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8.6 propieDaDes De las Disoluciones 325 un color, pero éste es homogéneo. Las partículas son tan pequeñas que pasan a través de filtros y a través de membranas semipermeables. Una membrana semipermeable permite el paso de las moléculas de solvente como el agua y partículas de soluto muy pequeñas, pero no el de moléculas de soluto grandes. Coloides Las partículas en una dispersión coloidal, o coloide, son mucho más grandes que las partí- culas de soluto en una disolución. Las partículas coloidales son moléculas grandes, como las proteínas, o grupos de moléculas o iones. Los coloides son mezclas homogéneas que no se separan ni asientan. Las partículas coloidales son suficientemente pequeñas para pasar a través de filtros, pero demasiado grandes para pasar a través de membranas semi- permeables. La tabla 8.12 cita varios ejemplos de coloides. TABLA 8.12 Ejemplos de coloides Sustancia dispersada Medio de dispersión Niebla, nubes, aerosoles Líquido Gas Polvo, humo Sólido Gas Crema de afeitar, crema batida, pompas de jabón Gas Líquido Espuma de poliestireno, malvaviscos Gas Sólido Mayonesa, leche homogeneizada, loción para manos Líquido Líquido Queso, mantequilla Líquido Sólido Plasma sanguíneo, pinturas (látex), gelatina Sólido Líquido La química en la salud coloiDes y Disoluciones en el cuerpo En el cuerpo, membranas semipermeables retienen los coloides. Por ejemplo, el recubrimiento intestinal permite que las partículas en di- solución pasen hacia los sistemas circulatorios sanguíneo y linfático. Sin embargo, los coloides de los alimentos son demasiado grandes para pasar a través de la membrana, y permanecen en el tubo di- gestivo. La digestión descompone las partículas coloidales grandes, como almidón y proteínas, en partículas más pequeñas, como glucosa y aminoácidos, que pueden pasar a través de la membrana intestinal y entrar al sistema circulatorio. Sin embargo, los procesos digestivos humanos no pueden descomponer ciertos alimentos, como el sal- vado, una forma de fibra, que pasan intactos por el intestino. Puesto que las proteínas grandes, como las enzimas, son coloi- des, permanecen en el interior de las células. No obstante, muchas de las sustancias que las células necesitan obtener, como oxígeno, aminoácidos, electrolitos, glucosa y minerales, pueden pasar a través de membranas celulares. Los productos de desecho, como la urea y el dióxido de carbono, salen de la célula para ser excretados. Suspensiones Las suspensiones son mezclas heterogéneas no uniformes que son muy diferentes de las disoluciones o coloides. Las partículas de una suspensión son tan grandes que con fre- cuencia pueden verse a simple vista. Dichas partículas quedan atrapadas en filtros y mem- branas semipermeables. El peso de las partículas de soluto suspendidas hace que se asienten poco después de mezclarse. Si usted revuelve agua lodosa, se mezcla pero luego se separa rápidamente a medida que las partículas suspendidas se asientan en el fondo y dejan líquido claro en la parte superior. Usted puede encontrar suspensiones entre los medicamentos de un hospital o en su botiquín personal. Algunas de ellas son Kaopectate, loción de calamina, mezclas antiácidas y penicilina líquida. Es importante “agitar bien antes de usarse” para suspender todas las partículas antes de administrar un medicamento que sea suspensión. Las plantas de tratamiento de aguas utilizan las propiedades de la suspensión para pu- rificar agua. Cuando floculantes como el sulfato de aluminio o el sulfato de hierro(III) se 326 capÍtulo 8 Disoluciones COMPROBACIÓN DE CONCEPTOS 8.8 Clasificación de tipos de mezclas Clasifique cada una de las siguientes como disolución, coloide o suspensión: a. una mezcla que tiene partículas que se asientan al quedarse quieta b. una mezcla cuyas partículas de soluto pasan a través tanto de filtros como de membranas c. una enzima, que es una molécula proteínica grande, que no