PROFESSOR

PAULO CESAR

PORTAL DE ESTUDOS EM QUÍMICA
 

DICAS PARA O SUCESSO NO VESTIBULAR: AULA ASSISTIDA É AULA ESTUDADA - MANTER O EQUILÍBRIO EMOCIONAL E O CONDICIONAMENTO FÍSICO - FIXAR O APRENDIZADO TEÓRICO ATRAVÉS DA RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS.

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Alguns chegam até a desmaiar só pelo simples fato de olhar para ele.

Este fluido é essencial para a nossa sobrevivência e nos reserva grandes surpresas. Alguém poderia imaginar que, em algo inusitado estaria uma bela aula sobre equilíbrio químico?

O Portal de Estudos em Química apresenta para vocês o equilíbrio ácido-base no Sangue!

Composição do Ar Alveolar

          O ar que respiramos mistura-se com o gás já presente na traquéia, brônquios e subdivisões mais específicas das nossas vias aéreas pulmonares sendo que uma parte desta mistura de gases é levada aos alvéolos em expansão, onde ele entra em contato com os capilares pulmonares que transportam sangue venoso (rico em gás carbônico).

 

Pressão parcial de um gás

A pressão parcial de um gás é a pressão exercida pelo gás de forma individual, não sofrendo interferência de possíveis outros gases em um sistema. A pressão parcial depende somente do número de mol de um gás em um dado volume e temperatura. Por exemplo:

A pressão total exercida por uma mistura gasosa como o ar atmosférico, é a soma aritmética simples das pressões parciais dos gases que formam a mistura.

A pressão barométrica (PB) é deste modo, a soma das pressões parciais do oxigênio, dióxido de carbono e nitrogênio do ar.

É importante dizer que o conceito de pressão parcial é uma idealização de um sistema. Não são consideradas a interações entre os gases.

Difusão: Processo espontâneo de transporte de massa num sistema físico-químico, por efeito de gradientes de concentração.

 

          Em condições de equilíbrio dinâmico, o fluxo de vai e vem do gás dentro e fora dos espaços alveolares mantém a constância da composição do ar alveolar. Em média, a mesma quantidade de oxigênio acrescentada ao ar alveolar é removida pelo sangue e a mesma quantidade de dióxido de carbono transferida pelo sangue aos alvéolos é lançada ao meio externo. Esse aspecto da constância da composição do gás alveolar terá alguma relação com o equilíbrio ácido-base em nosso sangue? Em breve iremos responder essa pergunta.

 

Transporte de oxigênio no sangue

          Quando a pressão parcial do oxigênio é diferente em duas partes de um sistema, estabelece-se um gradiente de difusão, ou seja, o gás se difunde do local em que a pressão parcial é maior para aquele em que ela é menor. Caso o sistema permanecer sem perturbações, a pressão parcial de um gás se torna a mesma em todas as suas partes.

         O oxigênio difunde do ar alveolar para o sangue porque o sangue venoso que flui pelos pulmões tem uma Po2 (pressão parcial de gás oxigênio) inferior à do ar alveolar. A difusão do oxigênio para o sangue venoso converte-o em sangue arterial. O sangue passa rapidamente pelos pulmões com uma demora de 0,75 segundo, quando o homem está em um estado de repouso. Em uma atividade física, em função da demanda de oxigênio, o tempo pode cair para um valor de 0,3 segundos, visto que as funções metabólicas como um todo trabalham em um ritmo acelerado, necessitando por conseqüência de uma demanda maior de gás oxigênio para realizar suas reações.

          A membrana alveolar é uma barreira à difusão do oxigênio e, por isso, o oxigênio do sangue que passa através dos pulmões não chega a atingir o equilíbrio completo com o ar alveolar.

