Abril 2006 1

QUÍMICA BIOLÓGICA Tema: El Estado Líquido

Características Generales Presión de Vapor y Vaporización, Tensión

Superficial, capilaridad Viscosidad y fluidez.

.

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ESTADO LÍQUIDO

Cuando se enfría un gas pierde parte de su energía cinética en

forma de calor, y la velocidad de las moléculas disminuye, pero si

además este gas se comprime las moléculas caen dentro del campo de

las fuerzas de interacción de Van der Waals y entonces el gas pasa a

estado líquido

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DEFINICIÓNEstado intermedio y de transición entre el estado en que las fuerzas de interacción pueden mantener unidos y en posiciones

fijas y determinadas, átomos, iones y moléculas, que es el estado sólido, y el

estado en que reducidas estas interacciones a fuerzas intermoleculares de corto

alcance, las moléculas pueden separarse espontáneamente unas de otras y se llega al

estado gaseoso

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¿Cómo?P1 P2 P3 P4

T1 T2 T3 T4

Al disminuir la temperatura y aumentar la presión a un sistema gaseoso,

éste se transforma en líquido

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¡ACLARACIÓN!

Si al vapor sólo se le aumenta la presión, se convierte en líquido: El

proceso determina una CONDENSACIÓN

El gas no se convierte enlíquido, aumentando la presión

solamente y es necesario disminuir drásticamente la temperatura:

El proceso determina una LICUACIÓN

Podrías decir la diferencia entre, Vapor y Gas,

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SO2, Cl2, NH3, C3H8

Fácilmente Licuables

CH4, O2, CO, N2

Difícilmente licuables

H2, He. Muy difícilmente Licuables

Distancia entre las moléculas

Fuerzas

Atractivas

LICUACIÓN DE ALGUNOS GASES

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PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDOPRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO

V

L

La Energía Libre de ambas fases debe ser la

misma

dGlíquido = dGvapor

Equilibrio entre la velocidad de evaporación

y la velocidad de condensación, a esto se llama un equilibrio

dinámico

Presión de Vapor

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Deducción de la ecuación de Clausius Clapeyron

P1

P2

P3

Nivel del mar

Sobre elNivel del mar

Bajo elnivel del mar

T°C Ebullición del H2O adiferentes Presiones

A 100°C

A menos de100°C

A más de 100°C

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P e-Hv/RT

Donde P: PresiónHv : Calor molar de vaporización R : Constante Universal de los Gases.T :Temperatura absolutae : Número Neperiano

Del sistema anterior se puede deducir de que a mayor temperatura mayor presión de vapor.Esto se ve reflejado en las diferentes temperaturas de

ebullición del agua en distintos puntos del país.Para hacer más específicas las afirmaciones tenemos la

siguiente relación:

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Para convertir la proporción anterior en igualdad tenemos

P = e-Hv/RT x ConstanteDesarrollando:

LnP = Ln e-Hv/RT x Constante

LnP = Ln e-Hv/RT + Ln Constante

LnP = -Hv/RT Ln e + Ln Constante

LnP = – Hv (1) + CONSTANTE

RT

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LnP = – Hv 1 + CONSTANTE

R T

y = -b.x + a

COMPARANDO CON LA ECUACIÓN DE UNA RECTA

Ordenada AbscisaPendienteConstante

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REPRESENTANDO EN UNA LÍNEA RECTA

LnP

1 T°K

y2 - y1

x2 - x1

b =

(x1,y1)

(x2,y2)

b= pendiente = - Hv R

Constante a

El valor R en estos casos es de 1,987 Cal / mol°K

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Ejemplo N°1El agua tiene una presión de vapor diferente

para cada temperatura de la siguiente manera

T°K-1 T°C PmmHg LnP (20+273)-1 20 21,18 3,053 (30+273)-1 30 36,15 3,587 (40+273)-1 40 61,55 4,119 (50+273)-1 50 99,86 4,603

