Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de Biologia Prof. Hugo Henrique Pádua M.Sc. Fundamentos de Biofísica.

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1 Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de Biologia Prof. Hugo Henrique Pádua M.Sc. Fundamentos de Biofísica Água e Soluções

2 Água Introdução a biofísica

3 Água Introdução a biofísica

4 Água Propriedades Macroscópicas da Água 1. Densidade 2. Calor específico 3. Calor de Vaporização 4. Tensão Superficial 5. Viscosidade

5 Água Propriedades Macroscópicas da Água 1. Densidade A densidade do gelo é menor que a da água líquida

6 Água Propriedades Macroscópicas da Água 2. Calor específico Quantidade de energia térmica que deve ser fornecido a uma substância para elevar sua temperatura. A água possui calor específico muito alto 1Kcal (4,2 KJ) 1,0ºC 1 L H 2 O A água age como moderador térmico. Impedi variações bruscas que afetam o metabolismo celular.

7 Água Propriedades Macroscópicas da Água 3. Calor de vaporização Alto calor de vaporização. Desidratação de um sistema biológico Regulação da temperatura corpórea - Homeotermia Sudorese Perspiração imperceptível

8 Água Propriedades Macroscópicas da Água 4. Tensão superficial Alta coesão entre as moléculas de água

9 Água Propriedades Macroscópicas da Água 5. Viscosidade medida de resistência ao escoamento A água deveria ter alta viscosidade Dificultaria as trocas hídricas Afetaria a circulação sanguínea Mas a viscosidade da água é muito baixa

10 Água Propriedades Microscópicas da Água ( água como solvente) 1. Substâncias iônicas 2. Substâncias Covalente 3. Substâncias Anfipáticas

11 Água Natureza Polar da Molécula da Água Características Físico-químicas da água

12 Água Natureza Polar da Molécula da Água Características Físico-químicas da água Eletronegatividade

13 Água Natureza Polar da Molécula da Água Características Físico-químicas da água

14 Água Natureza Polar da Molécula da Água Características Físico-químicas da água A água é um dipolo A natureza polar da água que determina em grande parte, suas propriedades como solvente

15 Água Natureza Polar da Molécula da Água Características Físico-químicas da água

16 Água Propriedades Microscópicas da Água ( água como solvente) Eletronegatividade similar Conformação linear

17 Água Propriedades Microscópicas da Água ( água como solvente) 1. Substâncias iônicas / 2.covalente com carga Atração eletrostática Substâncias hidrofílicas

18 Água Propriedades Microscópicas da Água ( água como solvente) 2.Covalente sem carga Substâncias hidrofóbicas

19 Água Propriedades Microscópicas da Água ( água como solvente) 3. Substâncias anfipáticas

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22 Soluções CONCEITO É uma mistura unifásica de mais de um componente É expressa em termos de concentração Quantidade de soluto em solução gasoso sólido líquido

23 Soluções Na solução aquosa o solvente é a água Componente dispersor SOLVENTE C = CONCENTRAÇÃO Quantidade de soluto (mol) Quantidade de solvente (L) Componente disperso SOLUTO

24 Soluções MODOS DE EXPRESSAR CONCENTRAÇÃO Porcentual. g% ou % gramas de soluto por 100mL de solução Molar. mol/l ou M mols de soluto por litro de solução Molal. W mols de soluto por kilograma de solvente

25 Soluções Percentual 200 ml de solução aquosa de NaCl a 5% g - ml 5 g - x g ml 200 ml x = 10 g de NaCl completar até 200 ml com água Q = conc. (g%) x V (ml) 100 Q = quantidade de soluto (g)

26 Soluções Molar 100 ml de solução aquosa de Glicose 0,5 mol/l MM = 180 g/mol 0,5 mol x mol x = 0,05 mol ml (1 L) 100 ml 1 mol g 0,05 mol - y g y = 9 g de Glicose completar até 100 ml com água Q = MM x M x V (L)

27 Soluções Molal 100 ml de solução aquosa de Glicose 0,5 m MM = 180 g/mol 0,5 mol x mol x = 0,05 mol ml (1 L) 100 ml 100 g 1 mol g 0,05 mol - y g y = 9 g de Glicose dissolvidos em 100 g de água 100 ml = 100 g Q = MM x M x V (g)

28 Soluções SOLUÇÕES SATURADAS E NÃO-SATURADAS O que limita a concentração é a solubilidade do soluto Não é possível fazer uma solução a 20% com um soluto que possui solubilidade de 18% Solução não-saturada Soluto presente em quantidade abaixo do limite de solubilidade Solução saturada Soluto presente em quantidade igual ao limite de solubilidade Soluções se saturam porque todas as moléculas de solvente envolvem o soluto, quando não há mais solvente para envolver o soluto forma-se corpo de fundo

29 Soluções CONCENTRAÇÃO E DILUIÇÃO Diluir é diminuir a concentração de soluto Concentrar é aumentar a concentração de soluto C 1. V 1 = C 2. V 2 C 1 = concentração inicial C 2 = concentração final V 1 = volume inicial V 2 = volume final Para obter soluções diluídas basta utilizar a relação entre as concentrações e os volumes iniciais e finais para saber quanto utilizar da solução estoque

30 Soluções CONCENTRAÇÃO E DILUIÇÃO C 1. V 1 = C 2. V 2 20 ml de uma solução de 1 mg/ml a partir de uma solução de concentração 5 mg/l (solução estoque) C 1 = 5 mg/ml C 2 = 1 mg/ml V 1 =? V 2 = 20 ml C 1. V 1 = C 2. V 2 5 mg/ml. V 1 = 1 mg/ml. 20 ml V 1 = V 1 = 4 ml 1 mg/ml. 20 ml 5 mg/ml 4 ml da solução estoque (5mg/mL) adicionados de água até completar 20 ml de volume final 4 ml da solução estoque + 16 ml de água para obter 20 ml da solução na concentração de 1 mg/ml

31 Soluções CONCENTRAÇÃO E DILUIÇÃO DIFERENÇA ENTRE DILUIÇÃO A:B E MISTURA NA PROPORÇÃO A:B Para descrever o procedimento de obtenção de uma solução de uma determinada concentração a partir da diluição de uma solução de concentração maior, duas expressões comumente usadas são diluição A:B e mistura na proporção ou razão A:B Ambas têm a mesma representação gráfica (A:B), o que causa uma certa confusão, mas têm significado químico diferente Por isso, deve-se prestar bastante atenção na palavra que antecede a notação A:B

32 Soluções CONCENTRAÇÃO E DILUIÇÃO DIFERENÇA ENTRE DILUIÇÃO A:B E MISTURA NA PROPORÇÃO A:B Diluição A:B Pegar um volume A e adicionar o solvente para obter o volume final B Volume final = B Mistura A:B Pegar um volume A e adicionar um volume B Volume final = A + B

33 Soluções CONCENTRAÇÃO E DILUIÇÃO DIFERENÇA ENTRE DILUIÇÃO A:B E MISTURA NA PROPORÇÃO A:B

34 Soluções Uma aluna está no laboratório preparando soluções para avaliar a atividade de enzimas salivares. Ela precisa de solução aquosa de NaCl na concentração de 0,9%. Entretanto, ela não dispõe do sal na forma sólida, apenas de soluções de NaCl mais concentradas. Os rótulos dos frascos contêm informações para diluição. Qual o procedimento de obtenção da solução a 0,9%? Rótulo da solução A Concentração: NaCl 3,6 %(m/v) Instrução do rótulo: diluir 1:4 com água para obter NaCl 0,9% Rótulo da solução B Concentração: NaCl 4,5 %(m/v) Instrução do rótulo: misturar com água na proporção 1:4 para obter NaCl 0,9%

35 SOLUTO LÍQUIDO Soluções Quando se fazem soluções líquido-líquido é comum indicar o volume do soluto ao invés da massa Solução de etanol a 20% (v/v)

36 Soluções MEDIDA DO VOLUME DE SOLUÇÕES Quando adicionamos soluções aquosas em provetas, buretas e pipetas, observamos que a superfície de separação entre o líquido e o ar não é plana, mas geralmente tem formato côncavo. Essa superfície é denominada menisco. A leitura do volume em tais vidrarias deve ser realizada na parte inferior do menisco.

