3 Sisteme Disperse MG

7/30/2019 3 Sisteme Disperse MG

1/15

Curs Biofizica MG 2008 2009 Biofizica sistemelor disperse

BIOFIZICA SISTEMELOR DISPERSE

Definiia i clasificarea sistemelor dispersePrin sistem dispers nelegem un amestec de dou sau mai multe substane,

avnd o component dispersant (solventul) i una dispersat (solvitul). Solventul

reprezint elementul activ, iar solvitul elementul relativ pasiv, deoarece i acestainflueneaz caracteristicile sistemului.

ConcentraiaPentru caracterizarea sistemelor disperse din punct de vedere cantitativ se

folosete un parametru intensiv de stare numit concentraie. Unitatea de msur aconcentraiei molare n SI (sistemul internaional de mrimi i uniti) este numrul deKmoli de solvit pe unitatea de volum de soluie (Kmoli/m3):

solutie

solvitm

VC

= , [ ] 3..

m

KmolC

ISm=

Concentraia molal (molalitate) reprezint numrul de moli de solvit la 1 kg desolvent.

Concentraia procentual de mas exprim masa de solvit aflat n 100 degrame de solvent, n timp ce concentraia volumic arat cte grame de solvit segsesc n 100 ml de soluie.

Concentraia normal (normalitate) pentru soluii de electrolit reprezint numrulde echivalent de solvit la 1 litru de soluie (un echivalent este egal cu cantitatea desubstan care conine NA de sarcini electrice elementare).

Clasificarea sistemelor disperse

Sistemele disperse se clasific n funcie de dimensiunile particulelor, starea deagregare a dispersantului, afinitatea dintre componeni sau tipul fazelor componente(faza reprezint o parte omogen a unui sistem, la suprafeele de separare de celelaltepri aprnd variaii brute ale proprietilor fizico - chimice).

Pentru a caracteriza complet un sistem dispers, trebuie luate n considerare toateaceste criterii.

1. Pornind de la dimensiunile particulelor solvitului, se definete gradul dedispersie ca fiind inversul diametrului particulelor solvitului d:

d

1=

n funcie de care se disting:

- soluii adevrate (moleculare) > 109 m-1, d < 1 nm, aceasta este invizibil lamicroscopul optic sau la ultramicroscop- soluii coloidale 107 m-1 < < 109 m-1, 1 nm < d< 100 nm, vizibil la ultramicroscop- suspensii < 107 m-1, d> 100 nm, vizibil la microscopul optic sau chiar cu ochiulliber.

Deoarece n aplicarea acestui criteriu de clasificare se pornete de la premisa caparticulele solvitului sunt sferice, nu putem aplica aceast clasificare hidrocarburilorcare sunt molecule lungi.

2. n funcie de starea de agregare a solventului (solvitul putnd fi gaz, lichidsau solid) sistemele disperse pot fi:

- gazoase substana dispersant este un gaz (amestecurile gazoase, vaporii n aer,ceaa)- lichide substana dispersant este un lichid (lichide nemiscibile, lichid n gaz, soluiide electrolit)

1


2/15


- solide substana dispersant este un solid (unele aliaje)3. n funcie de afinitatea dintre componeni sistemele disperse sunt:

- liofile (exist afinitate ntre solvit i solvent)- liofobe (nu exist afinitate ntre solvit i solvent)

4. Din punct de vedere al tipului fazelor componente sistemele disperse pot fi:- monofazice, care pot fi omogene (proprieti identice n toate punctele sistemului) i

neomogene (proprietile difer de la un punct la altul)-polifazice - heterogene: ntre prile componente exist suprafee de separare. (ceaa,aerosoli, spuma : lichid i gaz, gel : solid cu lichid)

n organism exist soluii adevrate, coloizi i suspensiin care dispersantuleste lichid, comportamentul lichidelor biologice fiind complex, avnd proprieticonjugate tuturor celor trei clase de sisteme disperse.

De exemplu, sngele este soluie pentru cristaloizi (Na, Cl, K), coloid (deoarececonine proteine: serumalbumine, globuline), suspensie (datorit prezenei elementelorfigurate).

Lichidul cefalo rahidian (LCR) are substane cristaloide, deci este soluie, n

concentraie sczut are i albumine, deci este coloid, are i foarte rare celuleendoteliale i limfocite, fiind astfel reprezentati componenta de suspensie.

Soluiile moleculareAu diametrul particulelor solviilor mai mic dect 1 nm, sunt sisteme omogene,

monofazice, starea de agregare a solventului putnd fi oricare (gazoas, lichid sausolid). Solventul este constituentul lichid aflat n cantitate cea mai mare al soluieimoleculare. Excepie de la aceast regul face apa care este ntotdeauna solventul (deexemplu, o soluie de alcool 75% are ca solvent apa). Soluiile apoase sunt de foartemare importan n medicin.

