Tampón fosfato

 Se trata de un tampón inorgánico que se encuentra en los líquidos intracelulares y mantiene el pH en torno al 6,86 debido al equilibrio existente entre un ácido débil; el dihidrógeno fosfato (DHP) y su base: el monohidrógeno fosfato (MHP). Ambos compuestos mantienen un equilibrio entre sí, pudiendo el DHP liberar un protón y transformarse en MHP, (la reacción se desplaza hacia la derecha), y el MHP puede unirse aun protón para originar una molécula de DHP, (la reacción se desplaza hacia la izquierda). H₂PO₄^-    ⇄ HPO₄^-2 + H⁺ 

Es decir, a pH fisiológico, las especies del fosfato con capacidad de tamponar son   H₂PO₄^- y  HPO₄^-2 ya que su valor de pK es de 6,8.

Así pues, para el tampón fosfato:

                pH = 6,8 + log HPO₄^-2 / H₂PO₄^-  

A pH fisiológico de 7,4 la concentración de HPO₄^-2 (un 80%) es 4 veces superior a la de H₂PO₄^- (un 20%). Así pues, el tampón fosfato es un sistema muy eficaz para amortiguar ácidos.

La concentración de fosfato en la sangre es baja (2 mEq/L) por lo que tiene escasa capacidad de tamponar si lo comparamos con otros tampones como el bicarbonato. En cambio, a nivel intracelular, las concentraciones de fosfato son elevadas lo que le convierte en un tampón eficiente. Las grandes cantidades de fosfato dentro de las células corporales y en el hueso hacen que el fosfato sea un depósito grande y eficaz para amortiguar el pH.

 

Disoluciones Tampón a Nivel Biológico

Un aspecto fundamental en la fisiología de todos los organismos es la homeostasis o capacidad para mantener una situación de equilibrio dinámico favorable. En este fenómeno tiene gran importancia los sistemas amortiguadores que equilibran la presencia de sustancias ácidas y básicas para mantener el pH dentro de los límites fisiológicos. En los organismos vivos se están produciendo continuamente ácidos orgánicos que son productos finales de reacciones metabólicas, catabolismo de proteínas y otras moléculas biológicamente activas. Mantener el pH en los fluidos intra y extracelulares es fundamental puesto que ello influye en la actividad biológica de las proteínas, enzimas, hormonas, la distribución de iones a través de membranas, etc.Los tampones fisiológicos son la primera línea de defensa frente a los cambios de pH de los líquidos corporales, entre los que destacan: el tampón fosfato, el tampón bicarbonato y el tampón hemoglobina.El pH de los medios biológicos es una constante fundamental para el mantenimiento de los procesos vitales. La acción enzimática y las transformaciones químicas de las células se realizan dentro de unos estrictos márgenes de pH. En humanos los valores extremos compatibles con la vida y con el mantenimiento de funciones vitales oscilan entre 6,8 y 7,8; siendo el estrecho margen de 7,35 a 7,45 el de normalidad. También en el trabajo de laboratorio, es imprescindible el mantenimiento de un pH para la realización de muchas reacciones químico-biológicas. Los sistemas encargados de evitar grandes variaciones del valor de pH son los denominados “amortiguadores, buffer, o tampones”. Son por lo general soluciones de ácidos débiles y de sus bases conjugadas o de bases débiles y sus ácidos conjugados. Los amortiguadores resisten tanto a la adición de ácidos como de bases. Ecuación de Henderson-Hasselbalch. Concepto de pK: 

La concentración de H+⁺ está vinculada a la naturaleza del electrolito débil. Considerando un ácido débil, de modo genérico como HAc, su equilibrio de disociación sería:

                                   HAc    ⇄   Ac- + H+ 

Aplicando la ley de acción de masas, la constante de equilibrio K será:

                                           K = ( Ac- ) x ( H+ ) / (HAc )

Despejando ( H+):                K x (HAc ) = ( H+ ) x ( Ac- )

aplicando logaritmos:            log ( H+ ) = log K + log (HAc ) - log ( Ac- )

multiplicando por -1            - log (H+ ) = - log K - log (HAc ) + log ( Ac- )

Si hacemos que:

                        • - log ( H+ ) = pH

                        • - log K = pK

 Se obtiene la ecuación de Henderson-Hasselbalch             pH = pK + log ( base ) / ( ácido ) 

Por tanto, si en la ecuación la concentración de ácido es igual a la de la base, el cociente es 1, siendo el log de 1 = 0, se tiene que:

pH = pK Así, se puede definir el pK como el valor de pH de una solución amortiguadora en el que el ácido y la base se encuentran a concentraciones estequiométricas iguales o al 50% cada una.

