TERMODINÁMICA

FISICOQUÍMICA 2012

UNIDAD I: TERMODINÁMICA

TEMA I: Introducción a la Fisicoquímica

SUMARIO: Introducción Naturaleza de la Fisicoquímica Importancia de la Fisicoquímica en las ciencias farmacéuticas. Aplicaciones de la fisicoquímica en las ciencias farmacéuticas Unidades Físicas importantes.

Introducción:

La fisicoquímica estudia el fundamento físico de las leyes de la química. Sus campos principales son la termodinámica química que estudia la energía, la dirección y equilibrio de las transformaciones químicas y la cinética química que estudia la velocidad con la que las reacciones ocurren.

El objetivo de la fisicoquímica es comprender los procesos químicos y físicos con el fin de poder predecirlos y controlarlos.

Para la ciencia farmacéutica la fisicoquímica contribuye en forma importante al conocimiento químico experimental y al reconocimiento de la química como una ciencia exacta en sus diferentes áreas de aplicación tales como la fabricación de formas farmacéuticas (coloides, miscelas y liposomas), cinética de absorción y estabilidad de medicamentos, fisiología celular, acción de drogas, etc.

Naturaleza de la fisicoquímica

Los sistemas químicos pueden estudiarse desde el punto de vista microscópico (en donde el concepto y naturaleza de los átomos y moléculas se usa explícitamente) o desde el punto de vista macroscópico (en donde se estudia el comportamiento en general sin tomar en cuenta cada átomo o molécula el sistema).

Por ejemplo, La termodinámica, como su nombre lo indica se basa en los cambios de calor y potencia que se producen en un sistema. Esta solo considera las propiedades macroscópicas del sistema y en muchos casos es independiente de la composición química de este. La química Cuántica que nos describe el sistema microscópico, considerando ahora al átomo y la molécula como elementos fundamentales, con la finalidad de poder predecir empleando la mecánica cuántica el comportamiento de los enlaces químicos y la espectroscopia. La mecánica estadística que es la parte de la fisicoquímica que nos permite enlazar las propiedades microscópicas con las propiedades macroscópicas de los sistemas y finalmente la cinética química que nos habla de la velocidad con que el sistema químico cambia. Idealmente, lo mejor sería estudiar todos los fenómenos a nivel molecular, debido a que así se aprende lo que ocurre en realidad.

Msc. Roberto Jesús Tórrez Barrera Página 1

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Importancia de la Fisicoquímica en las ciencias farmacéuticas

La formulación y preparación de medicamentos se consideró durante muchos años como un arte, y su estudio como disciplina estaba constituido por una gran cantidad de conocimientos empírico y descriptivo que se han transformado en la actualidad en un conjunto de nociones de mucho rigor científico de acelerado desarrollo. Las indicaciones mantenidas por tradición en prescripciones magistrales, de “Hágase según arte” debe ser sustituido por “Hágase según ciencia”, porque el horizonte intelectual y de preocupación científica se ha ampliado considerablemente para el logro de objetivos que pueda resumirse en la obtención de preparados farmacéuticos eficaces, seguros y de costo-beneficios.

Aplicaciones de la fisicoquímica en las ciencias farmacéuticas

a) Aplicaciones a la tecnología farmacéutica:

1) Los conceptos fundamentales de cinética química aplicados al estudio de drogas y sistemas farmacéuticos, permiten obtener expresiones cuantitativas para predicción de la estabilidad.

2) El conocimiento de los fenómenos de las partículas y de los conceptos de técnica de dispersión es importante en muchas áreas farmacéuticas y bio-farmacéutica. En la formulación y fabricación de formas de dosificación como polvos, cápsulas, tabletas, suspensiones, emulsiones y aerosoles. El conocimiento de la tecnología de las partículas es esencial. Además, cada vez es más importante considerar factores como el tamaño de partículas y su grado de desagregación en la utilización de drogas por el paciente.

3) Para el farmacéutico la reologia es importante en el flujo de emulsiones a través de molinos y bombas coloidales, la preparación y el manejo de ungüentos sobre rodillos o placas, la trituración de suspensiones con mortero y mano, y las propiedades mecánicas de recipientes de vidrio o plástico y de cierres de goma y caucho.

4) La preparación de disoluciones es una de las operaciones más utilizadas en tecnología farmacéutica. La solubilidad de los componentes de la formulación es uno de los factores importantes que hay que considerar en la preparación de disoluciones. Además, la solubilidad y la velocidad de disolución son parámetros que influyen en la absorción, y por tanto en la acción del fármaco.

5) El secado es una operación importante en la industria farmacéutica. Uno de los fines de la desecación es conseguir un producto en condiciones óptimas de inalterabilidad durante largos tiempos de almacenamientos. La desecación depende del estado de humedad de la atmosfera y del cuerpo en cuestión. Todo ello lleva a la necesidad de estudiar el estado de humedad o estado higrométrico del aire, y el comportamiento de las sustancias frente al agua. Por ejemplo la liofilización es un proceso de secado donde el solvente, por general agua, es primeramente congelado y posteriormente eliminado por sublimación en un entorno vacio. Los principios básicos que regulan la liofilización se centran en el diagrama de estado físico del agua.


