tcm2-sistemas dispersos

Sistemas DispersosTecnología y Control de

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Sistemas Dispersos

Es el resultado de la interposición de dos o más componentes que pueden tener el mismo odistintos grado de agregación.

Es un sistema formado por dos o mas fases mezcladas, disueltas o interpuestas.

Definición


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FASE

• Parte homogénea de un sistema, la cual presentala misma disposición en toda la masa y las mismas propiedades fisicoquímicas.

• Debe estar bien definida y separada de las otras partes del sistema


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CLASIFICACIÓN DE

SISTEMAS DISPERSOS

Homogéneo

Es monofásico: todo el sistema presenta una fase y toda la masa presenta las mismas constantes fisicoquímicas en cualquier dirección

HeterogéneoEs polifásico: presenta dos o más fases. Sise mide un parámetro o propiedad fisicoquímica su valor no es constante entoda la masa


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CLASIFICACIÓN DE OSTWALD

HOMOGÉNEOS Soluciones verdaderas

Partículas <0.001 μ

Partículas > 0.1 μSuspensiones

Emulsiones

Partículas 0.1 μ – 0.001 μ Suspensoides

Emulsoides

HETEROGÉNEOS


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CLASIFICACIÓN DE STAUDINGER

< 1000 Átomos = SISTEMA DISPERSO HOMOGÉNEO

Número de átomos que conforman las partículas de la fase dispersa

1000 - 109 Átomos = SISTEMA COLOIDAL

> 109 Átomos = SISTEMA DISPERSO HETEROGÉNEO


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SOLUTO SOLVENTE EJEMPLO

Gas Gas Aire

Líquido Gas Agua en oxígeno

Sólido Gas Vapor de yodo en aire

Gas Líquido Agua carbonatada

Líquido Líquido Alcohol en agua

Sólido Líquido Solución acuosa de NaCl

Gas Sólido Hidrógeno en paladio

Líquido Sólido Aceite mineral en parafina

Sólido Sólido Oro-plata

SISTEMAS DISPERSOS HOMOGÉNEOS


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FASE EXTERNA FASE INTERNA DENOMINACIÓNGas No tienen denominación

Sólido Líquido especial y son de bajoSólido interés

Gas Espumas

Líquido Líquido EmulsionesSólido Suspensiones

Gas No existeGas Líquido Aerosol. Niebla.

Sólido Aerosol. Humo.

SISTEMAS DISPERSOS HETEROGÉNEOS


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Propiedades de las Soluciones

• Propiedades extensivas: Depende de la cantidad en el sistema (masa, volumen)

• Propiedades intensivas: Son independientes de la cantidad de sustancia en el sistema (temperatura, presión, densidad, tensión superficial, viscosidad de un líquido puro)

• Propiedades coligativas: Son dependientes del número de partículas en una solución. (presión osmótica, disminución del punto de congelamiento, elevación del punto de ebullición)*


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• Propiedades aditivas: Dependen de la total contribución de los átomos en las moléculas o sobre la suma de las propiedades delos constituyentes en la solución (peso molecular)

• Propiedades constitutivas: Depende del arreglo o, en menor extensión, del número y clase de átomos dentro de la molécula(Propiedades eléctricas)



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*ELECTROLITOS: Sustancias que forman iones en solución, conducen la corriente eléctrica y muestran propiedades coligativas “anómalas”, ellas producen una disminución en el punto de congelación y una mayor elevación del punto de ebullición que los No electrolitos a la misma concentración. Ejemplo: sulfato sódico, fenobarbital


*NO ELECTROLITOS: Sustancias que no producen iones cuando se disuelven en agua y por lo tanto no conducen la corriente eléctrica a través de la solución. Ejemplo: Sacarosa, glicerina, naftaleno, urea.


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REGLA DE LAS FASES DE GIBSSRelaciona el efecto del mínimo número de variables independientes o intensivas (temperatura, presión, concentración, densidad, viscosidad, calor específico), sobre las diversas fases (sólido, líquido y gas) que pueden existir en un sistema en equilibrio.

L = C – F + 2

L = Número de variables intensivas que deben fijarse para describir completamente el sistema y establecer de forma automática los valores de las demás variables intensivas.

C = Número de componentes del sistema.

F = Número de fases en el sistema.


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SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOSLos gases son capaces de disolverse en los líquidos, especialmente en el agua. La disolución de estos gases se realiza hasta cierto límite de

saturación que depende de la temperatura y la presión.

A mayor facilidad de licuación de un gas, mayor es su solubilidad en agua.

Gases fácilmente licuables: NH3, SO2,

Gases difícilmente licuables: H2, O2, N2.


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La solubilidad de un gas en un líquido viene dada por la concentración de gas disuelto que está en equilibrio con el que no está disuelto.

