Los fundamentos del intercambio de gases. Factores que influyen en este intercambio
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Autora: Violeta Arduini
Responsable disciplinar: Silvia Blaustein
Área disciplinar: Biología
Temática: Intercambio gaseoso
Nivel: Secundario, ciclo básico
Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar
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Propósitos generales
Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.
Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
Todos los seres vivos, desde el más pequeño de los microorganismos hasta un gran mamífero, deben intercambiar materia con el medio ambiente para lograr subsistir. Un ejemplo es el intercambio de gases, cuyo mecanismo puede diferir entre distintos tipos de organismos, pero siempre se basa en el mismo principio físico: la difusión a través de una membrana. Mediante las siguientes actividades estudiarán este fenómeno y su importancia biológica.
Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
- estudien las bases físicas del intercambio gaseoso a partir de la comprensión de las leyes que describen el proceso de difusión;
- exploren su importancia biológica mediante el análisis de distintos tipos de respiración llevados a cabo por plantas y animales;
- resuelvan situaciones problemáticas.
Actividad 1.
¿Cómo imaginan a las moléculas en el estado sólido, líquido y gaseoso? En el primero, el espacio intermolecular es pequeño, mientras que en el segundo es mayor que en un sólido, pero muy inferior al encontrado en un gas. Por eso mismo, en el estado de agregación gaseoso, las moléculas presentan mucha más movilidad que en los otros dos casos. Esta movilidad está asociada con la presión de un gas. En efecto, la presión de un gas se genera debido a la colisión de las moléculas contra el recipiente que lo contiene. Por lo tanto, mientras más de estos impactos tengan lugar, mayor presión acumulará dicho envase.
La presión explica varios fenómenos relacionados con los gases, entre ellos, la difusión. En este suceso, un gas migra hacia el seno de otro en función de su presión parcial. Pero ¿qué es la presión parcial? Bien, la presión parcial hace referencia a la presión ejercida por un gas en un contexto en el cual existe una mezcla de gases. Por ejemplo, en un recipiente que contiene el gas 1, se habla de la presión del gas 1; pero si simultáneamente se encuentran los gases 1 y 2, se habla de las presiones parciales de 1 y de 2 que, según la ley de Dalton, son iguales a la presión de estos, si cada uno se encontrase solo (a menos que reaccionaran químicamente entre sí). Volviendo a la difusión gaseosa, en este proceso un gas se mueve desde una zona de mayor a otra de menor presión parcial.
1. Para comprender mejor estos conceptos, resuelvan los siguientes problemas:
a) Se dispone de un recipiente cerrado de dos litros a una temperatura T1, que contiene X número de moléculas del gas A, en donde la presión es igual a PA. Consideren los siguientes casos e indiquen si la presión que ejerce el gas A es mayor, menor o igual a PA.
Justifiquen sus respuestas interpretando qué ocurre a nivel molecular.
Aclaración: tengan en cuenta que un aumento de temperatura incrementa la velocidad a la que se mueven las moléculas, y ello provoca más colisiones con las paredes del recipiente.
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Caso |
Capacidad del recipiente |
Moléculas del gas A |
Moléculas del gas B |
Temperatura |
|---|---|---|---|---|
|
1 |
3 litros |
X |
0 |
T1 |
|
2 |
3 litros |
2X |
0 |
T2 > T1 |
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3 |
3 litros |
X |
0 |
T0 < T1 |
|
4 |
6 litros |
2X |
0 |
T1 |
|
5 |
1,5 litros |
X |
0 |
T1 |
|
6 |
6 litros |
X |
0 |
T1 |
|
7 |
3 litros |
X |
X |
T1 |
2. Indiquen si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. En cada caso, justifiquen sus respuestas.
La resolución de esta actividad debe ser llevada a cabo en el procesador de textos de sus equipos portátiles, y guardada en una carpeta compartida. Cada archivo será corregido por un compañero mediante la herramienta “control de cambios”. La designación de las correcciones será realizada al azar, por medio de un sorteo.
Se dispone de un recipiente cerrado con dos compartimientos, 1 y 2, inicialmente aislados. El número 1 contiene gas A.
- Si en 2 hay vacío y en un momento dado se comunican los compartimientos, el gas A difundirá de 1 a 2, hasta igualar su presión parcial en todo el recipiente.
- La difusión no es un proceso gradual, ocurre en forma instantánea.
