Biofísica soluções

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Biofísica Biofísica Aula 1: Introdução à biofísica e Soluções Aula 1: Introdução à biofísica e Soluções Introdução à biofísica Introdução à biofísica A Biofísica é uma ciência interdisciplinar que aplica as teorias e os métodos da física para resolver questões biológicas. É o estudo da Matéria, Energia, Espaço e Tempo nos Sistemas Biológicos. O conhecimento da ciência física fundamenta vários fenômenos biológicos, como aspectos elétricos, gravitacionais, magnéticos e mesmo nucleares. Matéria e Massa Massa é a carteira de identidade da matéria, ou seja, se não tem massa, não é matéria. Desta forma, a quantidade de massa determina a quantidade de matéria de um corpo. A matéria é constituída de átomos, que classicamente se constitui nas menores porções da matéria possível. 1808 Dalton definiu um modelo que todo o átomo se constituía em uma minúscula partícula de matéria indestrutível e que poderiam se combinar originando moléculas. Matéria e Massa 1808 Dalton definiu um modelo que todo o átomo se constituía em uma minúscula partícula de matéria indestrutível e que poderiam se combinar originando moléculas. Matéria e Massa No início do século X Rutherford (1911) e Bohr (1913) sugeriram que o átomo seria divisível e destrutível e era composto por partículas menores.

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Biofísica Biofísica

Aula 1: Introdução à biofísica e Soluções Aula 1: Introdução à biofísica e Soluções

Introdução à biofísica Introdução à biofísica

A Biofísica é uma ciência interdisciplinar que aplica as teorias e os métodos da física

para resolver questões biológicas.

É o estudo da Matéria, Energia, Espaço e Tempo nos Sistemas Biológicos.

O conhecimento da ciência física fundamenta vários fenômenos biológicos, como

aspectos elétricos, gravitacionais, magnéticos e mesmo nucleares.

Matéria e Massa

Massa é a carteira de identidade da matéria, ou seja, se não tem massa, não é matéria.

Desta forma, a quantidade de massa determina a quantidade de matéria de um corpo.

A matéria é constituída de átomos, que classicamente se constitui nas menores porções

da matéria possível.

1808 – Dalton definiu um modelo que todo o átomo se constituía em uma minúscula

partícula de matéria indestrutível e que poderiam se combinar originando moléculas.

Matéria e Massa

1808 – Dalton definiu um modelo que todo o átomo se constituía em uma minúscula

partícula de matéria indestrutível e que poderiam se combinar originando moléculas.

Matéria e Massa

No início do século X Rutherford (1911) e Bohr

(1913) sugeriram que o átomo seria divisível e destrutível e era composto por partículas

menores.

Page 2: Biofísica soluções

O núcleo seria minúsculo, 10.0 x menor que a eletrosfera que continha partículas que

orbitavam ao redor do núcleo, conhecidas como elétrons.

Há muito mais espaço vazio do que matéria em um átomo.

Matéria e Massa

Há muito mais espaço vazio do que matéria em um átomo.

Matéria e Massa

Modelo atual do átomo: os elétrons se movimentam em orbitais, com trajetória

aleatória. Esses orbitais podem mudar de forma, na dependência das ligações que os

átomos fazem entre si.

De um modo geral o núcleo é infinitamente mais estável que a eletrosfera.

Matéria e Massa

No estado fundamental, os átomos possuem a mesma quantidade de carga positiva no

núcleo e negativa na eletrosfera.

Devido a instabilidade da eletrosfera os átomos podem perder ou ganhar elétrons,

ficando com carga final positiva (perda de é) ou negativa (ganho é), que são chamados

de íons.

Cátions Ânions Íons com carga +Íons com carga -

A composição Micro e Macrocosmo do Universo é bastante complexa mas pode ser

resumida a alguns componentes fundamentais, que são:

Matéria Energia Espaço Tempo M E L T

São Grandezas, Qualidades ou Dimensões

Fundamentais:

M = objetos, corpos, alimentos...