Depende de los siguientes factores:

• Presión. Ley de Henry. A mayor presión, mayor solubilidad de un gas en un líquido. (Se cumple sólo en gases que no reaccionan con el disolvente).

• Temperatura. Al aumentar la temperatura, disminuye la solubilidad del gas en un líquido.


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• Presencia de sales. (Efecto salino): La adición de una sal de un electrolito produce una disminución de la solubilidad de un gas en un líquido.

• Reacciones químicas entre gas y disolvente: Los gases que reaccionan químicamente con el solvente, presentan mayores valores de solubilidad. (Gases reaccionantes: Cl2, NH3)


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EXPRESION DE SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS

A) Constante de Henry: σ

B) Coeficiente de absorción de Bunsen: Se define como el volumen de gas, en litros, que se disuelve en 1 litro de solvente, bajo una presión parcial constante del gas de una atmósfera (1 atm) a una determinada temperatura

COEFICIENTES DE ABSORCIÓN O DE BUNSEN PARA GASES EN AGUA

GAS 0° C 20° C 25° C

Hidrógeno 0.0215 0.0184 0.0175

Nitrógeno 0.0235 0.0160 0.0143

Oxígeno 0.0478 0.0314 0.0283

Dióxido de carbono

1.713 0.878 0.759


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SOLUBILIDAD DE LÍQUIDOS EN LÍQUIDOS

Ejemplos de soluciones farmacéuticas:

Alcohol etílico + agua = Soluciones hidroalcohólicas y elíxires

Aceites volátiles + agua = Aguas Aromáticas

Aceites volátiles + alcohol etílico = Espíritus


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SISTEMAS BINARIOS

Cuando se mezclan dos líquidos, desde el punto de vista de la solubilidad, se puede presentar tres situaciones:

• Ambos líquidos son solubles el uno en el otro en todas proporciones (Miscibilidad Total). Ejemplo: Agua-alcohol etílico.

• Son solubles o miscibles parcialmente, sólo en proporciones definidas (Miscibilidad Parcial). Ejemplo: Sistema Agua-fenol, isobutanol-agua, trietanolamina-agua, nicotina-agua, éter-agua.

• Ambos líquidos son insolubles entre sí (Totalmente Inmiscibles). Ejemplo: Agua-mercurio


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DIAGRAMAS DE GIBBS PARA SISTEMAS BINARIOS PARCIALMENTE MISCIBLES

Los diagramas de Gibss limitan las zonas en las que el sistema presenta dos fases en relación con aquellas en que ambas sustancias se disuelven mutuamente (una fase).

Porcentaje de fenol (p/p)

Una fase

Dos fases

8.4 72.2100

b c d e f20°

b´ f ´

a

50°

66.8°(TMC)

Temp. °C


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Dos fases

Una fase

Porcentaje en peso de TEA

Temp.

TmC

1008020

20°

60°


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Dos fases

Una fase

1000

Temp.

Porcentaje de nicotina (p/p)

50°

85°

120°

155°

190°


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Fenol en agua (% por peso)

Una fase

Dos fases

80

b cd e f

66.8°

Tem

pera

tura

(°C

)

h

0 20 40 60

g i

11% fenol

63% fenol

a

Agua (A)Fenol (B)


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Determinación de composición de fases, en líquidos parcialmente miscibles, usando el diagrama de Gibbs.

1

2

2

1

xxxx

PP

−−

=

Composición de la capa líquida

1

Composición de la capa líquida

2

B A

t°

x1 x2x

Tem

pera

tura


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DIAGRAMAS DE GIBBS PARA SISTEMAS TERNARIOS PARCIALMENTE MISCIBLES

Diagrama triangular Gibbs, isotérmico, para sistemas ternarios.


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SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN LÍQUIDOS

Disolución: Dispersión de un sólido al estado molecular en un líquido o disolvente.

Coeficiente de solubilidad (Cs): Cantidad de soluto que admite la unidad de volumen del disolvente.

Velocidad de Disolución (Vd): Cantidad de soluto que se disuelve en la unidad de tiempo.


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• Toxicidad del disolvente respecto a la vía de administración.

• Mayor tolerancia.

• Mayor estabilidad.

• Más económico.

• Mejor manejo.

Elección del disolvente


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CRITERIOS DE PREDICCIÓN DE LA SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN LÍQUIDOS

A) POLARIDAD DEL SOLVENTE Y DEL SOLUTO

Los solventes polares disuelven los solutos iónicos o polares.

• El agua es solvente de las sales como el NaCl, disuelve el alcohol y compuestos con grupos hidroxilos acumulados, como el caso de losglúcidos, el glicerol, etc.

