Conceitos básicos em soluções, difusão, osmose e tônus celular

Prévia do material em texto

Biofísica 
Conceitos básicos em soluções, 
difusão, osmose e tônus celular 
Com exercícios resolvidos 
 
1 SOLUÇÕES 
 
 Mistura homogênea constituída por dois componentes: soluto e solvente. O 
soluto é a substância que se encontra dispersa no solvente e corresponde à substância 
que será dissolvida – geralmente, apresenta-se em menor quantidade na solução. Já o 
solvente é a substância na qual o soluto será dissolvido. Apresenta-se em maior 
quantidade que o soluto. 
 A dissolução entre soluto e solvente ocorre através de interações entre as suas 
moléculas. 
 
2 DEFINIÇÕES BÁSICAS 
 
 Para melhor compreensão dos conceitos envolvidos nas concentrações, é 
necessário revisar os seguintes conceitos. 
a) Massa atômica: é a média ponderada dos seus isótopos existentes na natureza e é 
expressa em unidades de massa atômica (u.m.a.). Ex: Cl35 → 35,5 u.m.a. 
b) Massa molecular: é a soma das massas atômicas dos elementos que constituem a 
molécula da substância considerada. Ex: massa molecular do NaCl → 58,5 u.m.a. → Na 
(23 u.m.a.) + Cl (35,5 u.m.a.) 
c) Mol: quando a massa molecular é expressa em gramas. Uma molécula-grama 
(massa molecular de uma determinada molécula expressa em gramas) de uma 
substância corresponde a 6,02 x 1023 moléculas dessa substância, ou seja, 1 mol de 
moléculas. 
 
d) Número de Moles (n): é a quantidade (massa) de uma substância dividida pela sua 
massa em um mol, ou seja: 
 
m → massa em gramas da substância em questão 
M → peso molecular em gramas de um mol 
n → número de moles 
Exemplo: quantos moles temos em 240 g de cálcio? (MCa = 40 g) 
Resposta: 
 
 
3 EXPRESSÕES MATEMÁTICAS PARA A CONCENTRAÇÃO 
DAS SOLUÇÕES 
 
 A quantidade de soluto presente por unidade de massa ou volume é a 
concentração de uma solução. Há várias maneiras de expressar essa concentração, 
conforme a seguir. 
 
3.1 Massa de soluto por volume de solução (m/v) 
 Adiciona-se solvente à massa até completar o volume da solução. 
Exemplo: uma solução de 10g/dL (10%) indica que há 10 g de soluto em 100 mL de 
solução. 
 
1 dL (decilitro) = 100 mL (mililitro) = 0,1 L (litro) = 10 cL (centilitro) 
1 dm (decímetro) = 100 mm (milímetro) = 0,1 m (metro) = 10 cm 
(centímetro) 
 
A massa do soluto pode ser expressa também em mg. Se não houver indicação, 
a massa está indicada em gramas. 
Na maioria das soluções utilizadas nas áreas da saúde é utilizada a 
concentração percentual: massa (g)/100 mL de solução. 
 
 
3.2 Massa do soluto por massa de solvente (m/m) 
 Adiciona-se à massa do soluto uma massa unitária do solvente (100 ou 1000 g). 
 
3.3 Volume do soluto por volume de solução (v/v) 
 Forma geralmente usada quando os componentes são líquidos. 
 
3.4 Partes por milhão 
 Soluções preparadas a partir de mg por kg ou µg por grama de solução. 
 
3.5 Molaridade (Mo = n/v) mols/L 
 É igual ao número de moles do soluto por litro de solução. Uma solução de 1M 
é aquela que contém uma molécula grama (1 mol) em 1000 mL (1 L) de solução. Ex: 
uma solução que contém 117 g de NaCl, cujo peso molecular é 58,5 g em um litro de 
solução, terá uma molaridade igual a 2M, pois: 
 
3.6 Osmolaridade (Osm) 
 É definida como o produto da molaridade pelo coeficiente de dissociação (i) → 
Osm = Mo . i. É representada em osm ou miliosmol por litro. Uma substância aquosa 
pode ou não se dissociar em várias partículas. Exemplo: glicose → 1 molar de glicose 
será também 1 osmolar, uma vez que a molécula de glicose não se dissocia (iglicose = 1). 
Já para a solução NaCl, a solução de 1 molar será 2 osmolar, pois a molécula de NaCl 
se dissocia totalmente em duas partículas (iNaCl = 2). 
 
