Ionización del agua: pH y sistemas tampón

Ionización del agua

El agua es capaz de ionizarse debido al establecimiento de puentes de Hidrógeno entre las diferentes moléculas, por lo que en realidad el agua pura es una mezcla de 3 especies: el agua molecular (H2O), los iones hidronio ( H3O+)  y los iones hidróxidos (OH).

agua, hidronio, hidróxido, hidrogenion

Pero esta disociación es muy débil en agua pura, y a 25º C solo hay un hidronio por cada 555 millones de moléculas de agua. El producto iónico del agua se denomina Kw  (water) y es:

Kw = [H3O+].[OH]= 1.10-14

En agua pura las concentraciones de hidronios y hidróxidos es la misma, es decir 1.10-7 mol/L, pero cuando el agua actúa como disolvente de alguna sustancia se alteran las concentraciones de ambos iones.

Para saber cuál es la concentración de ambos iones en la disolución se utiliza la concentración de hidronios, y la de hidróxidos se extrapola a ésta por convención, pero podría haber resultado al revés. También para simplificar se habla de H+ en lugar de H3O+ , pero hay que tener encuenta que en disolución no se hallan nunca sueltos formando iones hidronio.

[H3O+] = [H+] = 1.10-7

La escala de pH

El bioquímico Sörensen para evitar números decimales tan pequeños al hablar de la concentración de iones H+ y OH ideó la escala de pH definiendo el pH como el logaritmo negativo y en base 10 de la concentración de protones:

pH = log10 1 / [H+] = -log10 [H+]

Para el agua pura:

pH = log10 1 / [10-7] = –7 = 7

Cuando una sustancia ácida se disuelve en agua se disocia y produce iones H+  por lo que aumenta la concentración de iones H3O+  del medio.

Cuando una sustancia básica se disuelve en agua se disocia y produce iones OH. Éstos se unen a los iones H3O+ que hay en la disolución formando dos moléculas de agua, por lo que disminuye la concentración de iones H3O+ del medio.

Dependiendo de la concentración de protones hablamos de que una disolución acuosa es:

  • ácida cuando la concentración de hidronios es mayor de 10-7, es decir, su pH < 7
  • neutra cuando la concentración de hidronios es  10-7, es decir, su pH = 7
  • alcalina cuando la concentración de hidronios es menor de 10-7, es decir, su pH > 7

Las reacciones metabólicas se desarrollan a pHs determinados, y cada enzima tiene un rango de pH en el que puede trabajar, por ejemplo, los enzimas que intervienen en la digestión trabajan a pHs muy ácidos (cercanos a 1) en los que la concentración de hidronios es de 0,1 mol por cada litro de disolución, que permiten que se lleven a cabo las roturas de moléculas orgánicas, conocidas como reacciones de hidrólisis.

El pH de la sangre  humana se debe mantener en un rango de pH muy pequeño entre 7,35 y 7,45. Por debajo se produce acidosis y por encima alcalosis, ambas circunstancias son muy graves y pueden conllevar la muerte.

Sistemas tampón

Las variaciones bruscas de pH son incompatibles con la vida, ya que afectan a la estabilidad de las macromoléculas, la capacidad catalítica de las enzimas,… Para llevar el control de rango de pH usamos disoluciones tampón, amortiguadoras o buffer.

Las proteínas en general poseen gran capacidad tamponadora pero existen dos sistemas de sales minerales que presentan una alta capacidad de amortiguación que coincide con los pH de la mayoría de los fluidos.

Sistema tampón bicarbonato:

Por el plasma sanguíneo circula CO2, un producto de deshecho del metabolismo celular, que puede combinarse de manera reversible con H2O, dando ácido carbónico (H2CO3). El ácido carbónico es un ácido débil que puede disociarse en los iones H+ y HCO3 (bicarbonato).

Cuando hay presentes sustancias ácidas en la sangre, aumenta la concentración de iones H+ que se unen al HCO3 formándose ácido carbónico que se descompone en CO2 y H2O. El aparato respiratorio elimina el CO2 y el excretor el exceso de H2O.

Cuando hay presentes sustancias básicas en la sangre, disminuye la concentración de iones H+, por lo que se  toma el CO2 del torrente sanguíneo que junto con el H2O circulante forman H2CO3 que se descompone en HCO3 y H+ por lo que el pH se estabiliza otra vez.

En la sangre la relación bicarbonato/carbonato (HCO3 / CO32-) es 20:1, por lo que es capaz de amortiguar gran cantidad de ácidos. Además tiene la ventaja de que es un sistema abierto pudiendo eliminar el exceso de agua y bicarbonato a través de los riñones y el exceso de dióxido de carbono a través de los pulmones.

Sistema tampón fosfato

Si el sistema tampón bicarbonato es el más adecuado para amortiguar las fluctuaciones de pH en torrente sanguíneo, el sistema tampón fosfato es el más frecuente de los medios intracelulares, ya que hay mucha cantidad de fosfato depositado en células y huesos.

El sistema tampón fosfato tiene una capacidad tamponadora ideal para mantener el pH de las células en 7,2. Las dos especies que intervienen son bifosfato (HPO42-) y monofosfato (H2PO4) cuya relación en el medio interno es 4:1,  y su funcionamiento es equivalente al del tampón bicarbonato:

Si en el interior celular aumenta la acidez, la reacción se desplaza hacia la izquierda eliminando exceso de H+.

Si en el interior celular aumenta la alcalinidad, la reacción se desplaza hacia la derecha, formándose H+, que se unen a los OH–  que hay en exceso y forman H2O, amortiguando las variaciones de pH.

Si te interesa conocer más propiedades del agua, puedes visitar el siguiente enlace:

Propiedades y funciones del agua

 

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