Pentru studiul teoretic al sistemelor disperse se folosete conceptul de soluieideal caracterizat prin faptul c este foarte diluat. Soluia nu mai este ideal atuncicnd concentraia ei crete. Concentraia limit a solvitului la care acesta nu se maidizolv, ci precipit se numete solubilitate, iar soluia obinut se numete soluiesaturat. Solubilitatea unei soluii depinde de natura solventului i a solvitului (nu toatesubstanele produc soluii saturate, exist substane care formeaz faze omogene,indiferent de concentraie), temperatur i de presiune. Saturaia este o stare deechilibru, condus de legile termodinamice ale echilibrului.

Solubilitatea se poate explica pornind de la interaciunile care exist ntreparticulele de solvent i particulele de solvit. Dac interaciunea dintre tipurile diferitede particule este mai puternic dect interaciunea dintre particulele aceleiai faze,

solubilitatea crete, soluia se formeaz spontan, particulele de solvit sunt nglobatentre particulele de solvent.

SuspensiileSunt sisteme disperse care au gradul de dispersie cuprins n intervalul

105 107 m-1, dimensiunile particulelor lor fiind mai mari dect 10-7 m i mai mici dect10-5 m. Suspensiile pot fi solide i lichide sau gazoase.

Suspensiile medicamentoase sunt suspensii solide care se prepar printr-omrunire mecanici dispersarea particulelor n mediul de dispersie sau prin scdereasolubilitii anumitor substane dizolvate. Aerosolii care se administreaz sub form deinhalaie se obin prin pulverizarea unor soluii de substane medicamentoase solide

dizolvate ntr-un lichid. Stabilitatea suspensiilor crete cu gradul de dispersie (scdereadimensiunilor particulelor solvitului) deoarece particulele mai mici sunt mai bine inute nsuspensie prin fenomenele de tensiune superficial.

2


3/15


EmulsiileSunt sisteme alctuite dintr-un lichid dispersat ntr-un lichid (laptele care este o

emulsie de globule mici de grsime ntr-o soluie apoas de sruri minerale, lactoz,proteine etc.), dintr-un gaz dispersat ntr-un lichid (spuma) sau dintr-un lichid dispersatntr-un gaz (ceaa). Formarea unei emulsii presupune o cretere a suprafeei interfaciale

dintre cele dou faze nemiscibile (Fig. 1), i este nsoit de o cretere a energiei libere.

Fig.1 Formarea unei emulsii la punerea n contact a dou faze nemiscibile lichide

Datorit instabilitii lor, emusiile pot constitui poteniale rezervoare de substanncapsulat ce poate fi eliberat n condiii variabile. O parte a aplicaiilor implicdomeniul farmaceutic uman, emulsiile ap/ulei/ap fiind investigate ca vehiculepoteniale ale medicamentelor hidrofile (vaccinuri, vitamine, enzime, hormoni), ce pot fieliberate apoi progresiv, n mod controlat.

Emulsiile pot fi folosite n nutriie (ca surse concentrate de calorii), nadministrarea vaccinurilor (emulsiile putnd prezenta efecte adjuvante), n eliberarecontrolat de medicamente (permind ncorporarea de medicamente hidrofile /hidrofobe n cantiti mari, medicamentul nefiind n contact direct cu fluidele i esuturileorganismului), la stabilizarea chimic a medicamentelor care hidrolizeaz rapid n soluiiapoase.

Soluii de gaz n lichid - Legea lui HenryConform legii lui Henry, cantitatea de gaz ce se dizolv n unitatea de volum de

lichid este proporional cu presiunea gazului de deasupra lichidului (sau cu presiuneaparial a gazului in amestec).Cel mai bun exemplu pentru nelegerea acestei legi const n observarea

fenomenelor care au loc la deschiderea unui recipient care conine un lichid gazos (apcarbogazoas, de exemplu). Se observ cum apar bule de aer la suprafaa lichiduluideoarece bioxidul de carbon, aflat la presiune mai mare dect cea atmosferic, decidizolvat n cantitate mai mare, prsete amestecul, ca rezultat al egalizrii presiuniipariale cu presiunea atmosferic. Similar, azotul care este un gaz inert, n mod normaldepozitat n esuturile vii i n snge, va ncerca s prseasc esuturile i fluidelecorpului dac acestea sunt supuse unei diferene brute de presiune, cum ar fi cazulunui scafandru care iese foarte rapid de la o adncime foarte mare. Apare boala de

decompresie care se manifest prin erupii cutanate, dureri articulare, paralizie, putndduce chiar la deces.

3


4/15


Dizolvarea gazelor n lichide se face pn la saturaie (la temperaturi presiunedate, cantitatea dizolvat atinge o valoare limit).