          O oxigênio contido no sangue arterial é transportado de duas maneiras: como oxigênio dissolvido em solução física e na forma conjugada com a hemoglobina presentes nos eritrócitos (glóbulos vermelhos). A quantidade de oxigênio dissolvida e a quantidade combinada com a hemoglobina dependem ambas do Po2 do sangue arterial. Este sangue arterial flui através de tecidos em que a Po2 é inferior a do sangue. Em alguns tecidos de grande fluxo sanguíneo, como o cérebro por exemplo, a Po2 pode ser apenas alguns milímetro de Hg inferior à arterial. Pelo fato da Po2 dos tecidos ser inferior à do sangue arterial, o oxigênio difunde-se do sangue para os tecidos. A perda de oxigênio pelo sangue arterial, juntamente do ganho simultâneo de dióxido de carbono, converte o sangue arterial em venoso. O sangue venoso é coletado pelas veias, misturando-se no ventrículo direito e novamente circulando pelos pulmões.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cada alvéolo tem um diâmetro cerca de 0,2mm. As paredes alveolares são muito finas e no meio delas está uma densa rede de capilares, que forma quase um lençol contínuo de sangue, numa camada muito fina.

 

Hemoglobina

Um transportador de O2 é necessário no sangue porque O2 não é suficiente solúvel no plasma sanguíneo para atender às necessidades do corpo. Veja que, à 38°C, 1L de plasma dissolve apenas 2,3 mL de O2. O sangue total, em virtude de sua hemoglobina, tem uma capacidade muito maior de transporte do oxigênio. Um litro de sangue normalmente contém cerca de 150g de hemoglobina (contida dentro dos eritrócitos) e cada grama de hemoglobina é capaz de combinar-se aproximadamente 1,46 mL de O2. Portanto, a hemoglobina de 1L de sangue é capaz de transportar 220 mL de O2, cerca de  87 vezes mais rápido para fornecer a mesma quantidade de O2. Perceba que um fluxo 87 vezes mais rápido de sangue, caso não existisse a hemoglobina, exigiria uma bomba fabulosa de alta pressão, a qual produziria um fluxo tremendamente turbulento, o que resultaria  em sangramento descontrolado após ferimentos e não deixaria o sangue nos pulmões tempo suficiente para captar o O2. Já imaginou você se cortar com um fluxo de sangue 87 vezes mais rápido?

 

          A hemoglobina nada mais é do que uma proteína que carrega consigo complexos inorgânicos tendo como átomo central um íon de Ferro, complexo esse denominado "Heme" (veja figura ao lado). Diferentemente da mioglobina, que também exerce papel no transporte de oxigênio e possui apenas um grupo 'heme', a hemoglobina possui quatro grupos 'heme'. Este complexo "heme" irá ser responsável pela fixação e transporte do oxigênio, uma vez que o complexo está ligado a estrutura protéica da hemoglobina e esta, por sua vez, promove o transporte de toda a estrutura. Cada hemoglobina carrega 4 moléculas de gás oxigênio por vez, visto que existem 4 complexos "heme" ligados a hemoglobina. A ligação do complexo "heme" com o oxigênio é fraca e instável, dependendo de uma série de fatores, como pH, temperatura e da pressão parcial dos gases dissolvidos no sangue. Portanto, o equilíbrio ácido-base é um dos fatores fundamentais para que o processo de transporte do oxigênio seja efetuado de maneira satisfatória.

Complexo Heme

 

O equilíbrio ácido-base em nosso organismo.

          Há um fluxo diário muito intenso de oxigênio, dióxido de carbono e íon hidrogênio por todo o nosso corpo. O metabolismo gera CO2, que se dissolve em H2O para formar o ácido carbônico H2CO3 que, por sua vez, dissocia-se formando o íon hidrogênio H+. Apesar das grandes variações na produção de CO2, durante uma atividade física por exemplo, o pH sanguíneo é praticamente o mesmo: a concentração de íons hidrogênio no plasma permanece na faixa nanomolar (36-43 nmol.L-1; pH 7,37 - 7,44).