37 Soluções Exercícios de Fixação 1.Um frasco de laboratório contém 2,0 litros de uma solução aquosa de NaCl. A massa do sal dissolvida na solução é de 120g. Que volume deve ser retirado da solução inicial para que se obtenham 30g de sal dissolvido? a) 1,0 litro b) 0,5 litro c) 0,25 litro d) 1,5 litros e) 0,75 litro 2. Um aluno dissolveu 8,70 g de NaCl (M.M. = 58 g/mol; pureza de 100%) em água destilada suficiente para preparar 100 ml de solução. Qual é a molaridade da solução? 3. Qual o volume de H 2 SO 4 18 mol/l necessário para preparar 500 ml de uma solução a 0,15 mol/l?

38 Soluções Propriedades Especiais das Soluções 1. Densidade 2. Tensão Superficial 3. Viscosidade 4. Efeito do soluto no ponto de Fusão e Ebulição 5. Difusão e Osmose

39 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Efeito do soluto no ponto de Fusão e Ebulição Ponto de Fusão Ponto de ebulição 0ºC 100ºC <0ºC >100ºC

40 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão - Movimento espontâneo de partículas individuais, causado pela energia cinética das próprias moléculas ou íons (transporte passivo). Características da Difusão Movimento de componentes de uma mistura qualquer, de acordo com a 2º lei da termodinâmica O movimento ocorre de uma região para outra obedecendo um gradiente de concentração ( de onde tem mais para onde tem menos) Ocorrem em meios gasosos ( aroma de um perfume), Líquidos e sólidos ( pode durar até séculos ate que se note a migração de partículas)

41 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão

42 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão Fatores que influenciam a difusão Gradiente de Concentração Gradiente de pressão Tamanho da partícula Temperatura Distância Tempo Permeabilidade da membrana à substância

43 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão CONCENTRAÇÃO E PRESSÃO Quanto maior é o gradiente de concentração e pressão, mais rápida é a difusão

44 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão Tamanho da Partícula Partículas menores difundem-se mais rapidamente

45 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão Temperatura O aumento da temperatura favorece a difusão em função do aumento da energia cinética das moléculas

46 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Difusão Distância x Tempo A difusão de solutos a longas distâncias é muito lenta período de 8 anos para uma pequena molécula com coeficiente de difusão de 10-5 cm 2 /s difundir 1 m na água apenas 0,6 s para difundir 5 μm Difusão é importante para pequenas distâncias (células)

47 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Osmose - um caso especial de difusão Movimento espontâneo das moléculas de água A água vai para onde há maior concentração de soluto Portanto a água se move para a região onde tem menos água

48 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Osmose - um caso especial de difusão

49 Soluções Propriedades Especiais das Soluções Osmose - um caso especial de difusão

50 Soluções Osmose das moléculas de água e difusão da glicose G H 2 O INÍCIO DURANTE EQUILÍBRIO G H 2 O X H 2 O Início: concentração de glicose A > B. Durante: ocorre osmose mais rápido que difusão das moléculas de glicose, por isso o nível de água varia. Equilíbrio: níveis e concentrações iguais. X H 2 O G H 2 O G H 2 O

51 Soluções Osmose das moléculas de água, sem difusão da macromolécula INÍCIO DURANTE EQUILÍBRIO Início: concentração diferente; pressão de solvente é menor em A. Durante: ocorre apenas osmose pois a macromolécula não permeia a membrana, por isso o nível de água varia. Equilíbrio: níveis diferentes, pressões hidrostática e osmótica iguais.

52 Soluções Osmose, sem difusão da macromolécula e difusão do sal INÍCIO DURANTE EQUILÍBRIO Início: pressão de solvente é menor em A. Durante: ocorre osmose e difusão do sal pois a macromolécula não permeia a membrana, por isso o nível de água varia. Equilíbrio: níveis diferentes, concentrações iguais em volumes diferentes (quantidades em A são maiores).

53 Soluções PRESSÃO OSMÓTICA A quantidade exata de pressão necessária para interromper a osmose é chamada de pressão osmótica da solução de soluto

54 Soluções PRESSÃO OSMÓTICA Quanto maior é a pressão osmótica de uma solução, menor é a sua concentração de água e maior a sua concentração de solutos

55 Soluções Osmolaridade Mede a quantidade de partículas existentes num determinado solvente. Nº de partículas osmoticamente ativas por litro de solução (Osmol/L), partículas estas capazes de criar gradientes osmóticos. Quanto maior a osmolaridade de uma solução, maior será a quantidade de partículas que possui, menor será a concentração de água (as partículas ocupam o espaço que seria ocupado pela água) e por isso cria maior resistência à perda de água.