Gazele sunt din ce n ce mai puin solubile pe msur ce temperatura crete,cnd lichidul fierbe, gazele fiind eliminate. Dintr-un amestec de gaze, aflate n prezenaunui lichid, fiecare gaz se dizolv ca i cum ar fi singur n lichidul dizolvant. La otemperatur dat, cantitatea de gaz dizolvat n lichid este proporional cu presiunea

pe care o exercit gazul asupra lichidului dup ce s-a dizolvat cantitatea maxim de gazposibil n condiiile date.Coeficientul de solubilitate reprezint volumul de gaz (n condiii normale de

presiune i temperatur) care se dizolv ntr-un litru de lichid. Acesta depinde de naturagazului i de natura lichidului. Oxigenul este mai solubil n api n lichidele biologicedect hidrogenul.

Dizolvarea gazelor n snge i esuturiConform legii lui Henry, cantitatea de gaz dizolvat ntr-un lichid crete cu

creterea presiunii sale de deasupra lichidului, solubilitatea gazelor n snge crescnd

dup o lege exponenial, constanta de timp a procesului depinznd de tipul de esut.Din acest punct de vedere esuturile pot fi rapide sau lente i din acest motiv apare odiferen de presiune (disbarism) ntre diferite esuturi, ca ntre snge i esuturi,important n special la decompresie (exemplu ar fi revenirea scafandrilor la suprafa).Eliminarea gazelor inerte la decompresie este mai rapid n snge dect n esuturi, prinurmare poate aprea situaia n care exist n snge bule de gaz (aa numitele emboliigazoase). Accidentele grave se datoreaz localizrii emboliilor la nivelul arterelorcreierului i mduvei spinrii. Apariia emboliilor poate fi prevenit prin decompresielent.

n cazul hiperoxiei (la p > 1,7 atm) apar efecte toxice asupra sistemului nervoscentral (grea, ameeli, convulsii). Dei mecanismul prin care apar aceste efecte toxicenu este complet elucidat, se avanseaz ideea c producerea de radicali liberi esteresponsabil pentru producerea acestora.

n cazul scafandrilor, la adncimi foarte mari, apare aa numita beie aadncurilor care se manifest cu simptome similare primelor stadii ale anestezieigenerale i care este datorat creterii presiunii gazelor inerte. Heliul intr n organismi l i prsete mai rapid dect azotul, astfel c pentru scufundri de trei sau patruore, organismul uman atinge saturaia cu He. De aceea, pentru astfel de scufundri,timpul de decompresie este mai scurt dect n cazul n care s-ar folosi amestecurigazoase pe baz de azot (cum este cazul aerului atmosferic). De aceea, n amesteculgazos furnizat scafandrilor se folosete He. Din acest amestec este complet ndeprtat

CO2 care se acumuleaz n esuturi, cu efect toxic, ducnd la acidoz (dei lasuprapresiuni mici are un efect stimulator).

Proprietile coligative ale soluiilorProprietile coligative ale soluiilor nu depind de tipul solvitului, ci doar de tipul

solventului. Interaciunea solvent-solvit duce la:- scderea presiunii vaporilor saturani ai solventului;- scderea punctului de congelare proporional cu concentraia molar, conform legiilui Raoult

T =kcrcM

unde kcr se numete constanta crioscopici reprezint scderea T la dizolvarea unuimol de substan ntr-un litru de soluie ;

4


5/15


- creterea punctului de fierbere. Deoarece scade presiunea vaporilor saturani,trebuie s creasc temperatura de fierbere, fierberea aprnd n momentul n carepresiunea vaporilor saturani de deasupra lichidului devine egal cu presiuneaatmosferic. Ori, presiunea vaporilor saturani crete cu temperatura. n legea luiRaoult, care este respectat, n locul constantei crioscopice apare keb - constantaebulioscopic.

Proprietile electrice ale soluiilorDisocierea electroliilor este favorizat de permitivitatea electric foarte mare a

apei (de 80 de ori mai mare dect a vidului), precum i de faptul c apa este un dipolelectric. Deoarece n soluia format n urma dizolvrii unui electrolit exist purttori desarcin liberi, aceasta are o rezisten electric mult mai mic dect a apei pure.

Definim gradul de disociere ca fiind raportul dintre numrul n de moleculedisociate i numrul total de molecule dizolvate din soluie. Exist electrolii tari caresunt complet disociai n soluie apoasi electrolii slabi care sunt doar parial disociain soluie apoas.

Gradul de disociere depinde invers proporional de concentraia electrolitului, la

diluie infinit, electroliii fiind total disociai.Conductivitatea unei soluii () definit ca fiind inversul rezistivitii () = 1/ ,

este funcie de concentraia purttorilor de sarcin, valen, mobilitate, caracteristicilesoluiei. ntr-o soluie de electrolit existi ioni negativi i ioni pozitivi, conductivitateasoluiei fiind dat de suma conductivitilor ionilor de semne contrare. Datoritinteraciunii dintre ioni, doar o fraciune fdin concentraia total de ioni din soluie poateparticipa liber la conducie. Aceast fraciune fse numete coeficient de activitate.