          Basicamente, a manutenção do equilíbrio ácido - base envolve os pulmões, os eritrócitos e os rins. Os pulmões, como vimos no capítulo anterior, controlam as trocas de dióxido de carbono e oxigênio entre o sangue e a atmosfera externa. Os eritrócitos, por sua vez, transportam os gases entre os pulmões e tecidos de nosso corpo. Os rins controlam a concentração de bicarbonato,  o qual possui ação de tamponamento, excretando os íons hidrogênio e regulam a produção de eritrócitos através da secreção da eritropoetina, um hormônio que estimula a síntese de eritrócitos.

Em nosso organismo, a atividade dos íons H+ varia de 0,13, no suco gástrico mais ácido, a cerca de 0,00000003 no suco pancreático mais alcalino. Afim de uma representação prática dessas concentrações, utilizou-se a o logaritmo negativo de base 10 da atividade hidrogeniônica da solução. Este termo é chamado de pH e sua definição matemática é:

Na prática, a atividade dos íons hidrogênio em uma solução é medida eletrometricamente. Se a solução desconhecida é separada de uma solução padrão, que possua sua atividade hidrogeniônica conhecida, por uma membrana permeável unicamente aos íons hidrogênio, o potencial elétrico E da membrana é dado pela equação:

 

 

onde R é a constante dos gases, T é a temperatura absoluta, n é a valência (que no caso é um) e F é a Constante de Faraday.

 

O efeito tampão

          Em linhas gerais, a definição de uma solução tampão seria aquela que é capaz de atenuar a variação do valor de seu pH, resistindo à adição, dentro de limites, de reagentes ácidos ou alcalinos. Ao mencionarmos os conceitos de  "ácido e base", estamos nos referindo a definição de Brönsted-Lowry (1923), a qual diz que "ácido é uma substância que libera prótons (um doador de prótons) e uma base é uma substância que se combina com os prótons (um receptor de prótons)".

          Vamos pegar o exemplo do ácido carboxílico, representado pela fórmula geral R-COOH. Quando o ácido é dissolvido em água, o grupo -OH dissocia-se para formar um íon hidrogênio e um ânion, uma reação de equilíbrio que pode ser representada conforme a reação abaixo:

          O ânion da reação é chamado de base conjugada, devido sua propriedade de absorver um próton produzido na reação. Se adicionarmos íons hidrogênio a uma solução contendo um ácido e sua base conjugada, o aumento na concentração hidrogeniônica desloca para a esquerda o equilíbrio. Alguns íons hidrogênio se combinam com a base conjugada para formar o ácido e, deste modo, alguns íons hidrogênio desaparecem da solução. A concentração hidrogeniônica final, após a adição do ácido, é menor do que ela seria se a base conjugada não estivesse presente. Por outro lado, uma redução de íons H+ da solução deslocaria o sentido da reação apara a direita, e algumas das moléculas de ácido liberariam íons hidrogênio.

          Portanto, a ação promovida pelo ácido e sua base conjugada tende a reduzir as modificações na concentração hidrogeniônica de uma solução, formando por isso, um sistema denominado "tampão" ou buffer.

     O Francês Henry Louis Le Chatelier que além de químico era também engenheiro metalúrgico, nasceu em 1850 e faleceu em 1936. Durante seus estudos sobre o andamento das reações químicas,

ele percebeu que era possível prever o sentido de deslocamento dos equilíbrios químicos, criando então a afirmativa que hoje é conhecida como lei ou princípio de Le Chatelier.

 

"Quanto um sistema em equilíbrio químico é perturbado por uma ação externa, o próprio sistema tende a contrariar a ação que o perturbou, afim de restabelecer a situação de equilíbrio".

 

     Uma experiência interessante para demonstrar o deslocamento de equilíbrio é aquela onde se produz, em função da variação da pressão do sistema, o deslocamento do equilíbrio da seguinte reação:

N2O4(g) Û 2NO2(g)

 

     Em um estado inicial de equilíbrio, temos pouco NO2 (vermelho) e muito N2O2 (incolor) e, portanto, o sistema tem uma cor levemente avermelhada. Com a diminuição da pressão (por exemplo, um aumento do volume), ocorre a um deslocamento no equilíbrio do sistema de forma que passamos a ter mais NO2 (vermelho) e menos N2O4 (incolor) fazendo com que se veja a variação de um vermelho claro para um vermelho mais intenso.

