2.4: Compuestos inorgánicos esenciales para el funcionamiento humano (2023)

El agua como lubricante y cojín

El agua es un componente importante de muchos de los fluidos lubricantes del cuerpo. Así como el aceite lubrica la bisagra de una puerta, el agua en el líquido sinovial lubrica las acciones de las articulaciones del cuerpo, y el agua en el líquido pleural ayuda a que los pulmones se expandan y retrocedan con la respiración. Los líquidos acuosos ayudan a que los alimentos fluyan a través del tracto digestivo y aseguran que el movimiento de los órganos abdominales adyacentes esté libre de fricción.

El agua también protege las células y los órganos del trauma físico, amortiguando el cerebro dentro del cráneo, por ejemplo, y protegiendo el delicado tejido nervioso de los ojos. El agua también amortigua a un feto en desarrollo en el útero de la madre.

El agua como disipador de calor

Un disipador de calor es una sustancia u objeto que absorbe y disipa el calor pero no experimenta un aumento correspondiente de la temperatura. En el cuerpo, el agua absorbe el calor generado por las reacciones químicas sin aumentar mucho la temperatura. Además, cuando la temperatura ambiental se eleva, el agua almacenada en el cuerpo ayuda a mantener el cuerpo fresco. Este efecto refrescante ocurre a medida que la sangre caliente del núcleo del cuerpo fluye hacia los vasos sanguíneos justo debajo de la piel y se transfiere al ambiente. Al mismo tiempo, las glándulas sudoríparas liberan agua tibia en el sudor. A medida que el agua se evapora en el aire, se lleva el calor, y luego la sangre más fría de la periferia circula de regreso al núcleo del cuerpo.

Agua como Componente de Mezclas Líquidas

Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias, cada una de las cuales mantiene su propia identidad química. En otras palabras, las sustancias constituyentes no están químicamente unidas en un nuevo compuesto químico más grande. El concepto es fácil de imaginar si piensas en sustancias en polvo como la harina y el azúcar; cuando los revuelves juntos en un bol, obviamente no se unen para formar un nuevo compuesto. El aire de la habitación que respira es una mezcla gaseosa, que contiene tres elementos discretos (nitrógeno, oxígeno y argón) y un compuesto, dióxido de carbono. Existen tres tipos de mezclas líquidas, todas las cuales contienen agua como componente clave. Estas son soluciones, coloides y suspensiones.

Para que las células del cuerpo sobrevivan, deben mantenerse húmedas en un líquido a base de agua llamado solución. En química, una solución líquida consiste en un disolvente que disuelve una sustancia llamada soluto. Una característica importante de las soluciones es que son homogéneas; es decir, las moléculas de soluto se distribuyen uniformemente por toda la solución. Si tuvieras que remover una cucharadita de azúcar en un vaso de agua, el azúcar se disolvería en moléculas de azúcar separadas por moléculas de agua. La proporción de azúcar a agua en el lado izquierdo del vaso sería la misma que la proporción de azúcar a agua en el lado derecho del vaso. Si agregara más azúcar, la proporción de azúcar a agua cambiaría, pero la distribución, siempre que se hubiera agitado bien, seguiría siendo pareja.

El agua es considerada el “solvente universal” y se cree que la vida no puede existir sin agua por ello. El agua es sin duda el solvente más abundante en el cuerpo; esencialmente todas las reacciones químicas del cuerpo ocurren entre los compuestos disueltos en el agua. Debido a que las moléculas de agua son polares, con regiones de carga eléctrica positiva y negativa, el agua disuelve fácilmente los compuestos iónicos y los compuestos covalentes polares. Tales compuestos se conocen como hidrófilos o “amantes del agua”. Como se mencionó anteriormente, el azúcar se disuelve bien en agua. Esto se debe a que las moléculas de azúcar contienen regiones de enlaces polares hidrógeno-oxígeno, haciéndola hidrófila. Las moléculas no polares, que no se disuelven fácilmente en el agua, se llaman hidrofóbicas o “temerosas del agua”.