Activitateaa a unei soluii este dat de relaia:a = fC

Activitatea reprezint concentraia unei soluii ideale care ar prezenta aceeaiconductivitate ca soluia real. ntr-o soluie ideal: f = 1 (conductivitate total) i deci:a = C

Cnd exist mai muli ioni n soluie, cmpul electric generat de acetia depindede concentraie, de valeni de interaciunea dintre ioni. Tria ionic I ine seama detoi aceti factori i matematic se scrie astfel:

I = Cizi2

Poteniale ionice. Legea lui Nernst.Se consider un metal (electrod) imersat ntr-o soluie care conine una din

srurile sale (Fig. 2).

Fig. 2

5


6/15


Apare un potenial V, metalul tinde s se ionizeze i s se dizolve n soluie. Ioniisoluiei tind s se recombine cu electrodul. La echilibru debitul de ioni n cele douprocese este acelai. Travaliul de dizolvare este egal cu travaliul electric al recombinriiionilor cu electrodul:

RT ln c = zFVExperimental diferena de potenial se msoar ntre dou soluii de concentraii c1, c2:

RT (ln c2 - ln c1) = zF (V2 - V1) = zFEsauE = (RT/zF) ln(c2/c1)

Aceasta este o ecuaie de tip Nernst i are o larg aplicabilitate n fenomenele detransport prin membranele celulare.

Proprieti optice ale soluiilorSunt folosite pentru analiza calitativi cantitativ a substanelor n soluie, prin

diferite tehnici, cum ar fi:- Refractometria este o metod prin care, n urma msurrii indicelui de refracie

al unei soluii se poate determina concentraia acesteia datorit interdependenei dintreaceste dou mrimi, n = f(c). n laboratoarele de analize medicale poate fi folosit ladeterminarea glicozuriei, adic a concentraie de glucoz n urin n caz de diabet(altfel, glucoza nu este decelabil n urin).

- Polarimetria este o metod pe baza creia se poate calcula concentraia uneisoluii optic active (substan care rotete planul luminii polarizate (Fig. 3) n urmamsurrii unghiului de rotire a planului de polarizare a luminii (Fig. 4), unghi directproporional cu concentraia substanei optic active i cu grosimea stratului de substanstrbtut. Aceast metod se bazeaz pe faptul c substanele organice care au celpuin un carbon asimetric sunt optic active, adic exist dou structuri spaiale diferitesimetrice n oglind corespunztoare aceleiai formule moleculare.

Fig.3 Orientarea vectorului electric al undei electromagnetice luminoase n luminanepolarizat (natural) i n lumina polarizat liniar

n mod normal, n organism se sintetizeazi se reine numai una dintre celedou structuri, n funcie de tipul acesteia. De exemplu, aminoacizii sunt levogiri (L), iarglucidele sunt dextrogire (D).

6


7/15


Fig.4 O substan optic activ rotete planul luminii polarizate cu un unghiproporional cu concentraia sa n soluie

- Spectrofotometria de absorbie este o metod care permite analiza calitativicantitativ a unor soluii. Fiecare tip de molecul are un spectru de absorbie specific.Absorbia luminii se face conform legii Beer Lambert:

I1 = I0e- l c

unde I1 reprezint intensitatea fasciculului emergent (Fig. 5), I0 reprezint intensitatealuminoas a fasciculului incident, c este concentraia solvitului, iar este o constant dematerial.

Fig. 5 Atenuarea intensitii fasciculului emergent dup absorbie

Spectrele de absorbie n vizibil i ultraviolet corespund excitrii electronice, iarcele din IR rotaiei i vibraiei moleculare.

Analiza calitativ care poate fi efectuat se refer la identificarea substanelordintr-un amestec, determinarea entropiei i a capacitii calorice, determinarea tipuluilegturilor chimice.

Analiza cantitativ permite evaluarea cantitativ a concentraiei substanelor,

determinarea puritii unei substane.Spectrele de absorbie ale soluiilor pot fi influenate de natura solventului,

valoareapH-ului (dac n soluie se afl dou substane ce se pot transforma una n alta, curbelede extincie pentru diferite pH-uri se intersecteaz n punctul izobestic ; modificarea pH-ului se observ prin virarea culorii), concentraia soluiei (apariia a dou puncteizobestice, datorit concentraiilor mari la care pot s apar asociaii moleculare, celedou puncte izobestice corespunznd monomerului i dimerului, respectiv),temperatur (agitaia termic inhib formarea dimerilor, aadar creterea temperaturiiare efect invers dect cel al creterii concentraiei), iradierea substanei.

7


8/15


Fenomene de transport n soluiin cazul n care ntr-un sistem exist gradieni de concentraie, potenial sau

presiune are loc un transport de substan orientat spre atingerea unei stri de echilibrutermodinamic. Transportul de substan n cazul soluiilor se poate face prin doumoduri : prin difuzie care reprezint transportul de solvit sub aciunea gradientuluielectrochimic i prin osmoz care reprezint transportul de solvent sub aciunea

gradientului de presiune. Cele dou fenomene pot fi simultane.