 

Sistemas de tamponamento no organismo

          A hemoglobina exerce um papel importante no tamponamento dos íons hidrogênio derivados da reação da anidrase carbônica. Os ácidos gerados durante o metabolismo e o íon hidrogênio gerado pela fixação do CO2 são também tamponados por tampões intracelulares, especialmente proteínas e fosfatos. Contudo, o bicarbonato é o principal  tampão que neutraliza os ácidos provenientes do metabolismo e será alvo de nosso estudo neste artigo. Na tabela ao lado, há um resumo dos tampões existentes em nosso organismo.

Os tampões no organismo humano

Tampões

ácidos

bases conjugadas

Principal ação de

tamponamento

hemoglobina HHb Hb- eritrócitos
proteínas HProt Prot- intracelular
tampão fosfato H2PO4- HPO42- intracelular
bicarbonato CO2®H2CO3 HCO3- extracelular

 

Ação Tampão do bicarbonato no sangue

          Primeiramente, vamos analisar a equação de Henderson-Hasselbach para o cálculo do pH de uma solução tampão.

(5)

 

para quem quiser conferir a dedução da fórmula

de Henderson-Hasselbach, clique aqui

 

          Quando a base e o ácido conjugados estão presentes em igual concentração, sua razão é de 1, e o log é 0, de modo que pH = pKa. Os tampões são soluções que minimizam uma alteração de [H+] mediante a adição de ácido ou de base. Um tampão possui uma capacidade de tamponamento máxima em seu pKa quando as formas ácidas e básicas estão presentes em igual concentração.

          Este sistema de tamponamento do bicarbonato é singular, pois ele permanece em equilíbrio com o ar atmosférico, criando, dessa forma, um sistema aberto com uma capacidade de tamponamento muitas vezes maior do que aquela dos sistemas "fechados".

          O dióxido de carbono produzido nos tecidos se difunde através das membranas celulares e dissolve-se no plasma sanguíneo. O coeficiente de solubilidade do CO2 em água é de 0,23 quando a pCO2 é medida em kPa (ou 0,03 se medida em mmHg). Assim, com uma pCO2 de 5,3kPa, a concentração de CO2, dissolvido (dCO2) é de:

 

Unidades de pressão

     A pressão pode ser expressa em diversas unidades de medida. Abaixo, relacionamos as conversões entre essas unidades.

 

Grandeza

Nome

Símbolo

Equivalência

pressão

atmosfera

atm

101 325 Pa

pressão

bar

bar

105 Pa

pressão

milímetro
de mercúrio

mmHg

133,322 Pa

                          dCO2 (mmol/L) = 5,3kPa x 0,23 = 1,2 mmol/L

 

          Normalmente, existem aproximadamente 24mmol/L de bicarbonato no plasma. O pK do tampão bicarbonato é de 6,1 e se inserirmos as concentrações dos componentes do tampão na equação anterior, veremos que:

 

 

          O tampão bicarbonato minimiza as modificações na concentração de íons hidrogênio com a adição de um ácido ou de uma base no plasma. Quando o ácido é adicionado, o bicarbonato reage e o CO2 é liberado:

 

 

          O ácido carbônico é uma estrutura muito instável e logo se dissocia em dióxido de carbono e água. O excesso de CO2 é então eliminado pelos pulmões. Já quando uma base é adicionada, o ácido carbônico/CO2 neutraliza a base em água:

Em primeiro lugar, o componente que consideramos como ácido nesse sistema tampão é CO2, que é um anidrido ácido, não um ácido. Reage com a água para formar ácido carbônico, o qual sabemos que é um ácido fraco:

CO2 + H2O Û H2CO3 (1)

O ácido rapidamente ioniza-se em:

H2CO3 Û H+ + HCO3- (2)

Somando as equações 1 e 2, temos:

CO2 + H2O Û H+ + HCO3- (3)

A eliminação de H2CO3 de concentração formal é realístico, uma vez que não apenas simplifica o assunto, mas o H2CO3 é, de fato, quantitativamente insignificante. Como o equilíbrio da reação (1) é muito deslocado para a esquerda, H2CO3 está presente  apenas 1/200 da concentração de CO2 dissolvido.

