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Una reconstrucción histórica y epistemológica del concepto de ph, su importancia en la nutrición humana y en procesos químicos y biológicos, así como su aplicación en la medición de la acidez o alcalinidad de una solución acuosa. Se explica cómo el ph desempeña un papel multifacético en la digestión, la absorción de nutrientes y la salud metabólica, y se presentan las ecuaciones y medidas utilizadas para determinar su valor. Además, se discuten los desafíos en la medición precisa del ph en presencia de ácidos o bases altamente concentrados.
Tipo: Resúmenes
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Justificación.
El tema seleccionado para este tópico es el de pH, que durante un largo periodo, ha
sido objeto de debate entre científicos y educadores debido a que se ha planteado
como una manera de caracterizar sustancias químicas, siendo su uso común en
procesos químicos y biológicos. La reconstrucción histórica y epistemológica del pH
ha permitido comprender sus fundamentos conceptuales, así como sus
implicaciones económicas, tecnológicas y sociales, lo que lo llevó a ser propuesto
en la primera década del siglo XX. Gracias a esta reconstrucción histórica, es
posible identificar los aspectos más relevantes que condujeron al desarrollo del
concepto por parte de las comunidades científicas, pues bien, el pH desempeña un
papel multifacético en la nutrición humana, extendiéndose desde la digestión hasta
la absorción de nutrientes y la salud metabólica. En el sistema digestivo, un pH
estomacal ácido es esencial para la descomposición de los alimentos y la activación
de enzimas digestivas clave. Además, el pH intestinal influye en la absorción de
minerales, como el hierro y el calcio. En el cuerpo, ciertos alimentos pueden afectar
el equilibrio ácido-base, lo que puede tener implicaciones para la salud a largo plazo,
como la osteoporosis o enfermedades cardiovasculares. Por lo tanto, comprender
la relación entre el pH y la nutrición implica considerar tanto los procesos digestivos
como los efectos metabólicos, destacando la importancia de una dieta equilibrada
para mantener la homeostasis ácido-base y promover la salud en general.
Propósito.
El propósito de este tópico es la explicación del concepto de pH, explorar entre
sus antecedentes, resaltar su importancia, cómo se involucra en las propiedades
de los ácidos y bases, la ecuación Henderson-Hasselbalch y la utilidad de la hiato
aniónico.
La escala de pH se determina de acuerdo a un conjunto de soluciones estándar
cuyo pH es establecido por acuerdo internacional. Los valores globales de pH
primarios se determinan usando una celda galvánica mediante la medición de la
diferencia de potencial entre un electrodo de Hidrógeno y un electrodo estándar
como el electrodo de cloruro de plata. El pH de las soluciones acuosas se puede
medir con un electrodo de vidrio y un medidor de pH, o indicador.
Historia.
Antecedentes del concepto.
La fascinante historia del pH se remonta al genio químico danés Seren Peter Lauritz
Sorensen, cuyo ingenio brilló en el prestigioso Laboratorio Carlsberg en 1909. Fue
allí donde Sorensen esbozó por primera vez las bases del concepto de pH, una idea
revolucionaria que pronto cambiaría la forma en que entendemos el mundo de la
química. A medida que el tiempo avanzaba, Sorensen perfeccionó su visión, dando
vida a la versión moderna del pH en 1924, utilizando definiciones innovadoras y
mediciones precisas derivadas de las misteriosas celdas electroquímicas. En los
inicios de la ciencia, los primeros escritos sobre el tema presentaban una notación
curiosa, con la majestuosa “H” flotando como un subíndice sobre la modesta “p”,
creando así la enigmática “Pu”, una imagen contrastante con la familiaridad del pH
que conocemos hoy en día.
El término pH.
El misterio envuelve el origen de la enigmática letra “p” en el término “pH”, y las
teorías divergen como estrellas en la noche. Algunos eruditos sugieren que la “p”
deriva de la palabra alemana “potenz”, con su resonancia de poder, mientras que
otros inclinan sus pensamientos hacia la palabra francesa “puissance”, también
evocando el concepto de poder. Esta última hipótesis cobra fuerza al considerar el
ambiente lingüístico del prestigioso Laboratorio Carlsberg, donde el francés era el
idioma de elección. Otros aún, en su búsqueda de la verdad, miran hacia el latín,
sugiriendo que “pH” podría derivarse de los términos “pondus hydrogenii” o
“hydrogenii potentia”, ambos aludiendo al potencial del hidrógeno. Y entre las
sombras de la incertidumbre, emerge la idea audaz de que Sorensen, como un
maestro matemático, empleó las letras “p” y “q” para emparejar solución de ensayo
(p) y solución de referencia (q), como es común en las ecuaciones matemáticas.