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LnP

1/T°K 3,09 3,19 3,30 3,41 X10-3

4,60

4,12

3,58

3,05

(3,15.10-3 , 4,337) (x1 , y1)

(3,35.10-3 , 3,36) (x2 , y2)

Con estos puntos se puedehallar la pendiente

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y2 - y1 = 3,36 - 4,337x2 - x1 3,35.10-3 - 3,15.10-3

Pendiente = b = -4 885 -Hv = -4 885 R -Hv = -4 885 x 1,987 cal/mol Hv = 9 706,5 cal/mol

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El calor molar de vaporización para el agua será 9706,5 Cal /mol, esto simplifica

posteriores cálculos, transformando la fórmula general de Clausius Clapeyron, para

dos puntos a la siguiente fórmula :

Ln P2 = Hv 1 - 1

P1 R T1 T2

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Ejemplo 2. Tomando en consideración que el agua tiene una temperatura en su punto de ebullición de 100°C a 1 atm ( 760 mm de Hg). ¿Cuál será la presión que se debe aplicar a un autoclave para que la temperatura de ebullición del sistema sea 110°C. (Hv = 9706,5 cal /mol.)

P1 = 760 mm HgT1 = (100 + 273) °KP2 = ???T2 = (110 + 273) °K

Ln P2 = 9706,5 1 - 1

760 1,987 373 383

Reemplazando en la fórmula anterior

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Ln P2 = 9706,5 (6,999x10-5) 760 1,987

Ln P2 = 0,3419 760

P2 =( e0,3419) x 760

P2 = 1069,8 mmHg = 1,4Atm

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Ejemplo 3.Un Autoclave esta averiado en su detector de temperatura si la presión que se registra es de 1.5 Atm, ¿Cuál será la temperatura en la que se encuentra el sistema?

P1 = 1 Atm.T1 = (100 + 273) °KP2 = 1,5 Atm.T2 = ???

Se debe tomar en cuenta que los sistemas autoclave

funcionan con H2O

Por tanto Hv= 9706,5 cal /molAplicando fórmula

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Ln 1,5 = 9706,5 1 - 1

1 1,987 373 T2

0,405 = 4885 (2,68 x 10-3 - 1/T2 )

8,29 x 10-5 = 2,68x10-3 - 1/T2

-2,59 10-3 = - 1/T2

385 °K = T2 = 385 - 273 =

T2 = 112°C

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AEOROSOLES

Los aerosoles de aplicación médica y farmacéutica se basan en la conversión de los líquidos volátiles en vapores a la presión y temperatura del ambiente

Gas Licuado

Principio activo

Presentaciones antiasmáticas

en BroncoespasmoSalbutamol

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HUMEDAD RELATIVA

H2O

Vapor de H2O Saturada

20°C

A 20°C La presión de vapor

del H2O es:21,18 mm de Hg

Si en el ambiente de Lima hay una presión de vapor

de agua de:19 mm de Hg entonces:

LA HUMEDAD RELATIVA SERÁ: 19 x 100 = 89,7% 21,18

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Conociendo la presión de vapor de una sustancia se puede averiguar la concentración. ejemplo: En

un experimento se quiere saber la cantidad de gramos de acetona por ml. en el ambiente (ver figura), sabiendo que, la presión de vapor de

dicha sustancia ha saturado el medio. La temperatura es de 20°C. Si la presión de vapor de

dicha sustancia es de 200 mm de Hg a dicha temperatura diga que cantidad de acetona estará

respirando un individuo por cada litro de aire inspirado

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6m.

3m.

