Electrochimia la nivelul corpului uman

1. SCHIMBURILE IONICE LA NIVELUL MEMBRANEI CELULARE

1.1 NOŢIUNI INTRODUCTIVE

Schimbătorii de ioni

Există substanţe care în anumite condiţii, pot schimba anumiţi ioni pe care îi posedă (Na+, K+), cu alţi ioni (Ca2+, Mg2+) aparţinând altor substanţe. Aceste substanţe au fost numite schimbători de ioni. După felul ionilor de schimb din structura lor chimică, există:

• schimbători de cationi (cationiţi)

• schimbatori de anioni ( anioniti)

Schimbătorii de ioni se comportă ca polielectroliti: ca acizi, cand pun în libertate anioni OH-.

.Sunt alcătuiţi dintr-un schelet macromolecular, insolubil, conţinând grupe active cu ioni mobili care pot fi uşor schimbaţi cu ioni cu aceeaşi sarcină din soluţiile de electroliţi. Ei pot fi reprezentaţi schematic prin formulele generale:

• H+R-, cationit sub forma HR, sau H+ - cationit;

• R+OH-, anionit sub forma ROH, sau OH- - anionit, în care R- este un macroanion şi R+

este un macrocation.

Cationii de schimb ai cationiţilor pot fi şi cationi ai diferitelor metale (Na, K, Ca,Mg) reprezentanţi schematic prin formulele: NaR, KR, CaR2, MgR2, şi pot fi obtinuţi prin schimbul ionic realizat între cationitii acizi HR şi soluţia apoasă a unei sări de Na, K ,Ca, Mg.

HR + NaCl → NaR + HCl

2RH + CaCl2→CaR2+ 2HCl

Anionii de schimb ai anioniţilor pot fi şi alţi anioni în afară de OH-, anioniţii respectivi fiind reprezentaţi schematic prin formulele generale: RCl, RCN, RHCO3, R2SO4, etc., şi pot fi obţinuţi prin schimbul ionic realizat între anioniţii bazici ROH şi soluţia unui acid:

ROH + HCl → RCl + H2O

2ROH + H2SO4→ R2SO4+ 2H2O

În prezenţa aceleiaşi cantităţi de schimbători, schimbul ionic se repetă ciclic( schimb ionic propriu-zis - regenerarea schimbătorului), pană la degradarea schimbătorului, după sute sau mii de cicluri. Schimbătorii de ioni se prezintă sub forma de granule neregulate sau sub formă de granule sferice ale căror dimensiuni variază, în mod obişnuit între 0,3 ± 0,5 mm.

Pentru realizarea unui schimb ionic, cât mai complet posibil, este necesar ca soluţia de electrolit (afluentul) să traverseze masa de granule a schimbatorilor de ioni, atâta timp şi în aşa fel, încât fiecare strat de granule scaldat în soluţia de electrolit să realizeze schimbul ionic în sensul dorit, până la atingerea echilibrului reactţei reversibile, practic, până la apariţia ionului de schimb al afluentului în efluent.

Diferitele tipuri de schimbători de ioni se deosebesc prin structura lor moleculară, prin capacitatea de schimb, prin stabilitatea termică şi prin stabilitatea lor faţă de agenţii chimici, în general faţă de cei oxidanţi.

Schimbătorii de ioni pot fi grupaţi în două mari categorii: schimbători de ioni anorganici şi schimbători de ioni organici. Din fiecare categorie fac parte atât substanţe naturale cât şi sintetice.

Schimbătorii anorganici naturali sunt cei pe bază de alumino- silicaţi. Aceşti schimbători de ioni au o capacitate de schimb redusă. Din această categorie fac parte: glauconitul, montmorillonitul, zeolitii etc. Dintre cei sintetici cei mai cunoscuţi sunt permutiţii.

Dintre schimbătorii de ioni organici naturali fac parte: carbunii fosili, carbunii sulfonaţi, celuloza de bumbac sulfoetilata sau aminata, esterii celulozei cu acizi organici, lignina etc.

Schimbul ionic

Fenomenul de schimb al ionilor, dintre o substanţă insolubilă scăldată de soluţia unui electrolit a fost observat încă de multă vreme de catre geologi şi agronomi. Pentru prima oară, procesele de schimb ionic au fost observate în anul 1833 de către Fuchs, care a constatat schimbul ionilor de sodiu şi potasiu din soluri cu ioni de Ca2+ şi Mg2+. În 1852 J. Way a constatat că la contactul solului cu diverse soluţii de săruri, metalele alcaline, alcalino- pămantoase din sol trec în soluţie printr-un proces de schimb cu cationii din soluţiile respective şi a stabilit, ca acest schimb are loc în proporţii echivalente ca şi în procesele chimice.

Mecanismul schimbului ionic se explică prin faptul că schimbătorul de ioni este alcatuit dintr-un anion macromolecular insolubil şi un cation slab legat, care poate fi uşor înlocuit de un alt cation mai electropozitiv.Procesele de schimb ionic fac parte din categoria reacţiilor de dublu schimb care au loc în sisteme eterogene solid- lichid (schimbătorul de ioni - soluţii unui electrolit) sau în sisteme omogene lichid- lichid, în cazul lichidelor schimbătoare de ioni. Ceea ce deosebeşte procesele de schimb ionic, realizate cu ajutorul schimbătorilor de ioni, de reacţiile generale de dublu schimb, este faptul ca schimbătorii de ioni rămân insolubili, atât în forma lor de dinaintea procesului de schimb, cât şi în forma pe care o capătă după efectuarea schimbului ionic. Reacţiile de schimb ionic în prezenţa schimbătorilor solizi sunt reacţii în medii eterogene, care se desfaşoară la interfaţa solid- lichid, între suprafaţa schimbătorului de ioni şi soluţia electrolitului care îl înconjoară. Datorită structurii poroase a schimbătorilor de ioni, suprafaţa de contact solid- lichid este foarte mare şi cu atât mai mare cu cât granulele de schimbător sunt mai mici şi gradul de reticulare al macromoleculei respective este mai mare. Procesul schimbului ionic se realizează în două stadii succesive: