en oposición a fuerzas externas como la gravedad. El efecto
puede ser visto en la elaboración de líquidos entre los pelos de un pincel, en
un tubo delgado, en materiales porosos tales como papel, en algunos materiales
no porosos tales como fibra de carbono licuado, o en una célula. Ocurre debido
a fuerzas intermoleculares entre las superficies circundantes líquidas y
sólidas. Si el diámetro del tubo es suficientemente pequeño, entonces la
combinación de la tensión superficial y las fuerzas adhesivas entre el líquido
y el acto de levantar el recipiente de líquido.
La capilaridad es un proceso de
los fluidos que depende de su tensión superficial la cual,
a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de
subir o bajar por un tubo capilar.
Cuando un líquido
sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o
cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que
la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un
líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión
superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es
el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su
ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad
Sin embargo, cuando la
cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al
capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el
líquido descienda a un nivel inferior y su superficie esconvexa.
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