La Caries

_{CONCEPTO DE CARIES:}

La caries dental se puede definir como proceso patológico, localizado, de origen externo, que se inicia tras la erupción y que determina un reblandecimiento del tejido duro del diente, evolucionando hacia la formación de una cavidad.
 La caries se caracteriza por una serie de complejas reacciones químicas y microbiológicas que acaban destruyendo el diente.
 La destrucción del diente ocurre en dos fases. En la primera etapa, la materia inorgánica formada principalmente por calcio y fosfato en forma de hidroxiapatita, sufre un proceso de descalcificación por la acción de los ácidos orgánicos resultantes del metabolismo bacteriano de los hidratos de carbono de la dieta. En segunda fase, se destruye la matriz orgánica por medios enzimáticos o mecánicos.
 Son tres los principales factores relacionados a la caries: bacterias, microorganismos, azúcares y susceptibilidad del huésped. Para evitarlas se recomienda una dieta baja en azúcares y cepilñlarse los dientes después de las comidas para limpiar los residuos de comida.

El proceso inverso es la mineralización en la que al contrario de la desmineralización, en vez de descomponerse Ca₅(PO₄)₃OH_(S), en una disolución en medio ácido, en la mineralización tiene lugar el proceso de su formación, se corresponde con la siguiente reacción:

Ca₅(PO₄)₃OH_(S)  ⇄  5Ca⁺²_(aq) + 3PO₄^-3_(aq) + OH^-_(aq) 

El flúor es el más electronegativo de todos los elementos químicos y por lo tanto nunca se halla en la naturaleza en su forma elemental. Químicamente combinado en forma de fluoruros, el flúor ocupa el lugar 17 entre los elementos por orden de frecuencia de aparición representando entre el 0.06% y 0.09% de la corteza terrestre.

EMPLEO DE FLUOR

Es el procedimiento más eficaz en la lucha contra la caries; el mecanismo de acción del flúor es doble:
1. Incorporación al esmalte, transformando la hidroxiapatita en fluorapatita, que es más resistente a la descalcificación.
 Actualmente se acepta que la reacción química entre la hidroxiapatita y la fluorapatita presenta una reversibilidad en función de la concentración de flúor en el entorno del esmalte dental; de modo que la fluorapatita no sería una situación definitiva y estable.
2. Inhibición de las reacciones de glucolisis de la placa dental, con lo que disminuye la formación de ácidos. La administración de flúor puede realizarse de forma sistémica o tópica. La administración sistémica puede, a su vez, hacerse de modo colectivo (fluoración del agua potable, suplementación de la sal con flúor, etc.) o individual. La aplicación tópica también puede realizarse mediante concentrados, colutorios y pastas dentífricas.En el esmalte dental  se producen reacciones adicionales que dan lugar a la formación de fluoruro cálcico:

Ca₁₀ (PO₄ )₆(OH) ₂ + 20 F^-  ⇄  10 CaF₂ + 6 PO₄^3- + 2 OH^-

Los iones F^- de ciertas pastas dentífricas sustituyen en parte a los iones OH^- produciendo un compuesto muy resistente a los ácidos. La reacción correspondiente seria la siguiente:

5Ca⁺²_(aq) + 3PO₄^-3_(aq)  + F^-_(aq) → Ca₅(PO₄)₃F_(S)   

Formación de la Lluvia Ácida

La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con el óxido de nitrógeno y el dióxido de azufre emitidos por fábricas, centrales eléctricas y vehículos que queman carbón o productos derivados del petróleo. En interacción con el vapor de agua, estos gases forman ácido sulfúrico y ácidos nítricos. Finalmente, estas sustancias químicas caen a la tierra acompañando a las precipitaciones, constituyendo la lluvia ácida.

La lluvia normalmente presenta un pH de aproximadamente 5.6 (ligeramente ácido) debido a la presencia del CO₂ atmosférico, que forma ácido carbónico, H₂CO₃. Se considera lluvia ácida si presenta un pH de menos de 5 y puede alcanzar el pH del vinagre (pH 3). Estos valores de pH se alcanzan por la presencia de ácidos como el ácido sulfúrico, H₂SO₄, y el ácido nítrico, HNO₃. Estos ácidos se forman a partir del dióxido de azufre, SO₂, y el monóxido de nitrógeno que se convierten en ácidos.

