viernes, 30 de agosto de 2019

10. FENOMENOS BIOFISICOS


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


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, 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. También podemos definir la tensión superficial como 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. 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

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 lugar donde medimos la presión (Ps)
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 es la propiedad de la materia por la cual se unen 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.
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 

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. 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.

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

Es la Elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido, por ejemplo, en las paredes de un tubo. La capilaridad, o acción capilar, depende de las fuerzas creadas por la tensión superficial y por el mojado de las paredes del tubo. Si las fuerzas de adhesión del líquido al sólido (mojado) superan a las fuerzas de cohesión dentro del líquido (tensión superficial), la superficie del líquido será cóncava y el líquido subirá por el tubo, es decir, ascenderá por encima del nivel hidrostático.
Difusión
Difusión simple:


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:

¿Qué pasa si una sustancia necesita ayuda para moverse por o a través de la membrana plasmática? La difusión facilitada es la difusión de solutos a través de proteínas de transporte en la membrana plasmática. La difusión facilitada es un tipo de transporte pasivo. A pesar de que la difusión facilitada implica proteínas de transporte, es considerada como transporte pasivo porque el soluto se está moviendo hacia abajo del gradiente de concentración
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

La ósmosis es un fenómeno físico relacionado con el comportamiento de un sólido como soluto de una solución ante una membrana semipermeable para el solvente, pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña 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 los seres vivos. La ósmosis es un fenómeno físico relacionado con el comportamiento de un sólido como soluto de una solución ante una membrana semipermeable para el solvente, pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión compleja a través de la membrana, sin “gasto de energía”. La ósmosis u osmosis es un fenómeno físico-químico que hace referencia al paso de disolvente, pero no de soluto, entre dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable. La ósmosis es un fenómeno biológico de importancia para la fisiología celular de los seres vivos.
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

La Osmosis Inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semi-permeable. Su nombre proviene de “osmosis”, el fenómeno natural por el cual se proveen de agua las células vegetales y animales para mantener la vida.
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

La diálisis es el proceso de separación de las partículas coloidales, en función de su tamaño, a través de una membrana dializadora. Esta membrana permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (sales minerales, iones) y de agua e impide el de las macromoléculas o partículas coloidales.
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

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.
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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