Difuzia simpl (Fig. 6)Difuzia const n transportul de substan din regiunile cu concentraie mai mare

spre cele cu concentraie mai mic, realizat exclusiv prin micrile de agitaie termic.

Fig. 6 Difuzia simpl are loc datorit gradientului de concentraie

Difuzia este descris de cele dou legi ale lui Fick.Legea I a lui Fick: Cantitatea de substan d care difuzeaza n timpul dtprintr-o

seciune de arieA este proporional cu gradientul de concentraiedx

dc, cu dti cu aria

A:

dtdx

dcDAd =

sau

dx

dcDA

dt

d=

unde D este coeficientul de difuzie care se msoar n S.I. n m2/s (D este definit cafiind cantitatea de substan care difuzeaz n unitatea de timp prin unitatea desuprafa, pentru un gradient de concentraie egal cu unitatea), iar d/dt reprezintviteza de difuzie. Semnul minus apare deoarece fluxul de substan este ndreptat de laconcentraie mare la concentraie mic, adic n sensul gradientului de concentraie.

Este valabil numai cnd distribuia de concentraie nu se modific n timp, adic atuncicnd are loc o difuzie staionar.n cazul n care difuzia este non-staionar concentraia variazi n timp i este

guvernat de legea a doua a lui Fick: Variaia n timp a concentraiei ntr-o regiune data soluiei este proporional cu variaia n spaiu a gradientului de concentraie.

2

2

dx

CdD

dt

dC=

Coeficientul de difuzie D (acelai din legea I a lui Fick) este proporional cu vitezade difuzie a particulelor care depinde de temperatur, de vscozitatea lichidului i demrimea particulelor.

8


9/15


Difuzia prin membraneO pelicul de grosime neglijabil fa de aria suprafeei, care desparte dou

medii avnd caracteristici fizico-chimice diferite constituie o membran. Deosebim maimulte tipuri de membrane:- membrane permeabile (care permit trecerea tuturor componenilor unei soluii n modegal, i inegal permeabile, care permit trecerea componenilor soluiei n mod diferit)

- selectiv permeabile (permit trecerea numai a unor componeni)- semipermeabile (permit doar solventului s le strbat)- ireciproc permeabile (permit trecerea solvitul numai ntr-un sens).

Membrane permeabilen cazul n care dou compartimente care conin aceeai soluie, dar n

concentraii diferite, sunt separate de o membran de grosime , n desfurareadifuziei se ine cont i de coeficientul de partiie care reprezint raportul dintresolubilitatea solvitului n membrani cea a solventului.

Legea I-a a lui Fick pentru membrane se va scrie:

( ) ( ) cPAcADccDAdxcdDAdtd ====

12

unde parametrul

=D

P reprezint coeficientul de permeabilitate a membranei pentru

solvit.

Difuzia electroliilorDac, pe lng gradientul de concentraie, ntre cele dou compartimente

separate de o membran permeabil existi un gradient de potenial E = V, apare un

transport de ioni, dirijat nspre stabilirea echilibrului electric. n final, fluxurile desubstan vor tinde la realizarea unui echilibru electrochimic. Energia potenial totaltrebuie s fie aceeai n ambele compartimente.Energia potenial chimic (potenialul chimic):

c = Wp,chim = 0 +RT lncEnergia potenial electric:

Wp,el = zFVEnergia potenial total:

Wp = 0 + RT ln c + zFVWp estepotenialul electrochimical substanei.

Diferena de potenial electrochimic ntre dou compartimente pentru care nu s-astabilit un echilibru va fi :Wp = 0 + RT ln c2 + zFV2 - (0 + RT ln c1 + zFV1) = RT ln c2/c1 + zFE

La echilibru Wp = 0, de unde:-RT ln c2/c1 = zFE

E = (RT/zF )ln (c1/c2)Aceasta este o ecuaie de tip Nernst. Pentru moli:

E = ( RT/zF )ln (c1/c2)Exemplu:se consider cazul unor membrane inegal permeabile pentru diferite

specii sau selectiv permeabile. Dou compartimente sunt separate printr-o membraninegal permeabil, n ambele compartimente se gsete NaCl dar n concentraii

diferite, c1i c2. Permeabilitile pentru Na+i Cl- sunt i ele diferite: PNa < PCl. Clorul seacumuleaz pe faa a doua a membranei (datorit gradientului de concentraie). Se

9


10/15


creeaz un gradient de potenial care favorizeaz difuzia Na+. La echilibru apare odiferen de concentraie dependent de permeabilitate.