56 Soluções Osmolaridade Muitas moléculas ao se dissolverem, são separadas em suas partículas constituintes, pela ação do solvente: Geralmente, as partículas separadas possuem carga elétrica, e por isso se denominam eletrólitos; Uma conseqüência direta da hidrólise é que a concentração de partículas é maiordo que a concentração de moléculas; A unidade de concentração de partículas é a osmolaridade (Osmol, osm)

57 Soluções Osmolaridade A concentração osmolar é igual à concentração Molar (Molaridade) multiplicada pelo número de partículas: Cosm = M x n. 1 mol de NaCl 1 mol de Na mol de Cl -

58 Soluções Osmose reversa A osmose inversa ou osmose reversa é um processo de separação em que um solvente é separado de um soluto por uma membrana permeável ao solvente e impermeável ao soluto. Isso ocorre quando se aplica uma grande pressão sobre este meio aquoso, o que contraria o fluxo natural da osmose.

59 Suspensões e Colóides

60 Dispersões As dispersões são misturas nas quais uma substância está disseminada na forma de partículas no interior de uma outra substância Dispersões Suspensão ou mistura grosseira Colóide Solução

61 Dispersões Introdução a biofísica

62 Soluções SOLUÇÃO - As partículas da fase dispersa: Não se sedimentam sob ação da gravidade, nem de centrífugas; Não são retidos por filtros; Não são visíveis ao microscópio.

63 Suspensões Suspensão As suspensões ou misturas grosseiras são misturas heterogêneas onde o componente que aparece em menor quantidade é denominado disperso e o componente que aparece em maior quantidade é denominado dispersante. São misturas de grandes partículas. Grandes o suficiente para serem vistas a olho nú dispersante é o equivalente ao solvente disperso é o equivalente ao soluto.

64 Suspensões Suspensão Características Gerais Consistem numa substância insolúvel dispersa em um líquido; São heterogêneas; Nãos são límpidas (são opacas); Sedimentam; Não passam através de filtros; Não passam através de membranas.

65 Suspensões Leite de magnésia hidróxido de magnésio + água Água + areia

66 Coloide Colóide (do grego kólla, cola + eîdos, forma) ou dispersões coloidais - são misturas heterogêneas onde o componente que aparece em menor quantidade é denominado disperso e o componente que aparece em maior quantidade é denominado dispergente. Em uma dispersão coloidal, as partículas do disperso possuem as seguintes características:

67 Coloide gelatina sangue leite sorvete

68 Coloide Colóides Características Gerais Consistem numa substância insolúvel dispersa em um líquido; São heterogêneas; Não se sedimentam; Passam através de filtros; Não passam através de membranas.

69 Coloide Tipos de dispersões coloidais Sol: é uma dispersão coloidal na qual o dispersante é o líquido e o disperso é o sólido, por exemplo um pouco de maizena com água. Gel: é uma dispersão coloidal na qual o dispersante é o sólido e o disperso é o líquido, por exemplo gelatina pronta e geléia.

70 Coloide Efeito Tyndall As partículas que compõem os sistemas coloidais são muito pequenas para serem identificadas a olho nu, mas o seu tamanho é maior do que o do comprimento de onda da luz visível. Por isso, uma luz que atravesse um sistema coloidal será refratada pelas partículas.

71 Coloide Efeito Tyndall Baseado nessa observação, basta apontar um feixe de luz para um sistema (geralmente líquido ou sólido) para classificá-lo. Um colóide irá dar origem a difusão pela refração do feixe nas partículas. Uma solução não altera o feixe de luz. Em uma solução coloidal autêntica, a energia interna das partículas aumenta de acordo com a intensidade da luz aplicada

72 Coloide Efeito Tyndall

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74 Coloide Diálise - A diálise é um processo onde as substâncias em solução são separados por suas diferenças de peso molecular. Desde que a membrana porosa seletivamente permite a passagem de solutos menor, mantendo espécies de maior porte, a diálise pode ser efetivamente usada como um processo de separação com base na rejeição de tamanho. Separação de um soluto de um coloide através de uma membrana Hemodiálise

75 Coloide Hemodiálise

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