4m

Fuente de acetona Olor aromático

Datos P: 200 mm HgT : 20°C = 293 °KV :6x4x3= 72 m3 =72 000 Litros

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Aplicando:PV=nRT

200 mm Hg . 1 Atm. 72 000L = n . 0,082 L.Atm. 293°K760 mm Hg °K.mol

788,62 mol = n

La masa molecular de la Acetona es 58 g/mol como 788,62 mol se encuentra en 72 000 L. La concentración en el aire será:

788,62 mol . 58 g/mol72 000L

0,6352 g/L

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Ascenso del capilar Cuando un capilar de radio “r”, se sumerge levemente en un líquido, éste experimenta un ascenso hasta una altura “h” debido al equilibrio que existe entre dos fuerzas: ascendente y descendente; la primera es dependiente de una fuerza tangencial denominada “”, tensiòn superficial, mientras que la segunda depende de la masa y la gravedad

Altura

Radio del

capilar

Tensión SuperficialDeducción

Método del ascenso del capilar

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Tensión SuperficialDeducción

Método del ascenso del capilar

‿ Fa

: Tensiòn Superficial

Fuerza ascendente

Cos = Fa

Fa = .Cos

Para toda la circunferencia

Fa = 2..r..Cos Capilar

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Fuerza descendente

h

Peso = Fuerza

F= m.g

m = .V V= r2h

Por tantoFd = .r2h.g

Ahora igualando Fuerzas tenemos

Fa = Fd

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2..r..Cos = ..r2.h.g 2.Cos = .r.h.g

= .r.h.g 2 Cos = .r.h.g

2

Cos , tiende a 1, cuando el líquido moja totalmente; pues el ángulo llega a cero. Cos 0º = 1

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DEDUCCIÓN DE LAS UNIDADES

= .r.h.g 2

En el sistema c.g.s.

= .r.h.g = m.L.L.L V . T2

= m.L.L.L L3 . T2

= m.L L .T2

= m.L L .T2

Masa xAceleraciónGramos x cm/seg2

DINAS

cm.

= Dinas

cm.

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¿Cuàl será la tensión superficial de una sustancia de densidad 0,812 g/ml. si en el capilar alcanza una altura de 11 mm.y el radio del mismo es de 0,06 cm.?

Reemplazando= .r.h.g

2

= 0,812 g/cm3.0,06cm.1,1cm.980 cm./seg2

2 = 26,26 Dinas/cm.

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TENSIÓN SUPERFICIAL

Es la fuerza en dinas/cm. de borde de la película que se opone a la expansión de la superficie

L

}dsA

B C

D

F

La siguiente representación indica las barras metálicas AB y CD unidas a través de una barra de longitud L, igual a 5 cm. La barra AD es móvil y puede prolongarse hasta romper la lámina de líquido ABCD (análoga a una pompa de jabón); ds es el desplazamiento, hasta el límite máximo que permite la resistencia de ABCD, en función de la fuerza F. La masa es 0,5g

m=0,5g

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Tomando en cuenta la definición de tensión superficial : Fuerza / longitud. Asumiendo que F= mxg y la masa de m= 0,5g (g= 980 cm/seg2)

= F

d

= F

2L

Reemplazando en

= 0,5g x 980cm./seg2

2x5cm.

Dinas

= 49 Dinas cm.

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Ejemplo. El radio típico de un vaso leñoso es aproximadamente de 0,02 cm. ¿Hasta que altura se elevará el agua en dicho vaso a 20°C?

Tensión superficial 20°CLíquido Unidades C.G.S. Unidades SI (Dina.cm-1) (N.m -1 )Acido acético 27,6 0,0276Acetona 23,7 0,0237Benceno 28,9 0,0289CCl4 26,6 0,0266Cloroformo 27,1 0,0271Etanol 22,3 0,0223Eter etílico 17,0 0,0170n Hexano 18,4 0,0184Mercurio 476 0,476Agua 72,75 0,07275

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Aplicando:

= h.r..g

2Cos

h = 2Cos

r..g

1

h = 2(72,75Dinas.cm-1)

(0,02cm) (1g.cm-3)(980cm.seg-2)

7,42cm

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La tensión superficial de las soluciones acuosas generalmente aumenta, si los solutos son ionizantes NaCl LiCl o sacarosa y otras sustancias que no se acumulan en la zona interfacial aire agua; disminuye cuando se trata de ácidos grasos y aún mas con las sales de estos.