Una gran parte del SO₂ (dióxido de azufre) emitido a la atmósfera procede de la emisión natural que se produce por las erupciones volcánicas, que son fenómenos irregulares. Sin embargo, una de las fuentes de SO₂ es la industria metalúrgica.

El SO₂ puede proceder también de otras fuentes, por ejemplo como el sulfuro de dimetilo, (CH₃)₂S, y otros derivados, o como sulfuro de hidrógeno, H₂S. Estos compuestos se oxidan con el oxígeno atmosférico dando SO₂.

Finalmente el SO₂ se oxida a SO₃ (interviniendo en la reacción radicales hidroxilo y oxígeno) y este SO₃ se puede quedar disuelto en las gotas de lluvia, es el de las emisiones de SO₂ en procesos de obtención de energía: el carbón, el petróleo y otros combustibles fósiles contienen azufre en unas cantidades variables (generalmente más del 1%), y, debido a la combustión, el azufre se oxida a dióxidos de azufre:

S + O₂ → SO₂

Hay otros procesos industriales en los que también se genera SO₂, por ejemplo en la industria metalúrgica. Este SO₃ se puede quedar disuelto en las gotas de lluvia, en forma de H₂SO₄. La reacción global es:

SO₂ + OH^· + O₂ + nH₂O → HOO^· + H₂SO₄(ac)

También se puede depositar sobre superficies húmedas.

El NO se forma por reacción entre el oxígeno y el nitrógeno a alta temperatura:

O₂ + N₂ → 2NO

Una de las fuentes más importantes es a partir de las reacciones producidas en los vehículos de los automóviles y aviones. Este NO se oxida con el oxígeno atmosférico:

O₂ + 2NO → 2NO₂

Y este 2NO₂ reacciona con el agua dando ácido nítrico que se disuelve en el agua:

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO    

EFECTOS DE LA LLUVA ÁCIDA 

            Son conocidos los efectos de esta lluvia ácida sobre las tierras de cultivo, los bosques y la fauna de ríos y lagos. Ahora, destacamos además, el enorme deterioro que produce sobre los monumentos y construcciones de piedra caliza y mármol, dónde el CaCO₃, es disuelto progresivamente mediante reacciones como estas:

 CaCO_{3 (s)} + H₂SO_{4 (aq)} → CaSO_{4 (s)} + H₂O_(l) + CO_2(g) 

2CaCO_{3 (s)} + 2SO_{2 (g)} + O_2(g)→ 2CaSO_{4 (s)} +2CO_2(g) 

            El CaSO₄ producido es lo suficientemente soluble para ser, poco a poco, disuelto y arrastrado por el agua.

             Algunos monumentos y construcciones han sido protegidos de este deterioro recubriéndolos de ciertas sustancias cuya reacción produce BaCO₃. Éste es tan insoluble como CaCO₃, pero cuando este es atacado por el H₂SO₄ de la lluvia ácida forma CaSO₄, un compuesto aún más insoluble que el CaCO₃. 

Formación de la cal

Formación de la cal: 

La cal es un producto duro y de color blanco que rellena el interior de las tuberías impidiendo el paso del agua.

 

Se trata de una reacción de precipitación no deseada que da lugar a la formación de carbonatos de calcio y magnesio, CaCO₃ y MgCO₃ sobre todo de carbonato de calcio.

 

La caliza CaCO₃ se solubiliza en el agua de la lluvia debido al CO₂ que la atmósfera contiene en disolución. La reacción da lugar a la formación de HCO₃^-  soluble.

  

CaCO₃ (s) + CO₂ (aq) + H₂O (l)     →  Ca²⁺  (aq) + 2 HCO₃^- (aq)

  

Muchas aguas naturales contienen iones Ca²⁺  y  HCO₃^-  en disolución y, al calentarlas o hervirlas, se invierte la reacción anterior precipitando CaCO₃ y formándose CO_2, que es devuelto a la atmósfera:

  

Ca²⁺  (aq) + 2 HCO₃^- (aq)    →  CaCO₃ (s) +CO₂ (aq) +H₂O (l)  

 

                  CO₂ (aq)    →     CO₂ (g)   

 

El precipitado de CaCO₃ puede disolverse introduciendo en la tubería una disolución de ácido clorhídrico (HCl) que reacciona con el carbonato y produce CaCl₂ soluble:

 

           CaCO₃ (s)  +  2 HCl (aq)    →   CaCl₂ (aq)  +  H₂O (l)  +  CO₂ (g)

  

                                                                      

El uso de aguas blandas, ( Posee una dureza de 0-180 en la escala CaCO₃ (partes por millón de carbonato cálcico) ó 0-10 en la escala DH (como partes de óxido de calcio (CaCO₃) por 100.000 partes), que no contienen iones Ca²⁺   y Mg²⁺, es la mejor forma de prevenir la formación de carbonatos insolubles en el interior de las tuberías.

El equilibrio está desplazado a la derecha hacia la formación de:

 

Ca²⁺  (aq) + 2 HCO₃^- (aq)

 

Equilibrio del oxígeno y dióxido de carbono en el organismo

                     En todo momento, nuestro cuerpo está consumiendo oxígeno a razón de unos 240 ml por minuto en actividad normal. Las distintas partes del organismo necesitan el O₂ para, por reacción con los hidratos de carbono, producir energía. Es la sangre quien se encarga de transportarlo de los pulmones a las células, y, como sabemos, es este proceso se libera CO_2.  

Las reacciones de intercambio gaseoso de la sangre en los pulmones, (alvéolos), y en los tejidos dependen básicamente de la afinidad* del O₂ y del CO₂ por la hemoglobina  y la mioglobina, así como de las presiones parciales de estos gases a nivel de alvéolos y tejidos.

 

*Entendemos como afinidad la capacidad de reacción de estas sustancias con el O₂ y el CO_2. En el caso de la hemoglobina, su afinidad es mayor para el CO₂  que para el O_2. Por su parte, la mioglobina tiene mayor afinidad por el O₂ que la hemoglobina.

 *Una molécula de hemoglobina es una estructura compleja formada por cuatro cadenas de proteína, cada una de las cuales se enlaza con un grupo molecular en forma de anillo, el grupo hemo, que contiene un ión Fe⁺² en su centro. Por su parte, la mioglobina está formada por una sola cadena proteínica unida a un grupo hemo con un Fe⁺² en su centro. 

Las presiones parciales del O₂ y del CO_2, (en mm de Hg), son:

 

	GASES	ALVÉOLO	TEJIDOS
	O2	100	40
	CO2	40	42-46

  

La sangre contiene glóbulos rojos y en cada uno de ellos hay varios cientos de millones de moléculas de hemoglobina. Son ellas las encargadas del transporte del oxígeno.

 

Por tanto, según lo anteriormente mencionado, las reacciones serán:

 

ü      En cuanto al oxígeno, (O₂):

•    A nivel alveolar el O₂: 

(El oxígeno se liga al hierro de la hemoglobina).

Hb + O₂ à HbO₂^- (oxihemoglobina)

 

Como podemos observar en el cuadro de las presiones parciales anterior, el oxígeno saldrá de los alvéolos hacia los tejidos, ya que la presión parcial de este gas en el interior del alvéolo es mayor que la existente en los tejidos.

 

Así pues, en los pulmones, donde la concentración de O₂ es elevada, la reacción se desplaza casi totalmente a la derecha formándose oxihemoglobina.

El curso de la reacción hacia la derecha está favorecido por algunos factores:

_a)         altas tensiones de O_{2     b)}        temperatura discretamente baja      _c)         tendencia hacia la alcalinidad 

Estas condiciones reinan a nivel del pulmón; por esto, Hb pasa a HbO_2. A nivel de los tejidos, como veremos a continuación, predomina el proceso opuesto.

•     A nivel de tejidos el O_2: 

Después de la formación de oxihemoglobina, la sangre prosigue su circulación a través de arterias y capilares y llega a los tejidos. Allí, donde la concentración de CO₂ es pequeña, se produce un desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda. La sangre pierde alrededor del 45% del oxígeno que transportaba.

  HbO₂^- à Hb + O₂ 

Por tanto, ante lo anteriormente expuesto, podríamos establecer el siguiente equilibrio químico.

 Hb + O₂  ⇄ HbO₂^-  

El oxígeno es recogido por las células y almacenado en ella gracias a la mioglobina, (Mb). Por lo que, podemos igualmente escribir:

 O₂ + Mb à MbO₂   

ü      Con respecto al dióxido de carbono, (CO₂):

 

La hemoglobina, tras descargarse de O₂ en los capilares, puede transportar hasta los pulmones el CO₂ producido en los procesos de oxidación de las células. El enlace de la hemoglobina con el CO₂ no tiene lugar por el grupo hemo, sino por un extremo de las cadenas proteínicas.