OsmozaEste fenomenul de difuzie a solventului dinspre soluia mai diluat nspre cea

mai concentrat printr-o membran semipermeabil.Presiunea osmotic reprezint presiunea mecanic necesar pentrumpiedicarea osmozei i se datoreaz micrii de agitaie termic a moleculelor desolvit care ciocnesc membrana pe o singur parte neputnd s o strbat (Fig. 7).

Fig. 7 Presiunea osmotic este datorat moleculelor de solvit care ciocnesc membranasemipermeabil neputnd trece.

Osmolul reprezint cantitatea de substan care, dizolvat n solvent, sedisperseaz ntr-un numr de particule osmotic active (capabile s se agite termic, dar

nu s traverseze membrana) egal cu numrul lui Avogadro NA.

Fig. 8 Principiul de funcionare al osmometrului Dutrochet

Aparatul cu care se msoar aceast presiune este osmometrul Dutrochet. nvasul mare (Fig. 8) se gsete solventul pur, iar n tubul nchis n partea inferioar cu omembran semipermeabil se afl o soluie cu acelai solvent.

Moleculele de solvit neputnd strbate membrane semipermeabil o s apar unflux de solvent dinspre vasul mare spre tub i nivelul lichidului n tub va crete, ducndla diluarea soluiei din tub. Sistemul ajunge n starea de echilibru atunci cnd presiuneahidrostatic gh exercitat de lichidul care a urcat n tub este egal cu presiuneaexercitat de soluie .

10


11/15


Legile presiunii osmoticeLegile presiunii osmotice se aseamn cu legile gazelor, Vant Hoff fiind cel care

a propus similitudinea presiunii osmotice cu presiunea gazelor, moleculele dizolvatentr-un lichid comportndu-se ca moleculele unui gaz aflat ntr-un vas. Legile presiuniiosmotice sunt legi deduse experimental.1. La temperatur constant, presiunea osmotic a unei soluii este proporional cu

concentraia molar a soluiei (numrul de moli de solvit ntr-un litru de soluie).

c

unde c este concentraia molar. Trecnd de la directa proporionalitate la egalitate,obinem : = kTc, iar constanta are valoareakT = 22,4 10

3 Nm/mol. Adar, presiuneaosmotic este invers proporional cu volumul, similar legii transformrii izoterme agazelor.

2. La concentraie constant, presiunea osmotic este direct proporional cutemperatura

T

Sau = kcT, enun similar cu cel al legii transformrii izocore a gazelor ideale.3. Presiunea osmotic a unei soluii n care faza dispersat este alctuit din substanediferite, este egal cu suma presiunilor osmotice ale fiecrei soluii n parte, iar fiecaresubstan dizolvat i are presiunea ei proprie, ca i cum s-ar afla dizolvat singur nntreaga cantitate de solvent. Aceast lege este analoag legii lui Dalton cu privire lapresiunea total a unui amestec de gaze, care egal cu suma presiunilor pariale alecomponentelor.4. Presiunea osmotic a unei soluii este independent de natura substanei dizolvate,

ea depinde numai de numrul moleculelor din soluie. Astfel, soluiile de concentraiimolare egale ale diferitelor substane au aceeai presiune osmotic dac nu intervinalte fenomene. Aceast lege este similar legii lui Avogadro care afirm c acelainumr de molecule ocup acelai volum i exercit aceeai presiune, la temperaturdat. De exemplu, o soluie de zahr 1M (340 g/l) exercit o presiune osmotic egalcu cea exercitat de o soluie 1M de glucoz sau de acid tartric. Dac n loc de ap sefolosete alt solvent, la aceeai concentraie molar, presiunea osmotic rmnenemodificat, deoarece, fiecare molecul, indiferent de tipul ei, exercit aceeaipresiune osmotic.

Combinnd cele dou relaii (legile 1 i 2) se obine c :

= kcTS-a constatat c: k R.Dar c = /V, de unde:

= RT/V i: V = RT

Aceasta este legea Vant Hoff, similar ecuaiei termice de stare pentru gazul ideal.Pentru soluiile disociate de electrolii presiunea osmotic are expresia :

V = i RTunde i este indicele de disociere.

Travaliul osmotic este lucrul mecanic efectuat de solvent la traversarea uneimembrane semipermeabile (similar cu lucrul mecanic efectuat de un gaz ideal ntr-otransformare izoterm):

W = RT ln c1/c2

11


12/15


c1, c2 - concentraiile molale iniiali final ale soluiei, - numrul de moli de solvent.