Líquido

Zonas zigzagueantes Apolares.

Los puntos son zonas Polares

Aire

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Una solución de ácido caproico[ CH3- (CH2)4-COOH] 0,01 M en agua abate la disminución de la tensión superficial del agua en 15 dina.cm-1. El ácido cáprico 0,0005 M [ CH3- (CH2)8-COOH], disminuye la tensión superficial en un orden de 25 Dinas.cm-1.Los surfactantes más efectivos son los jabones

Palmitato de Sodio, Hexadecanoato de sodio. Jabón

Na+

—

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LA ACCIÓN DE LOS SURFACTANTES EN LA RESPIRACIÓN

La superficie más extensa del cuerpo humano en contacto con sus alrededores, es la superficie húmeda interna de los pulmones

Un adulto promedio requiere de un área pulmonar

aproximadamente igual ala de un campo de tenis, para

poder respirar.

Dicha área esta comprendida en un volumen relativamente pequeño del tórax, en los pulmones, y en cientos de millones de espacios diminutos de aire : los alvéolos

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Los alvéolos tienen un radio promedio de 0,005cm, comunicados por canales confluentes a través del árbol bronquial

Durante la inhalación normal,la presión alveolar es de 3 mm de Hg por debajo de la presión atmosférica. (760 mm deHg-3mm de Hg)( Presión manométrica = -3mm de Hg).El aire fluye hacia el interior de ellos por los bronquios.El tejido mucoso tiene una tensión superficial de 50 Dinas.cm-1

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ECUACION DE YOUNG - LAPLACE(superficies esféricas)

Pi - Po = 2 r

Pi : Presión interna alveolarPo : Presión externa ( Presión que existe entre los pulmones y la cavidad pleural)r: Radio del alvéolo.

Pi - Po = 2 (50 Dinas.cm-1) 0,005cm

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2 x 10+4 dinas.cm-2

...pero 760 mm de Hg = 1,013 x 10 +6 dinas.cm -2

Por tantoPi - Po = 15 mm de Hg

La presión del alvéolo es de 757 mm de Hg (-3)la presión Pulmón y cavidad pleural es 756 mm de Hg (-4)

Pi - Po = P757 - 756 = 1 mm de Hg

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Esto significa únicamente 1/15 de la presión que se requiere para la expansión de un alvéoloPara superar esto los alvéolos secretan un tipo especial de surfactante, fosfolipoproteico, el cual reduce en forma eficiente la tensión superficialEl surfactante aumenta la con grandes volúmenes y disminuye con pequeños volúmenes, estabiliza los espacios aéreos , evita la sobre distensión y la oclusión.

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MECANISMO DEL SURFACTANTE

H2O

Aire

Aire

H2O

Sacos Alveolares

Menor TensiónSuperficial

MayorTensiónSuperficial

Distensión

Disminución del

volumen

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El alvéolo puede expandirse sin dificultad 15 000 respiraciones cada día

Por lo tanto la primera respiración de la vida necesita un esfuerzo extraordinario.

En el neonato prematuro aún no funcionan las células que sintetizan el surfactante

En el “Síndrome de angustiarespiratoria de los

recién nacidos”, existe poca cantidad de surfactante.

En un bebe normal, los alvéolos están

plegados en el nacimiento, la diferencia de presión es

de 20 a 30 mm de Hg.

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Cuando la superficie del agua se cubre con una película delgada de material tenso activo se reduce la capacidad de evaporación en las represas acuíferas.

H2O

Tensoactivo

30 g de este material puede

servir para 10 000 m2

de área

Esta función la cumple el alcohol cetílico[ CH3- (CH2)14-CH2OH]

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AguaOil

MicelaAceite / Agua Agua / Aceite

Estructura de un jabón y su acción

— +

EMULSIONES

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Los tensoactivos naturales del organismo son los ácidos biliares, el ácido tauro cólico y el ácido glicocólico que se forman en el hígado y cumplen una función de emulsionantes, para preparar la absorción de los ácidos grasos y los acil glicéridos.