   A nivel de tejidos el CO₂: 

(El dióxido de carbono no se liga al hierro, sino al grupo amino de la hemoglobina).

 

HbNH₂+ CO₂ à HbNHCOOH

 

Como podemos observar en el cuadro de las presiones parciales anterior, el dióxido de carbono posee una presión parcial mayor en los tejidos que en los alvéolos pulmonares.

•       A nivel de alvéolos el CO_2: 

Es el proceso opuesto al anterior.

 

HbNHCOOH à HbNH₂+ CO₂

 

Por tanto, ante lo anteriormente expuesto, podríamos establecer el siguiente equilibrio químico:

 

HbNH₂+ CO₂ à HbNHCOOH

 

Además, la hemoglobina puede también unirse con iones H⁺, con lo que teniendo en cuenta el equilibrio que existe en la sangre:

 CO₂ + H₂O ⇄ HCO₃^- + H⁺ (aq) Permite disolver más CO₂, facilitando su separación de los tejidos. En los pulmones el proceso se invierte y el CO₂ deja la disolución y es exhalado. Para hacernos una idea, el aire inhalado contiene un 20% de O₂ y un 0,04% de CO₂, y el exhalado, un 16% de O₂ y un 4% de CO_2.

Hay moléculas similares en estructura al O_2, como NO, (e incluso el ión CN^-), pero con mayor afinidad por la hemoglobina, por lo que pueden desplazar al O₂ de ésta:

 HbO₂ + CO ⇄ HbCO + O₂ 

 

Este equilibrio está muy desplazado hacia la derecha. Ésta es la causa de que el CO, producido en las combustiones incompletas, (escape de automóviles, etc.), sea un gas venenoso.

Por el mismo motivo, entre los fumadores no es raro encontrar individuos con más de un 20% de la hemoglobina bloqueada por el CO del humo del cigarrillo.

  

 

¿Qué es un Equilibrio Químico?

Es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, éstos forman de nuevo reactivos). Es decir, se trata de un equilibrio dinámico.Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se estabiliza, es decir, se gastan a la misma velocidad que se forman, se llega al EQUILIBRIO QUÍMICO.

El rendimiento de una reacción química se ve disminuido por la tendencia a alcanzar el estado de equilibrio, ya que los reactivos no se transforman al cien por ciento en productos. Para conseguir que el equilibrio se rompa desplazándose en el sentido que nos interesa, es necesario saber qué factores se pueden modificar.

 Los cambios de cualquiera de los factores: presión, temperatura o concentración de las sustancias reaccionantes (reactivos) o resultantes (productos), pueden hacer que una reacción química evolucione en uno u otro sentido hasta alcanzar un nuevo estado. Todos los cambios que afectan el estado de equilibrio son predecibles según el principio de Le Châtelier.

Os invito a visitar esta página:

http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Videos/EquilibrioQ/index.htm

Nuevos Materiales para la Captura Selectiva de Dióxido de Carbono.

Químicos de la UCLA informan de un nuevo avance en la reducción de las emisiones de este gas.

 

Los científicos han demostrado que pueden aislar y capturar  dióxido de carbono de forma satisfactoria, un gas que contribuye al calentamiento global, la elevación de los niveles marinos y al incremento de la acidez de los océanos. Sus descubrimientos podrían llevar a la fabricación de plantas de generación energía que capturen dióxido de carbono de forma eficiente sin el empleo de materiales tóxicos.

Según Omar M. Yaghi, profesor de química en la UCLA y coautor del informe científico “el desafío técnico de eliminar selectivamente el dióxido de carbono ha sido superado”. “Hemos demostrado que ahora contamos con estructuras que pueden ser adaptadas de forma precisa para capturar del dióxido de carbono y almacenarlo como depósito. Nada del dióxido de carbono se escapa. Nada, a no ser que así se pretenda. Creemos que se trata de algo crucial  para retener el dióxido de carbono antes de que alcance la atmósfera”.

El dióxido de carbono se captura empleando una nueva clase de materiales diseñados por Yaghi y su grupo, denominados armazones zeolíticos de imidazolato o ZIFs (por sus siglas en inglés: “Zeolitic Imidazolate Frameworks”). Se trata de estructuras químicamente robustas y porosas, con una gran superficie de contacto, que pueden ser calentadas a altas temperaturas sin descomponerse, y hervirse en agua o disolventes orgánicos durante una semana y permanecer todavía estables.

Stuart Wolpert (UCLA News Room).