• Las moléculas de alcaloides y aminas aralquílicas se disuelven en agua cuando están polarizadas, es decir, al estado salificado (clorhidrato, sulfato, etc.) pero no cuando son apolares (bases libres).


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Los solventes apolares disuelven solutos apolares o no iónicos

• Los lípidos hidrocarburos, terpenos, bases de alcaloides y aminas aralquílicas de alto peso molecular, se disolverán en solventes apolares como son éter de petróleo, benceno, etc.

CRITERIOS DE PREDICCIÓN DE LA SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN LÍQUIDOS


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B) FORMACIÓN DE PUENTES DE HIDRÓGENO

• El agua forma puentes de hidrógeno entre sus moléculas y también lo hace con aquellos compuestos que poseen átomos o grupos polares, como es el caso del alcohol etílico, aminas salificadas, fenol, urea, etc.

• En el caso de sustancias de estructura compleja, el balance entre grupos polares y apolares que posee la molécula puede decidir sobre su solubilidad. “Un grupo polar por cada cuatro carbonos lineales o cinco ramificados, darán un fármaco hidrosoluble”.

• En general, en los fármaco orgánicos, la presencia de grupos polares tales como hidroxilo, carbonilo, amino, sulfónico, etc (-OH, -CO-, -COOH-, NH2, -SO3H. etc) favorece la solubilidad acuosa, tanto por su facultad de formar puentes de hidrógeno, como por la capacidad de d ar dipolos (casos de aminas, derivads sulfónicos, etc)


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VALORES DE ELECTRONEGATIVIDAD

H2.1

Li Be B C N O F1 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4

Na Mg Al Si P S Cl0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.5 3.0

K Ca Sc Ti Ge As Se Br0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.0 2.4 2.8

Rb Si Y Zr Sn Sb Te I0.8 1.0 1.2 1.4 1.8 1.9 2.1 2.5

Cs Ba0.7 0.9


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Diferencia de electronegatividad

Carácter iónico(%)

0.4 3

1.0 18

1.6 40

2.0 54

2.4 68


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Agua 78.5

Glicerol 42.0

Etilenglicol 37.0

Metanol 32.6

Etanol 24.3

Acetona 20.7

Cloroformo 4.8

Éter etílico 4.3

Ácido oleico 2.4

Benceno 2.0

Dioxano 2.2

Octano 1.9

CONSTANTE DIELÉCTRICAS DE SUSTANCIAS DE INTERÉS FARMACÉUTICO (A 20°C)


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C) PESO MOLECULAR

Las sustancias con bajo peso molecular tienen más probabilidad de ser hidrosolubles.

Los polímeros son caso siempre insolubles en agua. Ejemplo: almidón, celulosa, glucógeno

NaCl Almidón


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D) CONSTANTE DIELÉCTRICA

La constante dieléctrica está directamente relacionada con la estructura y la polaridad de las moléculas.

Surge de la Ley de Coulomb: “ Si F es la fuerza de atracción entre dos cargas electrostáticas Q y Q’, separadas por una distancia d, en un medio uniforme, se cumple que:

2

'dQQ

F⋅⋅

=ε

en donde ε es la constante dieléctrica y es una característica propia de es e medio. Aparece como un factor crítico en la atracción o separación de dos polos de signo contrario o igual, según sea el caso.


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Una ε alta significa una capacidad para disminuir la fuerza de atracción entre dos polos de signo contrario.

Los compuestos polares se disuelven fácilmente en los solventes de alta constante dieléctrica, en tanto que los semipolares lo hacen en los de mediana ε, y los apolares disuelven bien en los baja ε.

ε mezcla binaria A + B = (% solvente A x εA) + (% solvente B x εB)100


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FACTORES QUE INFLUYEN EN EL COEFICIENTE DE SOLUBILIDAD Y LA VELOCIDAD DE

DISOLUCIÓN DE UN FÁRMACO

}TEMPERATURAESTADOS ALOTRÓPICOS

Cs y Vd

SUSTANCIAS EXTRAÑASSEGUNDO DISOLVENTEpH

Cs}AGITACIÓNTAMAÑO DE PARTÍCULA

Vd}


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TEMPERATURA

La solubilidad de un sólido en un líquido, en una disolución ideal depende de:

• La temperatura

• Punto de fusión del sólido: A mayor temperatura de fusión, menor solubilidad. En la disolución ideal el calor de disolución es igual al calor de fusión.

• Calor molar de fusión ΔHf: Cantidad de energía emitida cuando una cantidad definida de soluto (generalmente 1 mol) es disuelto en una cantidad suficiente de disolvente.