Concentraciones de solutos

En química se describen diversas mezclas de solutos y agua. La concentración de un soluto dado es el número de partículas de ese soluto en un espacio dado (el oxígeno constituye alrededor del 21 por ciento del aire atmosférico). En el torrente sanguíneo de los humanos, la concentración de glucosa generalmente se mide en miligramos (mg) por decilitro (dL), y en un adulto sano promedia alrededor de 100 mg/dL. Otro método para medir la concentración de un soluto es por su molaridad, que es moles (M) de las moléculas por litro (L). El mol de un elemento es su peso atómico, mientras que un mol de un compuesto es la suma de los pesos atómicos de sus componentes, llamado el peso molecular. Un ejemplo de uso frecuente es calcular un mol de glucosa, con la fórmula química C ₆ H ₁₂ O ₆. Utilizando la tabla periódica, el peso atómico del carbono (C) es de 12.011 gramos (g), y hay seis carbonos en la glucosa, para un peso atómico total de 72.066 g. Haciendo los mismos cálculos para hidrógeno (H) y oxígeno (O), el peso molecular es igual a 180.156g (el “peso molecular gramo” de glucosa). Cuando se agrega agua para hacer un litro de solución, se tiene un mol (1M) de glucosa. Esto es particularmente útil en química debido a la relación de moles con “número de Avogadro”. Un mol de cualquier solución tiene el mismo número de partículas en él: 6.02 × 10 ²³. Muchas sustancias en el torrente sanguíneo y otros tejidos del cuerpo se miden en milésimas de mol, o milimoles (mM).

Un coloide es una mezcla que es algo así como una solución pesada. Las partículas de soluto consisten en pequeños grupos de moléculas lo suficientemente grandes como para hacer opaca la mezcla líquida (porque las partículas son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz). Ejemplos familiares de coloides son la leche y la nata. En las glándulas tiroideas, la hormona tiroidea se almacena como una mezcla espesa de proteínas también llamada coloide.

Una suspensión es una mezcla líquida en la que una sustancia más pesada se suspende temporalmente en un líquido, pero con el tiempo, se asienta. Esta separación de partículas de una suspensión se llama sedimentación. Un ejemplo de sedimentación ocurre en el análisis de sangre que establece la velocidad de sedimentación, o tasa de sed. La prueba mide la rapidez con la que los glóbulos rojos en un tubo de ensayo se asientan fuera de la porción acuosa de sangre (conocida como plasma) durante un período de tiempo establecido. La sedimentación rápida de las células sanguíneas normalmente no ocurre en el cuerpo sano, pero aspectos de ciertas enfermedades pueden hacer que las células sanguíneas se agrupen, y estos pesados grupos de células sanguíneas se asientan en el fondo del tubo de ensayo más rápidamente que las células sanguíneas normales.

El papel del agua en las reacciones químicas

Dos tipos de reacciones químicas implican la creación o el consumo de agua: la síntesis de deshidratación y la hidrólisis.

• En la síntesis de deshidratación, un reactivo cede un átomo de hidrógeno y otro reactivo cede un grupo hidroxilo (OH) en la síntesis de un nuevo producto. En la formación de su enlace covalente, se libera una molécula de agua como subproducto (Figura\(\PageIndex{1}\)). Esto también se conoce a veces como una reacción de condensación.
• En la hidrólisis, una molécula de agua interrumpe un compuesto, rompiendo sus enlaces. El agua misma se divide en H y OH. Una porción del compuesto cortado luego se une con el átomo de hidrógeno y la otra porción se une con el grupo hidroxilo.

Estas reacciones son reversibles, y juegan un papel importante en la química de los compuestos orgánicos (que se discutirá en breve).

