Un fenómeno es un cambio en la
Naturaleza que no modifica la composición de la materia.
-Mover un objeto de un sitio a otro.
-Doblar un papel.
-La formación de un huracán
-Dilatación del mercurio en un
termómetro
-Congelación del agua (en este caso, no
cambia la identidad de la materia porque el agua líquida ha pasado a agua
sólida).
Los fenómenos físicos son todos aquellos
que no cambian en la estructura interna de la materia.
Los fenómenos químicos son aquellos que
cambian la estructura interna de la materia. 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. Fenómenos de superficie:
Varios de los procesos biológicos tienen que ver con los diferentes fenómenos
que suceden en una superficie de contacto, que se encuentran especialmente
separadas en pequeñas partículas. Estas superficies se les conoce con el nombre
de interfaces y los fenómenos que en estas ocurren se les conoce como fenómenos
de superficie. Las fuerzas de cohesión y de repulsión intermolecular influyen
en las propiedades que se encuentran en la materia, tales como: el punto de
ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial.
Dentro de una interface, rodeando a una molécula se presentan atracciones
proporcionadas; en cambio en la superficie, dicha molécula se encuentra
únicamente rodeada por moléculas que son atraídas hacia el interior del líquido
por las moléculas que la rodean, al realizar dicho proceso el líquido se
comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible
Tensión superficial
Las fuerzas cohesivas entre las
moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido como
tensión superficial. Las moléculas de la superficie no tienen otras iguales
sobre todos sus lados, y por lo tanto se cohesionan más fuertemente, con
aquellas asociadas directamente en la superficie. Esto forma una película de
superficie, que hace más difícil mover un objeto a través de la superficie, que
cuando está completamente sumergido.
Presión hidrostática
Un fluido pesa y ejerce presión sobre
las paredes sobre el 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. El peso ejercido por el líquido sube a
medida que se incrementa la profundidad.
La presión hidrostática es directamente
proporcional al valor de la gravedad, la densidad del líquido y la profundidad
a la que se encuentra.
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 a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente
expresión: Donde, usando unidades del SI; Es la presión hidrostática (en pascales); Es
la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico); Es la aceleración de la gravedad (en metros
sobre segundo al Cuadrado); Es la altura del fluido (en metros). Un líquido en
equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en
su interior Es la presión atmosférica
Adhesión
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.
La cohesión es distinta 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.
Cohesion
Acción capilar
Aun cuando nunca haya escuchado sobre
acción capilar, de todas maneras, es importante en su vida. La acción capilar
es importante para mover el agua (y todas las cosas que están
disueltas en ella). Se define como el movimiento del
agua dentro de los espacios de un material poroso, debido a las fuerzas de
adhesión y a la tensión de la superficie.
La acción capilar ocurre porque el agua
es pegajosa, en tanto que las moléculas del agua se pegan unas a otras y a otras
substancias como el vidrio, la ropa, tejidos orgánicos y la tierra. Ponga una
toalla de papel dentro de un vaso de agua y el agua se le “pegará” a la toalla
de papel. Aún más, empezará el agua
A moverse hacia arriba de la toalla
hasta que el jalón de la gravedad sea mucho para ella y no pueda continuar.
Esto es más importante de lo que piensa:
Cuando vierte un vaso de agua en la mesa de la cocina, se forma una tensión
superficial que mantiene al líquido en un charquito sobre la mesa, en lugar de
una mancha delgada y grande que se extienda hasta el piso. Cuando usted coloca
la toalla de papel sobre el agua, el líquido se adhiere a las fibras de la
toalla. Las plantas y los árboles no podrían crecer sin acción capilar.
Las plantas ponen las raíces dentro de la
tierra y éstas son capaces de llevar agua de la tierra hacia la planta. El
agua, que contiene nutrientes disueltos, químicos y minerales se introduce
dentro de las raíces y empieza a elevarse por dentro de los tejidos de la
planta. Al momento que la molécula de agua #1 empieza a subir, ésta jala a la
molécula de agua #2, quien, a su vez, por supuesto, jala a la molécula de agua
#3, y así sucesivamente. Piense en los más pequeños vasos sanguíneos de sus
capilares. La mayor parte de su sangre es agua y la acción capilar ayuda a la
acción de bombeo que ejecuta su corazón al mantener su sangre moviéndose dentro
de sus vasos sanguíneos.
Capilaridad
Difusión
Proceso por el cual se produce un flujo
neto de moléculas pasa a través de una membrana permeable sin que exista un
aporte externo de energía. 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. 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.
Se denomina difusión simple al
proceso por el cual se produce un flujo 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
molecular 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:
Las pequeñas moléculas no polares pueden
difundirse fácilmente a través de la membrana celular. Sin embargo, debido a la
naturaleza hidrófoba de los lípidos que componen las membranas celulares, las
moléculas polares (como el agua) y los iones no pueden hacerlo. En su lugar, se
difunden a través de la membrana por medio de las proteínas de transporte.
Una proteína de transporte se extiende por toda la membrana y permite
que ciertas moléculas o iones se difundan a través de la membrana. Las
proteínas de canal, las proteínas de canal con compuerta y las proteínas
portadoras son tres tipos de proteínas de transporte que están involucradas en
la difusión facilitada.
Una proteína de canal, un tipo de
proteína de transporte, actúa como un poro en la membrana que permite que las
moléculas de agua o pequeños iones pasen rápidamente a través de la membrana.
Las proteínas de canal de agua (acuaporinas) permiten que el agua se difunda a
través de la membrana a un ritmo muy rápido. Las proteínas de canal de iones
permiten que los iones se difundan a través de la membrana.