puede pasar a través de membranas celulares, pero pasa a través de un filtro RESPUESTA a. Una suspensión tiene partículas muy grandes que se asientan al quedarse quieta. b. Una disolución contiene partículas suficientemente pequeñas que pueden pasar a tra- vés tanto de filtros como de membranas. c. Un coloide contiene partículas que son suficientemente pequeñas para pasar a través de un filtro, pero demasiado grandes para pasar a través de una membrana. TABLA 8.13 Comparación de disoluciones, coloides y suspensiones Tipo de mezcla Tipo de partícula Asentamiento Separación Disolución Pequeñas partículas como átomos, iones o moléculas pequeñas Las partículas no se asientan Las partículas no pueden separarse con filtros o membranas semipermeables Coloide Moléculas más grandes o grupos de moléculas o iones Las partículas no se asientan Las partículas pueden separarse con membra- nas semipermeables, pero no con filtros. Suspensión Partículas muy grandes que pueden ser visibles Las partículas se asientan rápidamente Las partículas pueden separarse con filtros y membranas Disolución Suspensión Coloide Asentamiento Filtro Membrana semipermeable FiGura 8.9 propiedades de di- ferentes tipos de mezclas: (a) las suspensiones se asientan; (b) las sus- pensiones se separan con un filtro; (c) las partículas de disolución pasan a través de una membrana semiper- meable, pero los coloides y las sus- pensiones no lo hacen. P es posible utilizar un filtro para separar partículas en suspensión de una disolución, pero para separar los coloides de una disolución es necesa- ria una membrana semiper- meable. explique. agregan a agua no tratada, reaccionan con las partículas pequeñas de impurezas para formar grandes partículas suspendidas denominadas flóculos. En la planta de tratamiento de agua, un sistema de filtros atrapa las partículas suspendidas, pero permite el paso de agua limpia. La tabla 8.13 compara los diferentes tipos de mezclas y la figura 8.9 ilustra algunas propiedades de disoluciones, coloides y suspensiones. 8.6 propieDaDes De las Disoluciones 327 Reducción del punto de congelación y elevación del punto de ebullición Cuando un soluto se agrega al agua, cambian propiedades físicas como el punto de congelación y el punto de ebullición. El punto de congelación se reduce y el punto de congelación se eleva. Este tipo de cambios, conocidos como propiedades coligativas, dependen sólo del número de moléculas o partículas de soluto en un volumen dado de solvente, y no del tipo de partículas. Probablemente un ejemplo familiar de reducción del punto de congelación es el pro- ceso de rociar sal sobre las aceras y caminos helados cuando la temperatura desciende por abajo del punto de congelación. Las partículas de sal se combinan con agua y disminuye el punto de congelación, lo que hace que el hielo se derrita. Otro ejemplo es la adición de anticongelante, como el etilenglicol, C2H6O2, al agua en el radiador de un automóvil. Si la mezcla de etilenglicol y agua es aproximadamente 50% de agua en masa, no se congela hasta que la temperatura disminuye a cerca de 37 C (34 F), y no bulle a menos que la temperatura suba a 124 C (255 F). La disolución en el radiador evita que el agua forme hielo en un clima frío y hierva en una autopista del desierto. Insectos y peces en climas con temperaturas bajo cero controlan en su sistema la for- mación de hielo al producir dentro de su cuerpo anticongelantes biológicos hechos con glicerol, proteínas y azúcares como la glucosa. Algunos insectos pueden sobrevivir a tem- peraturas por debajo de 60 C. Estas formas de anticongelantes biológicos podrían apli- carse algún día a la preservación a largo plazo de órganos humanos. La reducción del punto de congelación se debe a partículas de soluto que alteran la for- mación de la estructura sólida del hielo. Cuando un soluto se agrega a un solvente, se im- pide que las moléculas del solvente formen un sólido. Para que la disolución se congele, la