Ácidos

Un ácido es una sustancia que libera iones hidrógeno (H ⁺) en solución (Figura\(\PageIndex{3.a}\)). Debido a que un átomo de hidrógeno tiene solo un protón y un electrón, un ion de hidrógeno cargado positivamente es simplemente un protón. Este protón solitario es muy probable que participe en reacciones químicas. Los ácidos fuertes son compuestos que liberan todo su H ⁺ en solución; es decir, se ionizan completamente. El ácido clorhídrico (HCl), que se libera de las células en el revestimiento del estómago, es un ácido fuerte porque libera todo su H ⁺ en el ambiente acuoso del estómago. Este ácido fuerte ayuda en la digestión y mata los microbios ingeridos. Los ácidos débiles no se ionizan completamente; es decir, algunos de sus iones de hidrógeno permanecen unidos dentro de un compuesto en solución. Un ejemplo de un ácido débil es el vinagre, o ácido acético; se llama acetato después de que cede un protón.

Bases

Una base es una sustancia que libera iones hidroxilo (OH ^—) en solución, o una que acepta H ⁺ ya presente en solución (ver Figura\(\PageIndex{3.b}\)). Los iones hidroxilo u otra base se combinan con H ⁺ presentes para formar una molécula de agua, eliminando así H ⁺ y reduciendo la acidez de la solución. Las bases fuertes liberan la mayoría o todos sus iones hidroxilo; las bases débiles liberan solo algunos iones hidroxilo o absorben solo unos pocos H ⁺. Los alimentos mezclados con ácido clorhídrico del estómago quemarían el intestino delgado, la siguiente porción del tracto digestivo después del estómago, si no fuera por la liberación de bicarbonato (HCO ₃ ^—), una base débil que atrae a H ⁺ . El bicarbonato acepta algunos de los protones H ⁺, reduciendo así la acidez de la solución.

El concepto de pH

La acidez o alcalinidad relativa de una solución puede indicarse por su pH. El pH de una solución es el logaritmo negativo en base 10 de la concentración de iones hidrógeno (H ⁺) de la solución. Como ejemplo, una solución de pH 4 tiene una concentración de H ⁺ que es diez veces mayor que la de una solución de pH 5. Es decir, una solución con un pH de 4 es diez veces más ácida que una solución con un pH de 5. El concepto de pH comenzará a tener más sentido cuando estudies la escala de pH, como la que se muestra en la Figura\(PageIndex{4}\). La escala consiste en una serie de incrementos que van de 0 a 14. Una solución con un pH de 7 se considera neutra, ni ácida ni básica. El agua pura tiene un pH de 7. Cuanto menor sea el número por debajo de 7, más ácida será la solución, o mayor será la concentración de H ⁺. La concentración de iones hidrógeno en cada valor de pH es 10 veces diferente al siguiente pH. Por ejemplo, un valor de pH de 4 corresponde a una concentración de protones de 10 ^—4 M, o 0.0001M, mientras que un valor de pH de 5 corresponde a una concentración de protones de 10 ^—5 M, o 0.00001M. Cuanto mayor sea el número por encima de 7, más básica (alcalina) es la solución, o menor es la concentración de H ⁺. La orina humana, por ejemplo, es diez veces más ácida que el agua pura, y el HCl es 10 000 000 veces más ácida que el agua.

Búferes

El pH de la sangre humana normalmente oscila entre 7.35 y 7.45, aunque típicamente se identifica como pH 7.4. A este pH ligeramente básico, la sangre puede reducir la acidez resultante de que el dióxido de carbono (CO ₂) se libera constantemente en el torrente sanguíneo por los billones de células en el cuerpo. Los mecanismos homeostáticos (junto con la exhalación de CO ₂ mientras respira) normalmente mantienen el pH de la sangre dentro de este estrecho rango. Esto es crítico, porque las fluctuaciones, ya sea demasiado ácidas o demasiado alcalinas, pueden conducir a trastornos potencialmente mortales.