E = calor, luz, som, trabalho físico...

L = distância, áreas, volumes de objetos... T = sucessão dia/noite, espera de

acontecimentos...

Estados da Matéria

“As leis físicas que regem o comportamento da matéria depende do estado do qual a

matéria se encontra”

Page 3: Biofísica soluções

Gelo, água e vapor são moléculas de água.

Mas a matéria água não parece ser a mesma nestes 3 estado.

Estados da Matéria

Basicamente a matéria assume dois estados

Sólido

- A ordem molecular é maior e a quantidade de energia é menor, menor cinética

- Formam corpos de forma definida

- Sólidos não escoam, não fluem, não escorrem

- Sólida é a matéria que não escoa

Estados da Matéria

Basicamente a matéria assume dois estados

Fluido

- A ordem molecular é menor com grau de movimentação entre moléculas variável

(maior que a dos sólidos), com maior cinética

- Não formam corpos de forma definida

- Fluídos escoam, fluem, escorrem

- Fluida é a matéria que escoa

Estados da Matéria

Fluido

Líquidos

Os líquidos ocupam um volume fixo independente do espaço que os contém!

Page 4: Biofísica soluções

Gases

Os gases ocupam um volume variável na dependência do espaço que os contém!

Quanto mais fluídico for o fluído, maior o grau de independência de suas partículas.

Estados da Matéria

Fluido

Gases

Os gases não possuem interação molecular, não se organizam formando retículos

cristalinos como os sólidos.

Possuem movimento aleatório (Browniano) que se intensifica com a temperatura do

sistema.

A energia cinética das moléculas aumenta e elas se agitam mais velozmente e se

chocam mais frequentemente.

Mudanças de Estados da Matéria Mudanças de Estados da Matéria

Essas mudanças dependem principalmente de fatores como a pressão (ente físico capaz

de comprimir os corpos e aproximar suas moléculas) e a temperatura.

Page 5: Biofísica soluções

As linhas do gráfico separam regiões que, em determinada pressão e temperatura, as

substâncias se apresentam como sólidos, líquidos ou gasosos.

Qualquer substância pode sofrer mudança de fase.

Diagrama de Fases

Fusão: mudanças de sólido para líquido ocorrem sob pressão constante e com aumento

da temperatura.

Sublimação: mudanças de

Page 6: Biofísica soluções

sólido para vapor ocorrem sob baixa pressão e com aumento de temperatura.

Evaporação: mudanças de líquido para vapor ocorrem em 2 possibilidades:

1) Reduzir a pressão, com temperatura constante. 2) Aumentar a temperatura, com

pressão constante.

Diagrama de Fases

Densidade

É a quantidade de massa dentro de uma unidade de espaço (volume).

Também conhecida como massa volumétrica, massa específica de um corpo, esta

definida como o quociente entre a massa (kg) e o volume deste corpo

Densidade

Densidade relativa: normalmente a água é tomada como referência.

Page 7: Biofísica soluções

A densidade da água a 25ºC é de 1g/cm3 ou

A densidade da água a 4ºC é de 1,03g/cm3

O gelo tem densidade 0,97 g/cm3 (densidade < líquido)

Soluções Soluções

Conceito de Solução

Conceito qualitativo: solução é uma mistura unifásica de mais de 1 componente: •

sólido em líquido: sal + água

• líquido em líquido: álcool + água

• gás em líquido: dióxido de carbono + cerveja!

• sólido em sólido: liga Cu-Ni

Componente dispersor : solvente

+ Componente disperso: soluto

Uma solução aquosa é aquela em que o solvente é a água (solvente natural de sistemas

biológicos).

Conceito de Solução

Conceito quantitativo: usar a relação soluto/solução, que tem unidade de concentração

(C).

Concentração

É a quantidade de soluto que é dissolvido em um solvente. Indica uma relação entre

duas quantidades (soluto e solvente).

