Experimento casero: relación entre pH y solubilidad

Vamos a realizar un experimento casero que nos permitirá analizar diferentes aspectos relacionados con las reacciones ácido-base. Para ello no necesitamos nada más que un huevo, vinagre (unos 150 mL) y un tarro de cristal:

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Sólo tenemos que meter el huevo dentro del tarro y cubrirlo con vinagre. Lo primero que observamos es que la cáscara comienza a recubrirse de pequeñas burbujas, que irán aumentando según pase el tiempo:

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A las pocas horas observamos que se han desprendido pequeñas láminas de la cáscara y, al cabo de unos dos días, ésta habrá desaparecido completamente. Comprobaremos que el huevo ha aumentado de tamaño, ha perdido su dureza y ha aumentado considerablemente su elasticidad (podemos comprobar que bota si lo dejamos caer desde una pequeña altura).

¿Qué ha ocurrido?

La acidez del vinagre

El vinagre es una disolución ácida debido a la presencia de ácido acético (CH3COOH). En el Real Decreto 661/2012, referente a la norma de calidad para la elaboración y la comercialización de los vinagres, se define la acidez o grado de acidez de un vinagre como los gramos de ácido acético contenidos en 100 mL de dicho producto.

Como la acidez del vinagre es de unos 6°, su concentración en acético es de 6 g/100 mL, que equivale a una concentración 1 M. Al ser el ácido acético un ácido débil, su disociación no es completa y depende de su Ka. Teniendo esto en cuenta, su pH se sitúa en torno a 2’4.

Estructura del huevo y su cáscara

En el huevo distinguimos tres partes diferenciadas: la yema (o vitelo), la clara (o albumen) y la cáscara.

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La cáscara supone alrededor del 10 % de la masa del huevo (unos 6 g en uno de tamaño medio), es porosa, y se encarga de proteger, aislar y dar forma al huevo. Está compuesta fundamentalmente por una matriz de proteínas fibrosas entrelazadas y carbonato de calcio (CaCO3), aunque también encontramos carbonatos de otros metales, principalmente de magnesio. Estos carbonatos insolubles suponen prácticamente el 95 % de la cáscara.

Toda la superficie de la cáscara se encuentra recubierta por una cutícula orgánica que está formada principalmente por proteínas (90%) y pequeñas cantidades de lípidos y glúcidos. El interior de la cáscara está recubierto por dos membranas testáceas. Entre la membrana interna y la externa se encuentra una cámara de aire, que es mayor cuanto menos fresco es el huevo.

Reacción entre el carbonato cálcico y el ácido acético

La cáscara desaparece porque está compuesta por carbonato cálcico, que reacciona con el ácido acético del vinagre, según la siguiente reacción:

2 CH3COOH + CaCO3 → Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2

El CaCO3 es una sal muy insoluble y la hidrólisis del anión carbonato está muy poco favorecida:

carbonato-calcico-medio-acido

El vinagre proporciona un pH ácido con una elevada concentración de H3O+, que reaccionan con los OH, favoreciendo que los equilibrios de hidrólisis se desplacen hacia la derecha, por lo que el equilibrio de solubilidad también se desplaza hacia la derecha. En consecuencia, una disminución del pH provoca un aumento de la solubilidad del CaCO3.

Además, el ácido carbónico se descompone en dióxido de carbono y agua:

H2CO3  ⇄  CO2 + H2O

Al liberarse el CO2, como se aprecia en la formación de burbujas, el equilibrio se desplaza hacia la derecha aumentando la solubilidad de la sal.

Fenómenos osmóticos

Un cambio evidente que se observa es el aumento de tamaño del huevo. Esto es debido a que las membranas de la cáscara son membranas semipermeables, que permiten la difusión de agua a través de ellas a favor del gradiente de concentración de sales. Es decir, que debido a la diferencia de concentraciones entre el interior y el exterior del huevo, se produce una entrada de agua que provoca un aumento de volumen.

Desnaturalización de proteínas

La cáscara y las membranas que la recubren poseen proteínas, que en medio ácido se pueden desnaturalizar. Este fenómeno produce un cambio conformacional en la estructura de las proteínas que modifica sus propiedades, y provocan un aumento de su elasticidad.