Todas las células del cuerpo dependen de la regulación homeostática del equilibrio ácido-base a un pH de aproximadamente 7.4. Por lo tanto, el cuerpo tiene varios mecanismos para esta regulación, que involucran la respiración, la excreción de sustancias químicas en la orina y la liberación interna de sustancias químicas llamadas colectivamente tampones en los fluidos corporales. Un tampón es una solución de un ácido débil y su base conjugada. Un tampón puede neutralizar pequeñas cantidades de ácidos o bases en los fluidos corporales. Por ejemplo, si hay incluso una ligera disminución por debajo de 7.35 en el pH de un fluido corporal, el tampón en el fluido —en este caso, actuando como una base débil— unirá el exceso de iones de hidrógeno. En contraste, si el pH sube por encima de 7.45, el tampón actuará como un ácido débil y aportará iones de hidrógeno.

DESBALANCE HOMEOSTÁTICO

Ácidos y Bases

La acidez excesiva de la sangre y otros fluidos corporales se conoce como acidosis. Las causas comunes de acidosis son situaciones y trastornos que reducen la efectividad de la respiración, especialmente la capacidad de la persona para exhalar completamente, lo que provoca una acumulación de CO ₂ (y H ⁺) en el torrente sanguíneo. La acidosis también puede ser causada por problemas metabólicos que reducen el nivel o función de tampones que actúan como bases, o que promueven la producción de ácidos. Por ejemplo, con diarrea severa, se puede perder demasiado bicarbonato del cuerpo, lo que permite que los ácidos se acumulen en los fluidos corporales. En las personas con diabetes mal manejada (regulación ineficaz del azúcar en la sangre), los ácidos llamados cetonas se producen como forma de combustible corporal. Estos pueden acumularse en la sangre, causando una afección grave llamada cetoacidosis diabética. La insuficiencia renal, la insuficiencia hepática, la insuficiencia cardíaca, el cáncer y otros trastornos también pueden provocar acidosis metabólica.

Por el contrario, la alcalosis es una afección en la que la sangre y otros fluidos corporales son demasiado alcalinos (básicos). Al igual que con la acidosis, los trastornos respiratorios son una causa importante; sin embargo, en la alcalosis respiratoria, los niveles de dióxido de carbono caen demasiado bajos. La enfermedad pulmonar, la sobredosis de aspirina, el shock y la ansiedad ordinaria pueden causar alcalosis respiratoria, lo que reduce la concentración normal de H ⁺.

La alcalosis metabólica a menudo es el resultado de vómitos prolongados y severos, lo que provoca una pérdida de iones de hidrógeno y cloruro (como componentes del HCl). Los medicamentos también pueden provocar alcalosis. Estos incluyen diuréticos que hacen que el cuerpo pierda iones de potasio, así como antiácidos cuando se toman en cantidades excesivas, por ejemplo por alguien con acidez estomacal persistente o una úlcera.

P. CH ₄ es metano. Este compuesto es ________.

A. inorgánico

B. orgánico

C. reactivo

D. un cristal

Respuesta: B

P. ¿Cuál de los siguientes es más probable que se encuentre distribuido uniformemente en agua en una solución homogénea?

A. iones sodio e iones cloruro

B. Moléculas de NaCl

C. cristales de sal

D. glóbulos rojos

P. Jenny mezcla un lote de masa para panqueques, luego revuelve algunas chispas de chocolate. Mientras espera que se cocinen los primeros panqueques, nota que las chispas de chocolate se hunden en el fondo del tazón para mezclar de vidrio transparente. La masa de chispas de chocolate es un ejemplo de ________.

A. solvente

B. soluto

C. solución

D. suspensión

P. Una sustancia se disocia en K ⁺ y Cl ^— en solución. La sustancia es a (n) ________.

A. ácido

B. base

C. sal

D. tampón

P. Ty tiene tres años y como consecuencia de una “chinche estomacal” ha estado vomitando desde hace aproximadamente 24 horas. Su pH en sangre es de 7.48. ¿Qué significa esto?

A. La sangre de Ty es ligeramente ácida.

B. La sangre de Ty es ligeramente alcalina.

La sangre de C. Ty es altamente ácida.

D. La sangre de Ty está dentro del rango normal