temperaturadebe ser menor que el punto de congelación del solvente. Cuanto mayor sea la concentración del soluto, menor será el punto de congelación. Un efecto similar ocurre con el punto de ebullición de un solvente. Cuando un soluto se agrega a un solvente, la presión de vapor del solvente disminuye. Para que la disolución hierva, la temperatura debe ser superior a la del solvente para alcanzar la presión de vapor necesaria para hervir. Un mol de partículas en 1000 g de agua reduce el punto de congelación de 0 C a 1.86 C. Si hay 2 moles de partículas en 1000 g de agua, el punto de congelación disminuye a 3.72 C. Un cambio similar ocurre con el punto de ebullición del agua. Un mol de partícu- las en 1000 g de agua eleva el punto de ebullición en 0.52 C, es decir, de 100 C a 100.52 C. Como estudió en la sección 8.2, un soluto que es no electrolito se disuelve como moléculas, en tanto que un soluto que es un electrolito fuerte se disuelve por completo como iones. El soluto en el anticongelante, que es etilenglicol, C2H6O2, se disuelve como moléculas. La sal CaCl2 que se usa para derretir hielo en las carreteras y aceras produce 3 moles de partículas, 1 mol de Ca2 y 2 moles de Cl a partir de 1 mol de CaCl2, que reducirán el punto de congelación del agua tres veces más que un mol de etilenglicol. En la tabla 8.14 se resume el efecto de las partículas de soluto sobre el punto de congelación y el punto de ebullición. un camión rocía cloruro de calcio sobre el camino para derretir el hielo y la nieve. No electrolito 1 mol de C2H6O2 (l ) 1 mol de C2H6O2 (ac) Electrolitos fuertes 1 mol de NaCl(s) 1 mol de Na(ac) 1 mol de Cl(ac) 2 moles de partículas (ac) 1 mol de CaCl2(s) 1 mol de Ca2(ac) 2 moles de Cl(ac) 3 moles de partículas (ac) Z Z el escarabajo upis de alaska pro- duce anticongelante biológico para sobrevivir a temperaturas bajo cero. TABLA 8.14 Efecto de la concentración de soluto sobre los puntos de congelación y ebullición de 1000 g de agua Sustancia Tipo de soluto Moles de partículas de soluto Punto de congelación Punto de ebullición Agua pura Ninguno 0 0 °C 100 °C 1 mol de etilenglicol No electrolito 1 mol 1.86 °C 100.52 °C 1 mol de NaCl Electrolito fuerte 2 moles 3.72 °C 101.04 °C 1 mol de CaCl2 Electrolito fuerte 3 moles 5.58 °C 101.56 °C 328 capÍtulo 8 Disoluciones Presión osmótica En la ósmosis, una membrana semipermeable permite que las moléculas del solvente, agua, pasen a través de ella, pero retiene las moléculas de soluto. En este proceso de di- fusión el agua se mueve del compartimiento donde su concentración es mayor al lado donde tiene menor concentración. En términos de concentración de soluto, el agua fluye a través de la membrana en la dirección que igualará o intentará igualar las concentraciones de soluto en ambos lados. Aunque el agua puede fluir en ambas direcciones a través de la membrana semipermeable, el flujo neto de agua es del lado con menor concentración de soluto hacia el lado con mayor concentración de soluto. Si un aparato de ósmosis contiene agua en un lado y una disolución de sacarosa en el otro lado, el flujo neto de agua será del agua pura hacia la disolución de sacarosa, lo que aumenta su volumen y reduce su concentración de sacarosa. En el caso donde dos disoluciones de sacarosa con diferentes concentraciones se coloquen en cada lado de la membrana semipermeable, el agua fluirá del lado que contiene menor concentración de sacarosa hacia el lado que contiene mayor concentración de sacarosa. COMPROBACIÓN DE CONCEPTOS 8.9 Cambios en el punto de congelación En cada par, identifique la disolución que tendrá menor punto de congelación. Explique. a. 1.0 mol de NaOH (electrolito fuerte) y 1.0 mol de etilenglicol (no electrolito), cada uno en 1.0 L de agua. b. 0.20 moles de KNO3 (electrolito fuerte) y 0.20 moles de Ca(NO3)2 (electrolito fuerte), cada uno en 1.0 L de agua. RESPUESTA a. Cuando 1.0 mol de NaOH se disuelve en agua, producirá 2.0 moles de partículas porque