Em situações domésticas usamos as palavras “forte” e “fraca” para descrever a

concentração, por exemplo, de uma xícara de chá ou de café.

Concentração

Em química, são utilizados os termos:

“Concentrado” ou “Diluído” para falar a respeito da quantidade de soluto presente na

solução.

Diluído significa que apenas uma pequena quantidade de soluto é dissolvida.

Page 8: Biofísica soluções

Concentrado significa que uma porção grande de soluto está presente na solução.

A concentração das soluções variam muito

“o que limita a concentração é a solubilidade do soluto”

Soluções Saturadas

Quando o soluto esta dissolvido até o limite de sua solubilidade.

Não se pode fazer uma solução de 20% de uma substância de solubilidade 18%.

Soluções Não-Saturadas

Quando o soluto esta aquém do seu limite de Solubilidade.

As soluções se saturam porque, apesar de haver fase líquida, as moléculas de solvente

disponíveis para envolver o soluto já estão utilizadas ao máximo.

Concentração x Diluição

Soluções Concentradas

Concentrar é aumentar a concentração do soluto.

Contêm muito soluto em relação ao solvente. Exemplo: 300g de sal para 1L de água.

Soluções Diluídas

Diluir é diminuir a concentração do soluto.

Contêm pouco soluto em relação ao solvente. Exemplo: 10g de sal para 1L de água.

MOLARIDADE ou Concentração Molar

A expressão de concentração pelo sistema internacional é em número de mols, ou seja, a

concentração de uma solução é definida como o número de mols de soluto em um litro

(L) ou em decímetro cúbico (dm3) de solução. A unidade de concentração portanto é

em mol.L-1 ou mol.dm-3 ou molaridade, abreviadamente “M”. Lembrando:

1 mol = 6,022 x 1023moléculas ou átomos MOLARIDADE ou Concentração Molar

6,022 x 1023 moléculas ou átomos = nº de Avogadro

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MOLALIDADE ou Concentração Molal

Molalidade é o número de mols de soluto por quilograma (Kg) de solvente. A unidade

de concentração portanto é em mol.Kg-1 ou molalidade, abreviadamente “m”.

Lembrando:

1 mol = 6,022 x 1023moléculas ou átomos MOLARIDADE ou Concentração Molar

6,022 x 1023 moléculas ou átomos = nº de Avogadro

Transformação de Unidades - Unidades de massa

- Unidades de volume

Osmolaridade concentração de partículas > concentração de moléculas

Muitas moléculas ao se dissolverem são separadas em suas partículas constituintes pela

ação do solvente, efeito conhecido como solvólise (separação pelo solvente).

Normalmente este solvente é água, fenômeno conhecido como hidrólise.

Page 10: Biofísica soluções

Partículas separadas possuem carga elétrica e são chamadas de eletrólitos. Glicose,

uréia, colesterol (Fora).

KCl, NaHCO3, Na2CO3, NaH2PO4, Na2HPO4

Osmolaridade

MOLAR → OSMOLAR

(unidade: n x L-1) (unidade: Osmol)

concentração molecular concentração de partículas

São duas definições para unidade de concentração de partículas: 1) Conceito estrutural:

1 osmol corresponde a 6,02 x

1023 partículas por litro de solução.

2) Conceito operacional: 1 osmol é o número de partículas que exerce pressão de 1 atm

em um volume de 2,4 litros.

Osmolaridade

Conversão de concentração molar x osmolar:

1) Solutos que não se dissociam: COSM = CM

2) Solutos se dissociam completamente:

COSM = CM x n (n= número de partículas).

Lembrar: a parte covalente da molécula nunca se dissocia:

Soluções podem ser comparadas: - concentração de moléculas (M)

- concentração de partículas (Osmol)

- capacidade de combinação (N)

A comparação é dada geralmente pela quantidade de soluto. A fórmula que fornece a

quantidade:

Page 11: Biofísica soluções

Sendo assim, a fórmula geral para comparar concentrações de soluções é:

Estudo das substâncias e misturas

Substância: forma particular de matéria, apresentando composição fixa, definida.