Una proteína de canal con
compuerta es una proteína de transporte que abre una “puerta”, permitiendo
que una molécula pase a través de la membrana. Los canales con compuerta tienen
un sitio de unión que es específico para ciertas moléculas o iones. Un estímulo
provoca que la “puerta” se abra o se cierre. El estímulo puede ser señales
químicas o eléctricas, la temperatura o de fuerza mecánica, dependiendo del
tipo de canal. Por ejemplo, los canales de sodio de una célula nerviosa son
estimulados por una señal química que hace que se abran y permiten que entren
iones de sodio en la célula. Las moléculas de glucosa son demasiado grandes
para difundirse a través de la membrana plasmática con facilidad, por lo que
pasan por la membrana a través de canales con compuerta. De esta manera la
glucosa se difunde rápidamente a través de una membrana celular, lo cual es
importante porque muchas células dependen de la glucosa para obtener energía.
Una proteína transportadora es
una proteína de transporte que es específico para un ion, molécula o grupo de
sustancias. Las proteínas transportadoras “llevan” el ion o molécula través de
la membrana cambiando su forma luego de la unión del ion o molécula. Las
proteínas transportadoras están involucradas en el transporte pasivo y activo.
Un modelo de una proteína de canal y de proteínas transportadoras se muestra en
la Imagen siguiente.
Osmosis
Una membrana semipermeable es aquella que
contiene poros de tamaño molecular. El tamaño de los poros es minúsculo, por lo
que dejan pasar las moléculas pequeñas, pero no las grandes. Si una de estas
membranas separa un líquido en dos particiones, por ejemplo una de agua pura y
otra de agua con azúcar, suceden distintos fenómenos que son explicados con
los conceptos de potencial electroquímico y difusión simple.
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 hace que se produzca
un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial, que se
expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica. El
solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la
presión hidrostática equilibre la presión osmótica.
Osmosis Inversa
En el caso de la Osmosis, el solvente (no el
soluto) pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más
concentrada, a través de una membrana semi-permeable. Entre ambas soluciones
existe una diferencia de energía, originada en la diferencia de
concentraciones. El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar el
equilibrio. Si se agrega a la solución más concentrada, energía en forma de
presión, el flujo de solvente se detendrá cuando la presión aplicada sea igual
a la presión Osmótica Aparente entre las 2 soluciones. Esta presión Osmótica
Aparente es una medida de la diferencia de energía potencial entre ambas
soluciones. Si se aplica una presión mayor a la solución más concentrada, el
solvente comenzará a fluir en el sentido inverso. Se trata de la Osmosis Inversa.
El flujo de solvente es una función de la presión aplicada, de la presión
osmótica aparente y del área de la membrana presurizada.
Los componentes básicos de una instalación
típica de osmosis inversa consisten en un tubo de presión conteniendo la membrana,
aunque normalmente se utilizan varios de estos tubos, ordenados en serie o
paralelo. Una bomba suministra en forma continua el fluido a tratar a los tubos
de presión, y, además, es la encargada en la práctica de suministrar la presión
necesaria para producir el proceso. Una válvula reguladora en la corriente de
concentrado, es la encargada de controlar la misma dentro de los elementos (se
denominan así a las membranas convenientemente dispuestas).
Hoy en día, hay 3 configuraciones posibles
de la membrana: el elemento tubular, el elemento espiral y el elemento de
fibras huecas. Más del 60% de los sistemas instalados en el mundo trabajan con
elementos en espiral debido a 2 ventajas apreciables:
·
Buena relación área de
membrana/volumen del elemento.
·
Diseño que le permite
ser usado sin dificultades de operación en la mayoría de las aplicaciones, ya
que admite un fluido con una turbiedad más de 3 veces mayor que los elementos
de fibra hueca.
Este elemento fue desarrollado a mediados de
la década del 60, bajo contrato de la oficina de aguas salinas. En la
actualidad estos elementos se fabrican con membranas de acetato de celulosa o
poliamidas y con distintos grados de rechazo y producción.
Diálisis
Cuando
la membrana que separa dos disoluciones deja pasar, además de agua, los solutos
de menor tamaño, se produce el fenómeno denominado diálisis. Las moléculas de
bajo peso molecular pasan desde la disolución en la que se encuentran en mayor
concentración hacia la disolución en la que se encuentran en menos
concentración.
Adsorción
En
química, la adsorción de una sustancia es la acumulación de una sustancia en
una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la
formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo
sólido o líquido.
Considérese
una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del
material, todos los enlaces químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos)
de los átomos constituyentes están satisfechos. En cambio, por definición la
superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces
incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre
disponible, y por ello se produce de forma espontánea. Los procesos de
adsorción son empleados para purificar y separar substancias. El sólido es el
adsorbente y la especie que se adhiere sobre la superficie es el adsorbato.
La
naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes
implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado como
fisisorbido o quimisorbido.
Tipos
de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente
ü
Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se
concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en
los lugares cargados de la superficie (p. ej. En las cercanías de un electrodo
cargado).
ü
Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la
molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por
ello está libre de trasladarse en la interface.
ü Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos
del adsorbente.
·
Fisisorción
La
fisisorción es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas
atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas).
Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier
superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material
fisisorbido.
·
Quimisorción
La
quimisorción ocurre cuando un enlace químico se forma, definido en este caso
como un intercambio de electrones. El grado de intercambio y lo simétrico que
sea dependen de los materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con
las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es
particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en
la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el
reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La
adsorción del reactivo por la superficie del catalizador crea un enlace
químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactiva y
permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras
circunstancias. La corrosión es un ejemplo de ello.
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