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.
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”
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!
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.
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
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.
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.
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
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.
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:
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.
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
	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.
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 
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 
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. 
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
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
	DILUIÇÃO
	
	- 
	MISTURA DE SOLUÇÃO DE MESMO SOLUTO
	
	 
-
	MISTURA DE SOLUÇÃO DE SOLUTOS DIFERENTES
	 
	 
-