 

          É importante ressaltar que a solução tampão tem um determinado limite de ação. Ultrapassado esse limite, a variação de pH ocorre como se não existisse mais um sistema tampão. Nestes casos, ocorrem patologias relacionadas com distúrbios ácido-base, os quais iremos ver a seguir.

 

Os distúrbios ácido-base metabólicos e respiratórios

          Os pulmões e os rins trabalham de maneira integrada para minimizar as alterações de pH plasmático e podem compensar um ao outro na presença de perturbações. Os distúrbios de equilíbrio ácido-base podem ter sua origem metabólica, respiratória ou mista. Quando um problema ocorre em um dos componentes, o outro busca compensar minimizando as alterações finais nas concentrações plasmáticas de íons hidrogênio.

          Quando a concentração de íons H+ no sangue é elevada, temos uma diminuição do pH o que chamamos de acidose, a qual é geralmente classificada como metabólica ou respiratória, classificação esta que dependerá da origem  que promoveu o desequilíbrio. Já a alcalose é o distúrbio inverso, ou seja, há um aumento do pH sanguíneo em virtude da diminuição de íons H+ no sangue, considerado um distúrbio raro em relação ao da acidose. Esses dois distúrbios podem levar, caso não haja providência imediatas, o indivíduo a morte devido ao colapso metabólico que é produzido.

 

29/05/2003

Química: Hidróxido de lítio salva astronautas

LUÍS FERNANDO PEREIRA
da Folha de S.Paulo

"Houston, we have a problem". Ao enviar essa mensagem em 13 de abril de 1970, o comandante da missão espacial Apollo 13, Jim Lovell, sabia: a sua vida e as dos seus dois companheiros estavam por um fio. Um dos tanques de oxigênio (O2) da nave tinha acabado de explodir.

Apesar do perigo iminente de os astronautas ficarem sem O2 para respirar, a principal preocupação da Nasa era evitar que a atmosfera da espaçonave ficasse saturada do gás carbônico (CO2) exalado pela própria equipe.

Isso causaria um abaixamento do pH do sangue da tripulação (acidemia sanguínea), já que o CO2 é um óxido ácido (em água ele forma ácido carbônico: CO2 + H20 --> H2CO3) como, aliás, a grande maioria dos óxidos ametálicos (o carbono é um ametal).

A acidemia sanguínea deveria ser evitada a qualquer custo. Inicialmente, ela leva a pessoa a ficar desorientada e a desmaiar, podendo evoluir até o coma ou mesmo a morte.

Normalmente, a presença de CO2 na atmosfera da nave não é problema. Para eliminá-lo, há, adaptados à ventilação, recipientes com hidróxido de lítio (LiOH), uma base capaz de absorver esse gás. Nada quimicamente mais sensato: remover um óxido ácido da atmosfera da nave lançando mão de uma base: CO2 + 2LiOH
® Li2CO3 + H2O.

O problema é que os três astronautas tiveram de se refugiar numa parte da espaçonave chamada módulo lunar: pequena e preparada para duas pessoas. Depois de um dia e meio, uma luz de alerta acendeu: o CO2 havia atingido um nível muito alto. Sinal de que a quantidade de LiOH, calculada para dois astronautas, não estava dando conta do recado.

Um improviso de última hora com o hidróxido de lítio do módulo de comando (outra área da espaçonave) salvou a vida de toda a tripulação.

E se existissem substâncias que, além de absorverem o CO2, ao mesmo tempo restaurassem o O2? Seria ótimo! E essas substâncias existem. São os superóxidos! O superóxido de potássio (K2O4) já vem sendo utilizado em submarinos. Veja só o que ele faz:

 

K2O4 + CO2 ® K2CO3 + 3/2O2.