4 CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES 
 
 A solução diluída é quando a proporção de soluto é pequena em relação à do 
solvente, enquanto que a solução concentrada apresenta uma proporção de soluto 
grande em relação à do solvente. 
 Quanto à saturação da solução, esta pode ser insaturada, saturada e 
supersaturada. A solução insaturada contém soluto em quantidade inferior ao grau de 
saturação. A solução saturada contém a quantidade mínima de soluto que pode ser 
dissolvido em um solvente. Esta quantidade depende da temperatura e pressão. Por 
exemplo: preparo de uma solução de nitrato de potássio (KNO3) em 100 g de água a 20 
°C → dissolução máxima → solução homogênea. Já a solução supersaturada contém 
maior quantidade de soluto em solução, do que a solução saturada da mesma 
substância, podendo o excesso de soluto precipitar-se. No exemplo anterior, ao 
adicionar 50 g de KNO3 em 100 gramas de água, ocorre a precipitação de parte do 
soluto no fundo. 
 
Solução saturada de KNO3 Solução supersaturada de KNO3 
 
Considere a massa molecular das moléculas abaixo. 
NaCl = 58,5 u.m.a.; glicose = 180 u.m.a.; KCl = 74,5 u.m.a.; NaOH = 
40 u.m.a.; HCl = 36,5 u.m.a. 
 
1. O que significam as seguintes expressões? 
a. NaCl a 7% 
Resposta: 7 g de NaCl em 100 mL (solvente) 
b. Glicose 0,5 Molar 
Resposta: 0,5 M de glicose em 1000 mL (1 L) 
 
2. Calcule a concentração percentual das soluções: 
a. 2g de glicose em 200 mL de solução 
Resposta: 
 
 
b. 2M de glicose em 50 mL de solução 
Resposta: 
 
 
c. 5g de KCl em 10 mL de solução 
Resposta: 
 
 
3. Quantos gramas de soluto são necessários para preparar: 
a. 50 mL de NaOH a 5,5% 
Resposta: 
 
 
 
b. 75 mL de NaOH a 1M 
Resposta: 
 
 
c. 150 mL de NaCl a 18% 
Resposta: 
 
 
d. 200 mL de NaCl a 1M 
Resposta: 
 
 
5 DIFUSÃO, OSMOSE E TÔNUS 
 
5.1 Difusão 
 É um processo que decorre da tendência das moléculas em um determinado 
estado (sólido, líquido ou gasoso) de se distribuírem por toda a extensão do espaço 
disponível, movimentando-se da região onde elas estão em maior concentração para 
onde sua concentração é menor, de acordo com a 2ª Lei da Termodinâmica. 
 A velocidade de difusão depende de vários fatores como gradiente de 
concentração, temperatura, secção transversal, tamanho e forma das partículas e 
distância a ser percorrida. 
 
5.1.1 Lei de Fick (Lei da Difusão) 
 A lei de Fick é válida para 
difusão que ocorrer em locais com 
soluções homogêneas, onde o 
coeficiente de difusão altera-se 
muito pouco. 
 No organismo, porém, o 
processo de difusão ocorre entre 
compartimentos com soluções não 
homogêneas e a lei será sempre 
uma aproximação da realidade. 
 A difusão tem um importante papel nos organismos biológicos. Como por 
exemplo, cita-se a difusão de gases nos alvéolos pulmonares, a difusão de 
medicamentos (anestésicos injetados localmente em pequena área, se difundem, 
atingindo nervos e possibilitando a anestesia de regiões consideráveis). 
 
5.2 Osmose 
 É um caso particular de difusão, onde considera-se apenas o número 
(concentração) de partículas, desprezando-se a forma e volume dessas partículas. 
Desse modo, os fenômenos de osmose podem ser estudados através da pressão que 
as partículas exercem. 
A osmose ocorre sempre que houver duas soluções de diferentes concentrações 
em dois compartimentos, separados por uma membrana “semipermeável”, cuja 
característica é não permitir a difusão de solutos, mas somente de moléculas de 
solvente. 
 Desta forma, na osmose ocorre a alteração dos volumes dos compartimentos. 
Enquanto na difusão as concentrações e os volumes finais se igualam, na osmose, 
mesmo que se atinja a igualdade de concentrações, os volumes finais serão diferentes. 
 