Msurarea presiunii osmoticeSe poate face prin:

1. Utilizarea osmometrului Dutrochet2. Metoda crioscopic prin care se determin diferena dintre temperatura de nghe asoluiei i cea a solventului pur T, diferen care este direct proporional cuconcentraia osmolar a soluiei. Constanta se numete crioscopic i este numericegal cu valoarea cu care scade temperatura de nghe a unei soluii avndconcentraia de 1 osmol la litru de solvent, fa de temperatura de nghe a solventuluipur. Toate soluiile moleculare coboar punctul de congelare al apei cu 1,86 gradeCelsius. Important de reinut c aceast coborre a punctului de nghe este directproporional nu cu concentraia procentual a soluiei ci cu cea molar. Aadar, pentrusolvent ap, la o concentraie de 1 osmol, punctul de nghe ajunge la -1,86oC,constanta crioscopic kcr = 1,86.10

-3 m3K/mol, iar kT = 22,4.102 N.m/mol, se obine

valoarea presiunii osmotice a apei de 12 T .Exemple de crioscopie clinic. Serul uman normal nghea la -0,56oC.

Aceasta nseamn c presiunea osmotic a serului este de 6,72 atm. Constanapunctului de congelare a serului este remarcabili este aproape imposibil s-l facems varieze, chiar prin ingerarea unei cantiti importante de NaCl. Rezultateleexperimentale arat c serul sanguin se comport ca o soluie apoas de concentraie0,3M. O soluie de NaCl n ap cu concentraia de 9%o produce aceeai coborrecrioscopic de 0,56 i are aceeai presiune osmotic precum serul sanguin. De aici,soluia NaCl 9 %o se mai numete curent, dar impropriu ser fiziologic. Oricum,presiunea osmotic a sngelui este dat de electrolii, adic de srurile de Na, K, Ca,Mg.

Anumite stri patologice fac s varieze punctul de congelare a serului; dacrinichii nu funcioneaz normal, concentraia serului se mrete, cobornd punctul decongelare.

Urina are punctul de congelare la -1,5oC, n general urina nghea la otemperatur variabil n intervalul -1 i -3,5 grade Celsius. Amplitudinea osmotic estemult micorat, n anumite cazuri de nefrite, cnd rmne aproape invariabil cu totexcesul de ap ingerat. Fenomenul se observ prin retenie de api prin apariia deedeme.3. Metoda ebulioscopic msoar diferena dintre temperatura de fierbere a soluiei icea a solventului pur, diferen care depinde direct proporional de concentraia

osmolar, prin constanta ebulioscopic

Transportul apei prin membraneS considerm o membran semipermeabil de-o parte i de alta a creia se

afl soluii diferite, de concentraii diferite. Fluxul de ap Japa prin membranreprezentat de numrul de moli de ap ce traverseaz unitatea de suprafa amembranei n unitatea de timp se poate scrie astfel:

Japa = - Papa (p -)

unde Papa reprezint coeficientul hidrodinamic de permeabilitate al membranei (acestadepinde de grosimea membranei i de mobilitatea apei prin membran), p reprezint

diferena dintre presiunile efective de-o parte i alta a membranei, iar reprezintdiferena dintre presiunile osmotice ale soluiilor aflate de-o parte i alta a membranei.Dar = RTc, = RTc, unde c este diferena dintre concentraiile osmolale:

12


13/15


Japa = -Papa ( p - RT c)

n cazul n care membrana nu este perfect semipermeabil, se utilizeazcoeficientul de semipermeabilitate definit ca fiind raportul dintre fluxul osmotic real ifluxul osmotic printr-o membran semipermeabil.

Dac n soluiile separate de membran exist mai multe specii de solvii avndcoeficienii de permeabilitatea i i diferenele de concentraie ci se poate exprimafluxul de ap prin membrana n felul urmtor:

=

=

n

i

iiapaapa cRTpPJ1

Deosebim dou cazuri distincte, funcie de valorile relative ale diferenei dintrepresiunile efective de o parte i de alta a membranei, p, i diferena dintre presiunileosmotice ale soluiilor aflate de-o parte i alta a membranei :- dac p > are loc ultrafiltrarea (sub aciunea presiunii mecanice apa trece n

cellalt compartiment (fiindc numai ea poate trece). Ultrafiltrarea reprezint separareacoloizilori a macromoleculelor de cristaloizi i de moleculele mici, prin difuzia acestoraprintr-o membran sub aciunea unui gradient de presiune (prin aceasta deosebindu-sede dializ). Presiunea are rolul nu att de a accelera ultrafiltrarea, ct s mpiediceendosmoza.- dacp < se produce osmoza.

Membranele biologice sunt selectiv permeabile, deci osmoza este ntotdeaunansoit de difuzie. Contribuia proteinelor la presiunea osmotic a lichidelor biologiceeste mic, dar ele determin o repartiie inegal a cristaloizilor.

Osmoza n biologie

Compoziia osmolari ionic a fluidelor biologice este aceeai. Dac o soluieurmeaza a fi injectat, ea trebuie s aib aceeai presiune osmotic ca a plasmeisanguine - soluie izotonic(izoosmotic). n caz contrar apar dou posibiliti (Fig. 9):- soluie hipertonic (hiperosmotic) soluie > plasm: apa prsete hematiile, acesteamicorndu-i volumul;- soluie hipotonic (hipoosmotic) soluie < plasm: se produce hemoliz, hematiile imresc volumul datorit influxului masiv de api se sparg.