ΔHf(+) = En el proceso de disolución se absorbe calor (Endotérmico)ΔHf(-) = En el proceso de disolución se cede calor (Exotérmico)

Aumenta la solubilidad de una sustancia conforme disminuye ∆Hf


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ECUACIÓN DE HILDEBRAN

Relaciona el número de moles disueltos en función de la temperatura

Cs = Solubilidad ideal del soluto expresada en fracción molar.

To = Punto de fusión de soluto sólido (Temperatura absoluta.

T = Temperatura absoluta de la solución


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ESTADOS ALOTRÓPICOS

Alotropía: Es la diferencia que en su aspecto, textura u otras propiedades puede presentar, a veces, un mismo elemento. Ejemplo: el carbono puede presentarse en tres formas o estados alotrópicos distintos: diamante, grafito y carbono amorfo.

Las diferentes formas alotrópicas presentan distintos contenidos energéticos: así, la forma que tiene más energía, es la más activa químicamente.

Los productos que presentan diferentes estados alotrópicos, presentan diferencias en el aspecto fisicoquímico, como es en el punto de fusión.


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SUSTANCIAS EXTRAÑAS

Una sustancia altamente ionizable que constituya una “impureza” en un sistema homogéneo, hará que el sólido original no alcance su Coeficiente de solubilidad (Cs).

SEGUNDO DISOLVENTE

Con relativa frecuencias se recurre a una mezlca de solventes con el fin de aumentar la solubilidad de los fármacos, permitiendo asívehiculizar en un menor volumen de líquido, una mayor dosis. A esto se le llama COSOLVENCIA.

Cuando ambos disolventes son miscibles, al mezclarlos se produciráun cambio en la constante dieléctrica, lo cual puede ser favorable para la disolución del fármaco.


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pH

Los ácidos débiles generalmente son ligeramente solubles en agua, pero si se aumenta el pH del medio por adición de una base, la solubilidad del ácido se incrementa tan considerablemente como el pH aumenta.


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Bases débiles

Determinación del pH por encima del cuál una base débil empieza a precipitar:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−+=

SoStSo

pKapH log

Acidos débiles

Determinación del pH por debajo del cual un ácido débil empieza a precipitar.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+=So

SoStpKapH log


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TAMAÑO DE PARTÍCULA

El mecanismo de disolución implica una acción superficial, por lo que cuanto menor sea el tamaño de las partículas del sólido, mayor será el área de contacto con el líquido y mayor su velocidad.

AGITACIÓN

La velocidad de disolución de una sustancias dependerá del coeficiente de difusión, el cual se incrementa con la agitación del sistema.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE DISOLUCIÓN


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INDUCCIÓN DE LA SOLUBILIDAD

DISOLUCIÓNEspontánea

Inducida Modificación

Molécula

Cristal

Solvente


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Los fármacos enolizables se disolverán en medio alcalino.

MODIFICACIÓN DE LA MOLÉCULA

Modificación del pH La polarización de la molécula da lugar a una hidrosolubilidad, lo cual se logra salificando la porción polarizable.


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Modificación Química

Cuando la molécula terapéutica original carece de un grupo polarizable, se puede introducir este de forma extemporánea. Esto implica una nueva síntesis por lo que se deberá investigar si la nueva molécula posee las cualidades terapéuticas del producto original.

MODIFICACIÓN DE LA MOLÉCULA


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Implica la búsqueda de polimorfos que tengan una mayor solubilidad que la del cristal original o bien que tengan mayor velocidad de disolución.

MODIFICACIÓN DEL CRISTAL


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MODIFICACIÓN DEL SOLVENTE

a) Cosolvencia

Mezclar dos solventes con diferente constante dieléctrica a fin de alcanzar el requerimiento dieléctrico del fármaco que se desea disolver.

b) Sobresaturación

Las soluciones sobresaturadas son inestables por lo que el exceso de soluto se deposita bajo estímulo adecuados tales como: agitación vigorosa, congelamiento, introducción de partículas sólidas, etc.

Es posible formar complejos en soluciones acuosas que tienen mayores coeficientes de solubilidad que las del fármaco original.

Ejemplo: La solubilidad del gluconato cálcico en agua (3%), se puede incrementar hasta un 10% con la adición de borato cálcico y hexamina.


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c) Hidrotopía

Es posible modificar la naturaleza del agua frente a diversos materiales poco solubles en ella, disolviendo previamente un material muy soluble, capaz de hacer posible la solvatación de aquél. Por lo tanto la hidrotopía consiste en incrementar la solubilidad acuosa de una sustancia utilizando soluciones concentradas de otros materiales muy solubles.

Ejemplo: La cafeína tiene una solubilidad en agua del 2%. La adición al agua de benzoato o salicilato de sodio al 35%, permite aumentar la solubilidad de la cafeína a un 25%.

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