5.2.1 Pressão osmótica (π) 
 Pressão exercida sobre a solução com maior concentração para que não ocorra 
a osmose, ou seja, para que o solvente não atravesse a membrana semipermeável. É 
definida por: 
π = n . R . T 
Onde, 
π = pressão osmótica em atm 
n = número de moles (osmoles de partículas) 
R = constante universal dos gases perfeitos (R = 0,082) 
T = temperatura em Kelvin (TK = TC + 273) 
 
 
Quanto maior a concentração da solução, maior será o efeito da osmose nas soluções e, por isso, maior 
será a pressão osmótica. 
4. Qual ovalor da pressão π de glicose com concentração de 0,5 osm a temperatura de 
30 °C? 
Resposta: 
 
 
5.3 Tônus celular 
 A tonicidade celular é a resposta da célula ao meio em que se encontra, tendo 
em vista que a célula pode aumentar ou diminuir de volume. Suas dependências são: 
 - Permeabilidade da membrana a diferentes substâncias; 
 - Concentração osmolar da solução que banha a célula. 
 Em uma solução com concentração osmolar = 0,3 (isosmótica) não ocorre 
alteração do tônus celular. Pode-se dizer que a solução é isotônica. Numa solução com 
concentração osmolar > 0,3 (hiperosmótica) ocorre a diminuição do tônus celular (a 
célula “murcha”). Pode-se dizer que a solução é hipertônica. Já em uma solução com 
concentração osmolar < 0,3 (hiporosmótica), ocorre o aumento do tônus celular, e pode-
se dizer que tal solução é hipotônica. Um exemplo disso, é o que ocorre com a hemácia 
(eritrócito) em soluções de diferentes osmolaridades, conforme a figura 1 abaixo. 
 
Figura 1: (I) A solução de NaCl é hipertônica (0,9 osm), o que provoca a saída de água da célula, 
murchando-a. (II) A solução de NaCl é isotônica (0,3 osm) e não ocorre alteração do tônus celular. (III) A 
solução de NaCl é hipotônica (0,1 osm), o que ocasiona a entrada de água na célula, aumentando seu 
volume e rompendo-a (hemólise). 
 
5.4 Soluções fisiológicas 
 São as soluções de substâncias não-permeantes às membranas celulares e cuja 
concentração seja 0,3 osmolar (mesma concentração do plasma sanguíneo e, logo, não 
atravessam a membrana celular rapidamente). Portanto, elas devem ser isosmolares e 
isotônicas, além de não serem tóxicas ao organismo. 
Exemplo1: Qual deve ser a concentração percentual de NaCl para que esta seja não-
permeante à membrana celular e não tóxica? (NaCl: 58,5 u.m.a.; i = 2). 
1) Calcular a concentração molar (Cosm = CM . i) 
0,3 = CM x 2 
CM = 0,15M ou 0,15 moles/L 
2) Calcular quantos gramas de NaCl tem na CM encontrada. (Lembre-se de que a 
concentração molar/molaridade é dada em 1L de solução). 
1 mol ------- 58,5 g 
0,15 --------- x 
x = 8,775 g (em 1 mol de NaCl) 
3) Calcular o percentual (em 100 mL de solução). 
8,775 ---------- 1000 mL 
x --------------- 100 
x = 0,9 g (0,9%) 
 
Exemplo2: Quantos gramas de NaCl dissolvidos em 300 mL de água são necessários 
para que a solução seja não-permeante à membrana celular e não tóxica? 
1) Calcular a concentração molar (Cosm = CM . i) 
Idem 1 anterior: 0,15M 
2) Calcular quantos gramas de NaCl tem na CM encontrada. (Lembre-se de que a 
concentração molar/molaridade é dada em 1L de solução). 
Idem 2 anterior: 8,775 g 
3) Calcular o percentual (em 300 mL de solução). Quantos gramas de NaCl há em 300 
mL de solução. 
8,775 ---------- 1000 mL 
x --------------- 300 
x = 2,63 g 
 
5. Qual a pressão exercida pelo plasma sanguíneo humano, cuja concentração é de 
aproximadamente 0,3 osm em temperatura de 20 °C? 
Resposta: 7,2 atm 
 
6. Sendo π a pressão osmolar, qual o valor desta pressão para uma solução de NaCl 
com concentração osmolar de 0,2 a temperatura de 23 °C? 
Resposta: 4,85 atm. 
 
7. Sendo π a pressão osmolar, qual o valor desta pressão para uma solução de KCl com 
concentração osmolar de 0,3 osm a temperatura de 23 °C? 
Resposta: 7,2 atm 
 
8. Qual deve ser a concentração percentual de glicose para que esta seja não-
permeante ou de absorção muito lenta e não tóxica? 
Resposta: 5,4% 
 
9. Quantos gramas de KCl dissolvidas em 180 mL de água são necessárias para que a 
solução seja não permeante à membrana celular e não tóxica? (iKCl = 2) 
Resposta: 2,01g 
 
10. A partir de quantos gramas de glicose dissolvidos em 3500 mL de água são 
necessários para que a solução seja não permeante à membrana celular e não tóxica? 
Resposta: 189g