El uso actual en química es que "p" significa el "cologaritmo decimal de". Se usa de
igual forma en el término pKa, que se utiliza para denotar las constantes de
disociación del ácido.
El Cologaritmo.
En química, un cologaritmo decimal se indica mediante la letra p. Este uso se
originó con la cantidad de pH, definido como − 𝑙𝑜𝑔 10 [𝐻, 𝑂 ∗]. Basado en esta
suposición del pH, la cantidad se define como − 𝑙𝑜𝑔 10 𝐾𝑎.
Definición.
El pH se define como el recíproco del logaritmo decimal (base 10) de la actividad
del ion Hidrógeno (𝑎𝐻 ∗), en una solución.
Aunque lo anterior forma parte de la definición formal del pH, en general para la
mayoría de los usuarios regulares el pH es una medida de acidez o alcalinidad de
una disolución. El pH indica la concentración de iones hidrogeno [𝐻, 0 ∗] presente
en determinadas disoluciones y se calcula con la siguiente ecuación:
La determinación directa de la concentración de iones de Hidrógeno es viable
mediante la calibración adecuada del electrodo utilizado. Una metodología
convencional implica la titulación de una solución de ácido fuerte de concentración
conocida con una solución de base fuerte en presencia de un electrolito
concentrado. Con el conocimiento de las concentraciones del ácido y la base, es
posible calcular con precisión la concentración de iones de Hidrógeno, permitiendo
así correlacionar el potencial medido con dichas concentraciones.
Ácidos y bases.
Ácidos.
Un ácido (del latín acidus, que significa agrio) es considerado tradicionalmente como
cualquier compuesto químico que, cuando se disuelve en agua, produce una
solución con una actividad de catión hidronio (H30*) mayor que el agua pura, esto
es, un pH menor que 7. Algunos ejemplos son:
El agua se comporta como un ácido y cuenta con una constante de disociación.
El hidróxido es un diatómico con fórmula química OH-. se compone de un oxígeno
y un átomo de hidrógeno unido por un enlace covalente, y lleva una carga eléctrica
negativa. Es un Importante constituyente del agua. Funciona como una base un
ligando, un nucleófilo y un catalizador.
Cálculo del pH.
El cálculo del pH de una solución que contiene ácidos y / o bases es un ejemplo de
un cálculo de concentración de especies químicas en solución, es decir, es un
procedimiento matemático para el cálculo de las concentraciones de todas las
especies químicas que están presentes en la solución. La complejidad del
procedimiento depende de la naturaleza de la solución. Para los ácidos y bases
fuertes (que se disocian totalmente en solución), los cálculos solo son necesarios
en situaciones particulares. Por otro lado, el cálculo del pH de una solución que
contiene un ácido débil (que se disocia parcialmente en solución), requiere del uso
de una ecuación cuadrática. El pH de una solución que contiene una base débil
puede requerir la solución de una ecuación cúbica.
El caso general requiere la solución de un sistema de ecuaciones simultáneas no
lineales.
Amortiguadores de pH.
Los amortiguadores' de pH, son sistemas acuosos que tienden a resistir los cambios
en el pH cuando se les agregan pequeñas cantidades de ácido (H") o base (OH").
Un sistema amortiguador consiste de un ácido débil (dador de protones) y su base
conjugada (aceptor de protones).
La capacidad para amortiguar por parte de los buffer se determina a partir de su
pKa (ver más adelante) y es eficiente una unidad por arriba y una por debajo de ese
valor. Es precisamente en esta región en donde al agregar ciertas cantidades de
iones H* u OH*, el valor del pH de la solución permanecerá constante. En esta
región los dos equilibrios que existen en la solución, la disociación del agua y la del
ácido en cuestión, balancean las concentraciones agregadas de ácido o base, de
tal manera que la suma de los componentes de las reacciones no varía, solo lo hace
su relación. La capacidad amortiguadora de los ácidos débiles es variable. A los
amortiguadores también se conocen como "buffer" o “tampón”.
Los ácidos y bases débiles poseen constantes de disociación particulares.
Desde el punto de vista de los amortiguadores de pH, las moléculas que son ácidos
o bases fuertes, aunque son muy importantes, son menos relevantes que los ácidos
y bases débiles, que son aquellos que no se disocian completamente en soluciones
acuosas diluidas. En los sistemas biológicos ambos tipos de moléculas representan
papeles muy importantes en diversas partes del metabolismo.