Estudo das substâncias e misturas

Substância Simples: é constituída de uma molécula formada por átomos do mesmo

elemento químico (mesmo tipo de átomo).

Estudo das substâncias e misturas

Substância composta: é constituída por uma molécula formada por mais de um

elemento químico.

Page 12: Biofísica soluções

Estudo das substâncias e misturas

Mistura: material formado por duas ou mais substâncias, sendo cada uma destas

denominada componente.

Fase: em uma mistura, é cada uma das porções que apresenta aspecto homogêneo ou

uniforme.

Classificação das misturas:

-Homogênea: toda mistura que apresenta uma única fase (é uma solução).

- Heterogênea: toda mistura que apresenta pelo menos duas fases.

Estudo das substâncias e misturas Estudo das substâncias e misturas

Page 13: Biofísica soluções

Preparo de Soluções

Atenção: "A concentração de soluções é de importância fundamental na prática

biológica. Nenhum biologista, seja qual for seu campo de atividade, pode prescindir

desse conhecimento". Por este motivo, esse item será tratado visando a prática do uso de

soluções.

Extraído de Biofísica Básica -parte 6 - pág.: 108

Solução é a mistura unifásica de mais de um componente

Expressões para Concentrações de Soluções

Soluto e Solvente - Na dissolução de uma substância em outra substância, a que se

dissolveu (disperso) é chamada soluto e o meio em que foi dissolvida (dispersor) é

chamada solvente.

Solução aquosa é aquela no qual o solvente é a água, solvente natural nos sistemas

biológicos.

Solução Standard – É aquela cuja concentração é rigorosamente conhecida.

Solução Diluída – Concentrada e Saturada.

Page 14: Biofísica soluções

A solução diluída é aquela que contém proporções relativamente pequenas de

soluto, enquanto a concentrada contem proporções relativamente maior. Soluções

concentradas são somente possíveis quando o soluto é muito solúvel.

Uma solução saturada é aquela em que as moléculas do soluto em solução estão

em equilíbrio com o excesso de moléculas não dissolvidas.

Existe ainda soluções supersaturadas, são aquelas em que o soluto em solução

está em maior proporção do que a solução saturada à mesma temperatura e pressão. São

soluções instáveis e podem cristalizar-se.

Concentração de uma solução.

A concentração de uma solução refere-se à quantidade de soluto em uma dada

quantidade de solução. Costuma-se expressar essa concentração em unidades Físicas

e/ou Químicas.

Unidades Físicas

Quando se utiliza unidade física, a concentração da solução é geralmente expressa

nas seguintes maneiras

1- Pelo peso do soluto por volume-unidade (ex. 20g de KCl por l de solução)

2- Percentagem da composição pode relacionar volume de soluto por 100ml de

solução (%v/v).

pode relacionar peso de soluto por 100g de solução (% p/p).

ou ainda peso de soluto por 100ml de solução (% p/v).

Esta última, apesar de incorreta, é a mais usada.

Quando falarmos em percentagem, sem especificar as grandezas relacionadas

estaremos nos referindo a peso/volume.

Exemplo:

NaCl 1% ( = 1g de NaCl em 100ml de solução).

3- Pelo peso do soluto em relação ao peso do solvente.

Ex. 0,05 de NaCl em 1g de água.

Unidades Químicas

Page 15: Biofísica soluções

1- Molaridade (M) – relaciona número de moléculas-grama (moles) de soluto com

volume da solução em litros.

M = n/v : onde M – molaridade

n = número de moles do soluto;

v = volume da solução em litros.

n = m/mol : onde n = n0 de moles;

m = massa em gramas;

mol = molécula-grama.

2- Molalidade (m) - relaciona o número de moléculas-grama (moles) de soluto por

quilograma de solvente.

3- Normalidade (N) – é a relação entre o número de equivalentes-grama do soluto e

o volume da solução em litros.