cada NaOH se disocia para producir dos partículas, Na y OH. Sin em- bargo, 1.0 mol de etilenglicol se disuelve como moléculas para producir solamente 1.0 mol de partículas. Por tanto, 1.0 mol de NaOH en 1.0 L de agua tendrá menor punto de congelación. b. Cuando 0.20 moles de KNO3 se disuelven en agua, producirán 0.40 moles de partículas, porque cada KNO3 se disocia para producir dos partículas, K y NO3 . Cuando 0.20 moles de Ca(NO3)2 se disuelven en agua, producirán 0.60 moles de partículas, por- que cada Ca(NO3)2 se disocia para producir tres partículas, Ca 2 y 2NO3 . Por tanto, 0.20 moles de Ca(NO3)2 en 1.0 L de agua tendrán el punto de congelación más bajo. el agua fluye hacia la disolución con mayor concentración de soluto hasta que el flujo de agua se iguala en ambas direcciones. tutorial osmosis activiDaD De autoaprenDizaje Diffusion MC TM el etilenglicol se agrega al radiador de un automóvil para formar una disolución que tenga un punto de congelación menor y un punto de ebullición mayor que el del agua. 8.6 propieDaDes De las Disoluciones 329 ÓsMosis cotiDiana 1. Coloque algunos trozos de fruta seca, como pasas, ciruelas pasas o rebanadas de plátano, en agua. Obsérvelos después de 1 hora o más. Obsérvelos de nuevo al día siguiente. 2. Coloque unas cuantas uvas en una disolución de agua salada concen- trada. Obsérvelas después de 1 h o más. Obsérvelas de nuevo al día siguiente. 3. Coloque una rebanada de papa en agua y otra rebanada en una diso- lución de agua salada concentrada. Después de 1 o 2 h, observe las formas y tamaños de las rebana- das. Obsérvelas de nuevo al día siguiente. PREGUNTAS 1. ¿Cómo cambió la forma de la fruta seca después de ponerla en agua? Explique. 2. ¿Cómo cambió el aspecto de las uvas después de ponerlas en la disolución de agua salada concen- trada? Explique. 3. ¿Cómo se compara el aspecto de la rebanada de papa que colocó en agua con el de la rebanada de papa que colocó en agua salada? Explique. 4. En la tienda, ¿por qué se usan ro- ciadores para rociar agua sobre los productos frescos como lechuga, zanahorias y pepinos? Explore su mundo Con el tiempo, la altura de la disolución de sacarosa crea suficiente presión para igualar el flujo de agua entre los dos compartimientos. Esta presión, llamada presión osmótica, impide que fluya más agua hacia la disolución más concentrada. Entonces ya no hay más cambio en los volúmenes de las dos disoluciones. La presión osmótica depende de la con- centración de partículas de soluto en la disolución. Cuanto más grande sea el número de partículas disueltas, mayor es la presión osmótica. En este ejemplo, la disolución de sacarosa tiene mayor presión osmótica que el agua pura, que tiene una presión osmótica de cero. En un proceso denominado ósmosis inversa, una presión mayor que la presión os- mótica se aplica a una disolución, de modo que es forzada a cruzar una membrana de purificación. El flujo de agua se invierte porque el agua fluye de un área de menor concen- tración de agua a un área de mayor concentración de agua. Las moléculas y los iones en disolución permanecen del lado de menor concentración de agua (disolución cada vez con mayor número de moléculas y iones) atrapados por la membrana, mientras que el agua pasa a través de la membrana. Este proceso de ósmosis inversa se utiliza en algunas plan- tas de desalinización para obtener agua pura a partir de agua de mar (salada). Sin embargo, la presión que debe aplicarse requiere tanta energía que la ósmosis inversa todavía no es un método barato para obtener agua pura en la mayor parte del mundo. COMPROBACIÓN DE CONCEPTOS 8.10 Presión osmótica Una disolución de sacarosa al 2% (m/v) y una disolución de sacarosa al 8% (m/v) están separadas por una membrana semipermeable. a. ¿Cuál disolución de sacarosa ejerce mayor presión osmótica? b. ¿En qué dirección fluye inicialmente el agua? c. ¿Cuál disolución tendrá mayornivel de líquido en equilibrio? RESPUESTA a. La disolución de sacarosa