Izotonicitatea lichidelor biologice se face prin schimburi de api electrolii, lanivel tisular. Cnd introducem cantiti mari de lichid n snge trebuie s ne asigurm csoluia introdus este izotonic (soluii izotonice: serul fiziologic 9o/ooi glucoza de 5%).

Fenomenele de osmozi de ultrafiltrare asigur schimburile de ap ntre celulei mediul extracelulari, mpreun cu unele substane dizolvate, ntre compartimentulvasculari interstiial.

Temperatura de nghe a plasmei sanguine este de -0,560C, presiunea saosmotica fiind la aceast temperatur de = 6,72 atm. La temperaura corpului uman(370C), presiunea osmotic a plasmei atinge valoarea de pl=7.6 atm. Presiuneaosmotic a plasmei sanguine este dat de suma presiunilor osmotice datoratemicromoleculelor, ionilori macromoleculelor.

pl = micromolecule + ioni + macromolecule

13


14/15


Fig.9 O hematie introdus ntr-o soluie hipertonic i va micora volumul, n timp ce ohematie introdus ntr-o soluie hipotonic i va mri volumul

Endoteliul capilar este membran semipermeabil n raport cu proteinele dinplasm (nu pentru ap, ioni, micromolecule). n capilarul arterial diferena dintrepresiunile efective intravasculari extravascular este (p) = 32 mm Hg (Fig. 10), iarn capilarul venos aceast diferen este p = 12 mm Hg. Diferena dintre presiunileosmotice este constant pe toat lungimea capilarului, avnd valoarea de 28 mmHg.

La captul arterial, unde p > , are loc ultrafiltrarea apei cu moleculele i ioniidizolvai, ctre spaiul extravascular, n timp ce la captul venos, unde p < , are locrentoarcerea apei n compartimentul vascular mpreun cu produii de catabolism prinosmoz. mpreun asigur schimbul de ap (mpreun cu unele substane dizolvate)

ntre compartimentul vasculari interstiial.

Fig. 10 Distribuia presiunilor la nivelul endoteliului capilar

Dac reabsorbia apei nu se realizeaz corespunztor n capilarul venos, apa seacumuleaz n lichidul interstiial dnd natere la edeme.

Osmoza mai intervine i n creterea esuturilor : o floare rupti introdus cutulpina n ap se desface rapid, datorit afluxului osmotic din interior, introdus n apcu sare, floarea se vetejete, deoarece apa trece din celule ctre apa din vas princurent exosmotic.

Eliminarea renal a apei i a cataboliilor toxiciAre loc n dou etape: ultrafiltrarea glomerulari reabsorbia tubular. Nefronul

este format din corpusculul renal Malpighi i din tubii renali. La nivelul glomerulului areloc o ultrafiltrare sub presiunea 42 mmHg, aceast presiune fiind determinat de

14


15/15


presiunea hidrostatic din capilare, i implicit de presiunea arterial, o scdere apresiunii arteriale ducnd la diminuarea eliminrii renale.

O parte din api unele substane necesare organismului (aminoacizi, glucoz,ioni de sodiu si clor) trec din urina primar n snge prin reabsorbia tubular.Fenomenele de transport prin care are loc reabsorbia sunt difuzia i transportul activ,micorndu-se astfel foarte mult volumul de urin.

Rinichiul artificialFiind un catabolit al metabolismului proteic, ureea trebuie s aib un nivel

constant n snge de 35 mg o/oo, peste acest prag apar deficiene renale grave, fatale.Creterea concentraiei de uree apare ca urmare a dezechilibrului n producerea urineilegate de pierderea funciilor renale. n aceste cazuri, detoxifierea sngelui se face cuajutorul rinichiului artificial (Fig. 11).

Fig. 11 Desfaurarea hemodializei

Sngele este filtrat prin dializ care folosete o membran din plastic,semipermeabil, care permite particulelor de dimensiuni mici, cum ar fi molecule sauioni, s o strbat n ambele direcii, n timp ce particulele coloidale i macromoleculelesunt reinute de o parte (Fig. 12).

Soluia de dializ este salin i uor hipertonic, acest lucru asigurnd o

presiune osmotic mrit n compartimentul care conine sngele, determinnd apa streac n dializor (curent endosmotic).

Fig. 12 Sngele n contact cu soluia de dializ prin intermediul unei membranesemipermeabile

Pentru eliminarea complet a cristaloizilor, soluia spre care se desfoardializa trebuie n permanen nlocuit. Acest lucru se face pentru a mpiedica atingereaunui echilibru ionic ntre cele dou compartimente, care ar duce la ncetarea fluxului.

Viteza de dializ este influenat de dimensiunea porilor membranei, detemperatur, de vscozitate, de ncrctura electric a membranei.

15

Documents

3 Sisteme Disperse MG