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b) Aplicación a la Química farmacéutica

Se ha hecho un creciente hincapié sobre la importancia de las propiedades fisicoquímicas del fármaco y la relación de tales propiedades con la acción del mismo. El término fisicoquímico se emplea aquí para designar a la vez propiedades físicas y propiedades químicas de la molécula del fármaco, que puedan tener algún papel en el efecto biológico. Algunas de tales propiedades son la solubilidad, el coeficiente de partición, pKa, la tensión superficial, la isoteria, las fuerzas intermoleculares, los potenciales redox, tamaño molecular, las distancias interatómicas entre los grupos funcionales, la estereoquímica y los parámetros espectroscópicos.La correlación de las propiedades fisicoquímicas de las moléculas y las actividades biológicas de las mismas, han permitido a los científicos el diseño de fármacos nuevos, más seguros y eficaces.

c) Aplicación a la farmacocinética y biofarmacia

Las propiedades fisicoquímicas del medicamento que influyen en la velocidad de absorción son:

1) Factores que afectan a la solubilidad1.1. Forma cristalina, estado amorfo, polimorfismo, solvatación.1.2. Acido libre, base libre o forma salina.1.3. pKa1.4. Formación de complejos, soluciones solida, eutécticos. 1.5. Tensioactivos.

2) Factores que afectan al transporte a través de la membrana2.1 pKa y pH2.2 Presencia y/o ausencia de cargas.2.3 Coeficiente de reparto2.4 Volumen molar y forma monomericas o micelar2.5 Difusibilidad2.6 Capa de difusión acuosa.

Unidades Físicas importantes.

El sistema CGS (Centímetro-gramo-segundo), el cual se desarrollo en Francia después de la revolución Francesa, se ha adoptado casi en todo el mundo, con notable excepciones de los Estados Unidos. Por otra parte los Físicos se han inclinado por el sistema MKS (metro-kilogramo-segundo).

En 1960, en la Conferencia General de Pesa y Medidas, una autoridad internacional en unidades, se acordó adoptar el Sistema Internacional de Unidades (SI).

En la tabla 1 se proporcionan algunas de las magnitudes Físicas fundamentales.


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Tabla 1. Unidades básicas

Magnitud física Unidad CGS Unidad SI

Longitud Centímetro (cm) Metro (m)

Masa Gramo (g) Kilogramo (Kg)

Tiempo Segundo (s) Segundo (s)

Temperatura Kelvin (ºK) Kelvin (ºK)

FuerzaEn el sistema CGS, la unidad de fuerza es la dina (abreviada din). La fuerza en este sistema se define como la fuerza necesaria para que la masa de 1g adquiera una aceleración de 1 cms-2; esto es,

1 din = 1 gcms-2

En el sistema SI, la unidad de la fuerza es el Newton (abreviado N), en este sistema la fuerza se define como la fuerza necesaria para que la masa de 1 Kg adquiera una aceleración de 1 ms-2, esto es,

1 N = Kgms-2

El factor de conversión de Newton a dina es: 1 N = 105 din

Presión

La presión se define como fuerza/área, o sea,

En el sistema CGS, las unidades de presión son dincm -2 y el sistema SI, la unidad de presión es Nm-2.

Atmosfera

Por la definición, la atmosfera normal es la presión que ejerce una columna de mercurio de 76 cm de altura. Se escribe 1 atm = 1.01325 x 105 Nm-2 = 1.01325 x 106 dincm-2.

De modo que 1 atm es igual 1.01325 x 105 Pa.


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Energía

Como la energía es la capacidad para realizar trabajo y este es fuerza x distancia, se tiene,

Unidad CGS 1 din cm = 1 ergUnidad SI 1 N m = 1 J (Joule)Factor de conversión 1 J = 1x107 erg

Caloría

La caloría es una unidad muy apreciada por los químicos farmacéutico y biólogos. El factor de conversión es:

1 cal = 4.184 J

Temperatura

La medida del calor es la temperatura y el instrumento usado para medir la temperatura es el termómetro

La relación entre escala centígrada o Celsius (abreviado ºC) con la escala Fahrenheit (abreviada ºF) es:

Alternativamente, la temperatura medida en ºC puede convertirse a ºF usando la ecuación:

La escala de la temperatura absoluta o escala de Kelvin, se relaciona con la escala Celsius por medio:

Por convenio internacional la constante térmica de la ecuación anterior es el número de unidades Celsius entre el cero absoluta (T = 0 K) y el punto triple del agua, o sea la temperatura a la cual el agua en toda sus formas (solida, liquida y gaseosa) a una presión de una atmosfera está en equilibrio.

Fin del tema


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