al 8% (m/v) tiene mayor concentración de soluto, más partículas de soluto y mayor presión osmótica. b. Inicialmente el agua fluirá fuera de la disolución al 2% (m/v) hacia la disolución más concentrada de 8% (m/v). c. El nivel de la disolución al 8% (m/v) será el más alto. Disoluciones isotónicas Puesto que las membranas celulares en los sistemas biológicos son semipermeables, la ósmosis es un proceso continuo. Todos los solutos en las disoluciones corporales como sangre, líquidos intersticiales, linfa y plasma, ejercen presión osmótica. La mayoría de las disoluciones intravenosas son disoluciones isotónicas, que ejercen la misma presión osmó- tica que los líquidos corporales, como la sangre. Iso significa “igual a”, y tónico se refiere a la presión osmótica de la disolución en la célula. Las disoluciones isotónicas incluyen di- solución de NaCl al 0.9% (m/v) y disolución de glucosa al 5% (m/v). Aunque no contienen las mismas partículas, una disolución de NaCl al 0.9% (m/v), así como una disolución de glucosa al 5% (m/v), tienen ambas una concentración 0.3 M (iones Na y Cl o moléculas de glucosa). Un eritrocito colocado en una disolución isotónica conserva su volumen por- que existe un flujo igual de agua dentro y fuera de la célula (véase la figura 8.10a). una disolución de nacl al 0.9% es isotónica con respecto a la con- centración de soluto de las células sanguíneas del cuerpo. 330 capÍtulo 8 Disoluciones Si un eritrocito se coloca en una disolución hipertónica, que tiene mayor concentra- ción de soluto que la del interior del eritrocito (hiper significa “mayor que”), las molécu- las de agua salen de la célula por ósmosis y diluyen los solutos fuera de la célula. Imagine que un eritrocito se coloca en una disolución de NaCl al 10% (m/v). Dado que la presión osmótica en el eritrocito es igual a la de la disolución de NaCl al 0.9% (m/v), la disolución de NaCl al 10% (m/v) tiene mucho mayor presión osmótica. A medida que se pierde agua, la célula se encoge, un proceso denominado crenación (véase la figura 8.10c). Un proceso similar ocurre cuando se elaboran pepinillos, para lo cual se utiliza una disolución salada hipertónica que hace que los pepinos se encojan al tiempo que pierden agua. EJEMPLO DE PROBLEMA 8.14 Disoluciones isotónica, hipotónica e hipertónica Describa cada una de las siguientes disoluciones como isotónica, hipotónica o hipertó- nica. Indique si un eritrocito colocado en cada disolución experimentará hemólisis, crena- ción o ningún cambio. a. una disolución de glucosa al 5% (m/v) b. una disolución de NaCl al 0.2% (m/v) SOLUCIÓN a. Una disolución de glucosa al 5% (m/v) es isotónica. Un eritrocito no experimentará ningún cambio. b. Una disolución de NaCl al 0.2% (m/v) es hipotónica. Un eritrocito experimentará hemólisis. COMPROBACIÓN DE ESTUDIO 8.14 ¿Qué le ocurrirá a un eritrocito colocado en una disolución de glucosa al 10% (m/v)? Disoluciones hipotónicas e hipertónicas Si un eritrocito se coloca en una disolución que no es isotónica, las diferencias de presión osmótica dentro y fuera de la célula pueden alterar de manera drástica el volumen de la cé- lula. Cuando un eritrocito se coloca en una disolución hipotónica, que tiene menor concen- tración de soluto (hipo significa “menor que”), el agua fluye hacia el interior de la célula por ósmosis con la finalidad de diluir los solutos dentro de la célula (véase la figura 8.10b). El aumento de líquido hace que la célula se hinche, y posiblemente explote, un proceso deno- minado hemólisis. Un proceso similar ocurre cuando usted coloca alimentos deshidratados, como pasas o fruta seca. El agua entra a las células y el alimento se vuelve regordete y liso. FiGura 8.10 (a) en una disolución isotónica, un eritrocito conserva su volumen normal. (b) Hemólisis: en una disolución hipotónica, el agua fluye hacia un eritrocito, lo que hace que se hinche y explote. (c) crenación: en una disolución hipertónica, el agua sale del eritrocito, lo que hace que se encoja. P ¿Qué ocurre con un eritrocito colocado en una disolución de nacl al 4% (m/v)? 