No espaço e até no fundo do mar. Tem química em todo lugar!

 

Depois da leitura, responda a questão que encontra-se na coluna ao lado sobre a solução sugerida.
---

Reprodução do texto gentilmente cedida pelo autor

Leia o original através do site

http://www1.folha.uol.com.br/folha/educacao/ult305u12947.shtml

Que massa desse superóxido é necessária para remover todo o CO2 exalado por um tripulante durante quatro dias de viagem nesse submarino (uma pessoa exala, em média, 1,1 kg de CO2 por dia)?

 

Agora é a sua vez!

          Abaixo, seguem duas questões sobre o equilíbrio químico do sangue com o objetivo de demonstrar a importância desse assunto bem como evidenciar a maravilha que é a nossa vida. Ah!, as perguntas também têm como objetivo fazer com que você não fique ai 'sentadão', esperando tudo pronto ou, como popularmente se comenta: 'de mão beijada'.

          Pensou que era só ler né? Vamos trabalhar!  :)

 

Questão

Questão 2

          Para um sistema estar em equilíbrio, geralmente é de se esperar que esse sistema seja do tipo "fechado" visto que, dessa forma, não há variação na quantidade de reagentes e produtos além da possibilidade de um melhor controle perante as variáveis de estado deste sistema.

          Apesar de nós sermos um "sistema aberto", no que diz respeito ao equilíbrio ácido-base de nosso sangue, ocorre uma incrível constância no valor de pH, evidenciando uma notável condição de equilíbrio químico. Com base na leitura do texto e utilizando-se também de outras fontes sobre o assunto, explique os motivos que permitem que esse fenômeno aconteça.

          Quando você vai viajar para uma cidade de grande altitude (como por exemplo, La Paz, com 3.636 metros de altitude) são comuns alguns desconfortos físicos. Em casos extremos, certas pessoas podem até morrer caso não recebam tratamento em tempo.

          Existe um equilíbrio entre a hemoglobina e a oxi-hemoglobina (hemoblogina + O2) e este equilíbrio é que será responsável pelos efeitos indesejados mencionados no parágrafo anterior. Explique como ocorre esse deslocamento de equilibro, tanto para  a pessoa que recém chegou na cidade e está sentindo os efeitos da altitude bem como para aquela pessoa que se habituou ao clima.

 

Bibliografia Utilizada

Mazzocchin, Gian-Antônio; Moretto, Ligia M. "Ácidos e Bases: uso de diagramas logarítmicos". Caxias do Sul: EDUC, 1996.

Dovenport, Horace W; "ABC da Química Ácido-Básica do Sangue". Traduzida da 5ª edição revista e ampliada por José Reinaldo Magalhães. São Paulo: Editora Atheneu, 1973.

Baynes, John, Dominiczak, Marek H. "Bioquímica Médica".1ª edição brasileira. São Paulo: Editora Manole, 2000.

Thomas, M. Delvin. "Manual de Bioquímica com Correlações Clínicas". Tradução da 4ª edição Americana. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 2002.

Parson, Theran D.; Slabaugh, Wendell H.;  "Química Geral". 2ª edição. Rio de Janeiro. Editora LTC, 1982.

Koolman, Jan; Röhm, Klaus-Heinrich. "Color Atlas of Biochemistry" - New York: Editora Thieme Stuttgart, 1996.

 

Para saber mais...

 

Washington University Department of Chemistry - Blood Chemistry Tutorial 

http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/blood.htm

 

Portal de Estudos em Química - Solução Tampão
 

Ática Educacional - Sistema Circulatório (animação em flash)

http://www.aticaeducacional.com.br/htdocs/atividades/sist_circ/index.htm

 

Ática Educacional - Sistema Respiratório (animação em flash)

http://www.aticaeducacional.com.br/htdocs/atividades/sist_resp/index.htm

 

 

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Este site foi atualizado em 24/01/11