N = e/V : onde N = normalidade;

e = no de equivalentes-grama do soluto e

V = volume da solução em litros.

e = m/Eq : onde m= massa da substância em gramas;

Eq = equivalente-grama.

Para calcular o equivalente-grama basta dividir o valor do peso molecular:

a) dos ácidos, pelos seus hidrogênios dissociáveis;

b) das bases. Pelo número de grupos OH ou pela valência do íon metálico;

c) dos sais, pelo número de íons metálicos (cátion ou ânion) multiplicado por sua

valência.

3- Diluição: tem-se uma solução de molaridade M1 e volume V1 e deseja-se obter a

molaridade M2; para tanto é necessário conhecer o volume V2 a que deve ser

diluída a solução inicial. Quando aumentamos o volume da solução de V1 para

V2, acrescenta-se apenas solvente, a quantidade de soluto permanecendo a

mesma. Sendo o no de moles do soluto da solução original, na solução final

teremos o número n de moles de soluto.

Para a solução inicial: n = M1V1

Para a solução diluída: n = M2V2

Page 16: Biofísica soluções

Portanto: M1V1 = M2V2

O mesmo raciocínio é aplicado para a normalidade.

SOLUÇÃO

Para o estudo das soluções é necessário conhecer todos os tipos de concentrações.

A maioria das concentrações podem ser calculadas por regra de três, mas usa-se muito

as fórmulas.

Veja algumas delas:

Concentração comum:

A unidade utilizada é g/L.

Molaridade

A unidade utilizada é mol/L.

Dica: substituindo o número de mols (n) da fórmula , temos então a fórmula:

Título

Esta concentração não tem unidade, então dizemos que é adimensional.

ou

Percentual

O percentual é expresso em %.

Fração Molar

Esta concentração não tem unidade, então dizemos que é adimensional.

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Normalidade

A unidade utilizada é N de normal.

Equivalente-grama

A unidade utilizada é g.

Para certas soluções, calculamos a diluição. Podemos fazer mistura das soluções e

obtemos novas concentrações. Veja as fórmulas para cada caso:

Diluição

Quando adiciona-se água numa solução.

Usamos a seguinte fórmula:

A molaridade (M) pode ser substituída por concentração comum (C).

Dica: no lado esquerdo da fórmula, colocamos os dados da solução inicial, mais

concentrada e no lado direito colocamos a solução que foi adicionada água, a mais

diluída.

Mistura de solução de mesmo soluto

ou

Mistura de solução de soluto diferente

Neste caso, as solução são de ácido e base, portanto reações de neutralização. O ácido e

a base reagem e formam um novo produto.

Deve-se levar em conta a reação química e o coeficiente estequiométrico.

Unindo concentrações

Page 18: Biofísica soluções

Para facilitar os cálculos de soluções, há algumas fórmulas com diferentes

concentrações que foram unidas.

Dica: cuidado com a densidade e concentração comum. Apesar de terem a fórmula

paracida, não são a mesma coisa. A densidade é a densidade da solução, portanto massa

da solução e volume da solução. A concentração comum é a massa do soluto pelo

volume da solução.

Tabela Resumo das Fórmulas de Soluções:

TIPO DE CONCENTRAÇÃO FÓRMULA UNIDADE

CONCENTRAÇÃO COMUM

g/mL

MOLARIDADE

e

mol/L

NÚMERO DE MOL

mol

TÍTULO ou

adimensional

PERCENTUAL

%

CONCENTRAÇÃO,TÍTULO E

DENSIDADE

g/mL

DENSIDADE,

CONCENTRAÇÃO E TÍTULO

g/mL

FRAÇÃO MOLAR

adimensional

NORMALIDADE

N

EQUIVALENTE-GRAMA

g

Page 19: Biofísica soluções

DILUIÇÃO

-

MISTURA DE SOLUÇÃO DE

MESMO SOLUTO

-

MISTURA DE SOLUÇÃO DE

SOLUTOS DIFERENTES

-