8.6 propieDaDes De las Disoluciones 331 Diálisis La diálisis es un proceso similar a la ósmosis. En la diálisis, una membrana semiper- meable, llamada membrana dializante, tiene pequeños orificios que permiten el paso de pequeñas moléculas de soluto y iones, así como moléculas de agua (solvente), pero retienen las partículas grandes, como coloides. La diálisis es una forma de separar partículas en disolución de los coloides. Imagine que una bolsa de celofán se llena con una disolución que contiene NaCl, glucosa, almidón y proteína, y se le coloca en agua pura. El celofán es una membrana dializante y los io- nes de sodio, los iones de cloruro y las molécu- las de glucosa pasarán a través de ella hacia el agua circundante. Sin embargo, el almidón y la proteína permanecen adentro porque son coloi- des. Las moléculas de agua fluirán por ósmosis hacia la bolsa de celofán. Con el tiempo, las con- centraciones de iones de sodio, iones de cloruro y moléculas de glucosa dentro y fuera de la bolsa dializante se vuelven iguales. Para retirar más NaCl o glucosa, la bolsa de celofán debe colo- carse en una nueva muestra de agua pura. tutorial Dialysis MC TM en los riñones, los nefrones contienen cada uno un glo- mérulo, donde urea y productos de desecho se retiran de la sangre para formar orina. La química en la salud DiÁlisis por los riÑones y el riÑÓn artiFicial Los líquidos del cuerpo experimentan diálisis por medio de las membra- nas que existen en los riñones, que eliminan materiales de desecho, sales en exceso y agua. En un adulto, cada riñón contiene aproximadamente 2 millones de nefrones, la unidad funcional del riñón. En la parte superior de cada nefrón hay una red de capilares arteriales llamados glomérulos. A medida que la sangre fluye hacia el nefrón, pequeñas partículas, como aminoácidos, glucosa, urea, agua y ciertos iones, atravesarán las membranas capilares de los glomérulos. Al tiempo que esta diso- lución atraviesa la membrana de los glomérulos, sustancias todavía valiosas para el cuerpo (como aminoácidos, glucosa, ciertos iones y 99% del agua) son reabsorbidas. El principal producto de desecho, la urea, se excreta en la orina. Hemodiálisis Si los riñones no pueden dializar los productos de desecho, el au- mento de los niveles de urea puede poner en peligro la vida en relati- vamente poco tiempo. Una persona con insuficiencia renal debe usar un riñón artificial, que limpia la sangre por medio de hemodiálisis. Un riñón artificial típico contiene un tanque grande lleno de agua con electrolitos seleccionados. En el centro de este baño dializante (dia- lizado) hay una bobina o membrana dializadora hecha de tubos de ce- lulosa. A medida que la sangre del paciente fluye a través de la bobina dializadora, los productos de desecho altamente concentrados salen de la sangre mediante diálisis. No se pierde sangre, porque la membrana no es permeable para las partículas grandes como los eritrocitos. Los pacientes sometidos a diálisis no producen mucha orina. Como resultado, retienen grandes cantidades de agua entre los trata- mientos de diálisis, lo que produce tensión en el corazón. El consumo de líquidos para un paciente que se somete a diálisis debe restrin- girse a apenas unas cucharaditas de agua al día. En el procedimiento de diálisis, la presión de la sangre aumenta conforme circula por la bobina dializadora, de modo que el agua puede extraerse hacia afuera de la sangre. En algunos pacientes que se someten a diálisis, de 2 a 10 L de agua pueden eliminarse durante un tratamiento. Este tipo de pacientes por lo general tienen de dos a tres tratamientos a la semana, y cada tratamiento toma aproximadamente de 5 a 7 h. Algunos de los tratamientos más recientes requieren menos tiempo. Muchos pacien- tes la realizan en casa con una unidadcasera de diálisis.
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