- Si 2 contiene el gas B, con una presión parcial igual a la ejercida por A en 1, y en un momento dado se comunican los compartimientos, A no difundirá de 1 a 2 porque las presiones parciales de ambos gases son iguales.
a) Luego de las correcciones, discutan en clase las respuestas acertadas y los errores más frecuentes.
Actividad 2.
Existen varias leyes físicas asociadas con el intercambio de gases. La ley de Fick y la ley de Graham describen el proceso de difusión a través de una membrana. Por lo tanto, resultan de especial interés para comprender cómo ocurre el intercambio gaseoso a nivel biológico porque, como se mencionó, en los seres vivos dicho proceso siempre ocurre a través de una membrana.
1. Con los datos de la siguiente tabla, construyan un único gráfico en el programa Excel de sus equipos portátiles (y en función de x). El gráfico resultante mostrará lo que se conoce como distribución de velocidad para tres gases hipotéticos (A, B y C), para una temperatura dada. El eje y representa el número de moléculas de gas, mientras que el eje x es la velocidad que alcanzan dichas moléculas. No interesa considerar la unidad de velocidad molecular ni los valores correspondientes al eje y, solamente tomen en cuenta que el pico de cada curva representa la velocidad más probable (velocidad que alcanzan la mayoría de las moléculas).
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Gas A |
Gas B |
Gas C |
|||
|---|---|---|---|---|---|
|
x |
Y |
x |
y |
x |
y |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
100 |
600 |
200 |
400 |
350 |
270 |
|
150 |
1100 |
350 |
600 |
650 |
320 |
|
200 |
600 |
500 |
400 |
900 |
250 |
|
300 |
150 |
550 |
300 |
1100 |
100 |
|
400 |
50 |
700 |
150 |
1500 |
0 |
|
600 |
0 |
1200 |
0 |
||
Tomando en consideración las leyes de Fick y de Graham, analicen el gráfico y resuelvan los siguientes ítems:
a) Ordenen los gases, según su peso molecular, en forma creciente.
b) Se dispone de un recipiente cerrado con dos compartimientos, 1 y 2,
separados entre sí por medio de una membrana permeable. 1 contiene al
gas A, y 2, al gas C. Inicialmente, ambos gases se encuentran separados
pero, conforme pasa el tiempo, cada uno comenzará a difundir hacia el
compartimiento vecino hasta igualar su presión parcial en todo el
recipiente. Con esta información, ¿pueden saber qué gas conseguirá
hacerlo antes? Si no pueden responder esta pregunta, indiquen qué otros
datos necesitarían.
Actividad 3.
Como leyeron en la introducción, los seres vivos intercambian gases con su entorno haciendo uso del mismo principio físico. Algunos organismos simples, como los unicelulares, son capaces de realizar directamente este intercambio. Sin embargo, los organismos más complejos encontrados en los reinos vegetal y animal, presentan sistemas especializados para llevar a cabo el intercambio gaseoso. Mientras que las plantas lo hacen mediante la respiración por estomas y lenticelas, en los animales se encuentra la respiración pulmonar, branquial, traqueal y cutánea; aunque también existen casos de intercambio directo, como se comentó para los organismos de mayor simplicidad. Al final de la secuencia de actividades, se presentan sitios de interés donde pueden consultar este tema.
1. Organicen una exposición de fotografías titulada: “Respiración en animales y plantas”. Para esto, tomen imágenes digitales a ejemplares que lleven a cabo los tipos de respiración mencionados, o realicen una búsqueda de ellas en la Web.
a) Debajo de cada fotografía, indiquen el nombre del animal, una descripción resumida del tipo de respiración empleada y un dibujo esquemático, elaborado por ustedes, de los órganos implicados en este proceso.
Actividad de cierre. Aplicando conceptos
1. Investiguen, resuelvan y reflexionen:
a) En muchos ríos contaminados, los peces mueren, pero no por causa
directa de la contaminación sino por la gran proliferación de bacterias
que se alimentan de los desechos presentes en ese medio. ¿Cuál es la
causa indirecta que ocasiona la mortandad de peces?
b) El edema pulmonar es una patología que afecta los pulmones. Una
acumulación de agua en los alvéolos dificulta el proceso de intercambio
de gases. ¿Por qué?
Sus respuestas deben ser justificadas y no deben olvidarse de aplicar las leyes que correspondan. Pueden responder en forma esquemática utilizando diagramas de flechas en el procesador de texto de sus equipos portátiles.