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VISCOSIDAD DE LOS LÍQUIDOS.

La viscosidad de un gas, de un líquido puro, o una solución es un índice de su resistencia a fluir. Cuando se estudia la viscosidad se mide la facilidad con que los fluidos circulan a través de un tubo capilar

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Radio: R

Radio: r

dr

L

Resistencia de Rozamiento

F= (2rL)dv dr

Donde 2rL es el área de superficie del cilindro interno y dv/dr el gradiente de velocidad. Donde : Viscosidad

Pero la Fuerza es Presión x Area

Pr2= (2rL)dv

dr

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dv = P r dr 2 L

Despejando dv

dv = P rdr 2 L0

v

R

r

Integrando

v = P (R2 - r2) 4L

Válido únicamente para el flujo laminar

El flujo laminar depende de los diámetros

pequeños y de la rapidez de los flujos lentos

(capilares sanguíneos).FLUJO NO TURBULENTO

Si las condiciones varían la velocidad corresponde a un flujo TURBULENTO

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¿Cómo se puede diferenciar?

El número adimensional de Reynolds

Nr = Dv

: Densidad del Líquido D: Diámetro del capilar v: Velocidad : Viscosidad

Flujo laminar: Valores bajos con Nr

hasta 3000

El flujo turbulento para valores

altos mayores de 4000

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Velocidad de flujo: Q (V/t)

V = PR4

t 8L

V: Volumen P: Presión R: Radio del capilar L: Longitud: Viscosidadt :Tiempo de flujo

= PR4t V 8L

ECUACIÓN DE POISEUILLE

Esto se aprovecha para que mediante el viscosímetro de Ostwald se obtenga la viscosidad relativa de los líquidos donde solo se compara densidades y tiempos de flujo.

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VISCOSIDAD RELATIVA

A

B

Parte del viscosímetro de Ostwald

muestra = (.t)muestra

referencia (.t)referencia

Capilar

: Densidadt : Tiempo de flujo de A a B

La viscosidad relativa notiene unidades, por lo comúnla sustancia de comparación

es el agua

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UNIDADESMáxima Máxima velocidadvelocidad

PresiónPresión

Mínima Mínima velocidadvelocidad

Plano fijoPlano fijo

L

=L.P V

=L.F V.A

=L.F L.s-1.A

=F.s A

=Dinas.seg cm2

o = Gramo cm.seg

POISE

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Sustancia Unidad : cP = centipoises*Sustancia Unidad : cP = centipoises*

•Agua Agua 1,005 cP 1,005 cP

•Aceite de Oliva Aceite de Oliva 84 cP84 cP

•Sangre Sangre 2 a 4 cP2 a 4 cP

•PlasmaPlasma 2 cP2 cP

•Suero Suero 1,7 cP1,7 cP

•Líquido cefalorraquídeo Líquido cefalorraquídeo 1,024 cP 1,024 cP

•OrinaOrina 1,00 a 1,14 cP1,00 a 1,14 cP

Valores de Viscosidad

*1 Poise = 100 Centipoises

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Area de sección transversal y velocidad de flujo

Sección transversal

cm2

5000

4000

3000

2000

1000

50

40

30

20

10

AORTA ARTERIOLAS VENULAS VENA CAVA ARTERIAS CAPILARES VENAS

VELOCIDADcm/seg

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VISCOSIDAD DE LA SANGRE

A. Glóbulos más centrales, la pared del vaso roza con el plasma

Aorta o vaso grande: Mayor velocidad. Menor viscosidad

B.Capilares más periféricos, la pared del vaso roza con el plasmay con los glóbulos rojos. Éstos forman “pilas”

Capilares, Menor velocidad mayor viscosidad

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Relación entre presión y flujo

120

100

80

60

40

20

Aorta Arteriolas Vénulas Vena Cava Arterias Capilares Venas

PmmHg

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Gracias por su atención