Las sales minerales en los seres vivos

Cuando hablamos de sales minerales en los seres vivos nos referimos a todas aquellas moléculas inorgánicas de naturaleza iónica que aparecen en ellos, tanto en estado sólido o precipitadas, como en disolución o asociadas a otras moléculas.

Sales minerales precipitadas

Son las sales insolubles que aparecen en estado sólido cristalino en los seres vivos y que desempeñan funciones estructurales, protectoras o de sostén. Entre ellas encontramos:

  • Carbonato de calcio, que constituye el exoesqueleto de los artrópodos y de los corales, las conchas de moluscos o las espinas de los erizos de mar, además de endurecer los huesos y dientes de los vertebrados.
  • Fosfato cálcico que, junto con el anterior, se encuentra depositado en la matriz de los tejidos óseos de los vertebrados.
  • Silicatos, que aparecen en las estructuras de sostén de las gramíneas o en los caparazones de las diatomeas.

Sales minerales disueltas

Son aquellas que aparecen en el medio acuoso intracelular y extracelular disociadas en sus correspondientes iones.

Sus principales funciones son:

  • Mantener el grado de salinidad y la homeostasis (equilibrio del medio interno) de los organismos.
  • Regular la presión osmótica y el volumen celular: la entrada o salida de agua a través de la membrana plasmática depende de la concentración de sales en el interior y el exterior de la célula.
  • Generar potenciales eléctricos: la diferencia de concentración de determinados iones entre el interior y el exterior de la célula genera un potencial de membrana que resulta fundamental para el buen desarrollo de ciertos procesos, como la contracción muscular o la transmisión del impulso nervioso.
  • Regular la actividad enzimática, al asociarse a los sustratos o a las enzimas que participan en determinadas reacciones metabólicas.
  • Regulación del pH: las disoluciones amortiguadoras o tampón se encargan de mantener constante el pH del medio interno.
  • Funciones específicas, pudiendo estar asociadas a otras moléculas orgánicas.

Fenómenos osmóticos

La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el paso o difusión de disolvente a través de una membrana semipermeable (permite el paso de disolvente pero no de solutos) desde una disolución más diluida hasta otra más concentrada (pues tienden a igualar las concentraciones de ambas disoluciones, es decir, sus presiones osmóticas).

osmosis

La membrana plasmática es semipermeable frente al agua, de modo que dependiendo de las características del medio se pueden dar tres situaciones:

  • Cuando una célula se encuentra en un medio hipotónico (tiene una menor presión osmótica o una concentración salina inferior a la del medio interno) tiene lugar una entrada de agua en la célula, con el consiguiente aumento de volumen. Se produce turgencia celular e incluso el estallido en el caso de las células animales.
  • Cuando una célula se encuentra en un medio hipertónico (con mayor presión osmótica o una concentración salina superior a la del medio interno) se produce salida de agua desde la célula al medio externo y disminuye su volumen. En las células vegetales puede conducir a la rotura de la célula o plasmólisis, al desprenderse la membrana de la pared celular.
  • Cuando una célula se encuentra en un medio isotónico (la presión osmótica o la concentración salina es igual a la del medio interno) y no se produce intercambio de agua.

Osmosis-hipertonico-hipotonico-isotonico

Los seres vivos han desarrollado sistemas de osmorregulación, para evitar los cambios de presión osmótica en su medio interno. Así, en los seres humanos la absorción de agua y sales se produce a través de la mucosa intestinal y su expulsión se produce de manera controlada a través de la orina.

Sistemas amortiguadores o tampón

El mantenimiento del pH es esencial para el correcto funcionamiento de la actividad celular, pues una alteración del mismo modificaría la estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos y afectaría a la capacidad de acción de las enzimas.

Los valores constantes de pH en los seres vivos se mantienen gracias a los sistemas tampón, y los más importantes son el sistema tampón fosfato y el sistema tampón bicarbonato:

Sistemas-amortiguadores-tampon

En el medio intracelular actúa el sistema tampón fosfato y en el medio extracelular lo hace el sistema tampón bicarbonato. Por ejemplo, cuando se produce un aumento en la concentración de protones, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, y si, por el contrario, se produce una disminución, el equilibrio se desplaza en sentido contrario.

Funciones de los principales bioelementos

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