Solução tampão

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Trabalho sobre solução tampão

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Universidade IguaçuUniversidade IguaçuData: 22 de maio de 2009Data: 22 de maio de 2009Professor: SiqueiraProfessor: SiqueiraAlunas: Viviane Pereira larosa e Viviane da Silva JanuzziAlunas: Viviane Pereira larosa e Viviane da Silva JanuzziCurso: FarmáciaCurso: Farmácia Turno: TardeTurno: Tarde Período: 2ºPeríodo: 2º

Trabalho de Química Analítica QualitativaTrabalho de Química Analítica Qualitativa

Assunto: Solução TampãoAssunto: Solução Tampão

Soluções TampãoSoluções Tampão

Uma solução tampão, solução tamponada ou simplesmente tampão é aquela solução capaz de manter aproximadamente constante o valor do seu pH quando é adicionado à ela um ácido ou base ou quando uma diluição ocorre. Podemos dizer que a concentração do íon Hidrogênio não sofre grandes alterações devido à adição de substâncias ácidas ou básicas. Embora haja outros tipos de solução tampão, estas soluções são constituídas geralmente de uma mistura de um ácido fraco e sua base conjugada (exemplo: ácido acético e acetato de sódio), ou da mistura de uma base fraca e seu ácido conjugado (exemplo: amônia e cloreto de amônio). Resumindo a solução tampão pode ser constituída de um ácido fraco e um sal solúvel de mesmo ânion que esse ácido e as constituídas por uma base fraca e um sal solúvel de mesmo cátion que essa base.

Vejamos como ocorre o efeito tampão nesses dois casos.Considere, por exemplo, uma solução tampão constituída de ácido

acético (ácido fraco), e acetato de sódio (sal solúvel):

Na solução - tampão formam–se dois equilíbrios distintos: 1º equilíbrio:ionização do ácido fraco (pequena):

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2º equilíbrio: dissociação do sal (grande):

O ânion acetato do sal (ânion comum) faz com que o 1º equilíbrio se torne ainda mais deslocado no sentido de diminuir a ionização do ácido.

Adição de uma base forte à solução–tampão; por exemplo, KOH (aq).

Dissociação da base forte (grande):

Diminuindo a concentração de íons H3O1+(aq) no equilíbrio, haverá um

deslocamento no sentido de aumentar a ionização do ácido e, desse modo, a variação de pH da solução (se houver) será muito pequena pois a concentração de íons H3O1+

(aq) em solução permanece praticamente constante.Devemos observar, porém, que a adição sucessiva de pequenas

quantidades de base forte irá deslocar o 1º equilíbrio continuamente no sentido da ionização do ácido fraco e, em determinado momento, todo o ácido terá sido ionizado. Nesse momento cessa o chamado efeito tampão.

Adição de um ácido forte à solução – tampão; por exemplo, HCL (aq)..Ionização do ácido forte (grande):

Como o ácido acético é um ácido fraco, concluímos que o ânion acetato possui grande afinidade pelo próton, H1+, do íon hidrônio, H3O1+

(aq).

Na solução, há grande quantidade de ânions acetato liberados pelo sal, acetato de sódio, no 2º equilíbrio . Desse modo, ocorrerá a seguinte reação:

Isso significa que o aumento de íons H3O1+(aq) em solução provoca um

aumento proporcional de moléculas de ácido acético, e a variação de pH (se houver) será muito pequena.

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A adição sucessiva de pequenas quantidades de ácido forte acabará em certo momento consumindo todo o ânion acetato fornecido pela dissociação do sal no 2º equilíbrio. Nesse momento, cessa o efeito tampão da solução.

Considere, agora, por exemplo, uma solução tampão constituída de hidróxido de amônio (base fraca) e de cloreto de amônio (sal solúvel):

O efeito tampão de uma solução desse tipo é análogo ao da solução do item anterior.

1º equilíbrio: dissociação de base fraca (pequena):

2º equilíbrio dissociação do sal (grande):

Adição de uma base forte à solução-tampão; por exemplo, KOH (aq)

Dissociação de base forte (grande):

Como o hidróxido de amônio é uma base fraca, concluímos que o cátion amônio possui grande afinidade pelo íon OH1-

(aq).

Na solução, há grande quantidade de cátions amônio, liberados pelo sal, cloreto de amônio, no 2º equilíbrio.

Desse modo, ocorrerá a seguinte reação:

Isso significa que o aumento de íons OH1-(aq), devido à adição da base forte

provoca um aumento proporcional de NH4OH(aq) e a variação de pH (se houver) será muito pequena.

O efeito tampão da solução irá cessar no momento em que todos os cátions amônio, liberados pelo sal, tiverem sido consumidos.

Adição de um ácido forte à solução–tampão; por exemplo, HI (aq). Ionização do ácido forte (grande):

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Isso faz com que o 1º equilíbrio se desloque no sentido de aumentar a dissociação da base fraca. Desse modo a variação de pH (se houver) será muito pequena, pois a concentração de íons OH1-

(aq) em solução permanece praticamente constante.

O efeito tampão da solução irá cessar no momento em que toda a base fraca tiver se dissociado.

A importância das soluções tampão não está apenas associada ao uso nos laboratórios de pesquisa. Hoje, o conceito de tampão é aplicado nas diversas áreas do conhecimento. Bioquímicos utilizam tampões devido às propriedades de qualquer sistema biológico ser dependente do pH; além disso, em química analítica e industrial, o controle adequado do pH pode ser essencial na determinação das extensões de reações de precipitação e de eletrodeposição de metais, na efetividade de separações químicas, nas sínteses químicas em geral e no controle de mecanismos de oxidação e reações eletródicas. A natureza também utiliza soluções tampão em diversos lugares. Um exemplo de solução tampão é o plasma sanguíneo dos seres humanos. Assim, muitos processos industriais e fisiológicos requerem um pH fixo para que determinada função seja desempenhada. Por exemplo, o sistema tampão HCO3

- – H2CO3 é importante fisiologicamente, uma vez que controla o transporte de CO2 no sangue e o pH do mesmo.

Na prática todo material vivente depende de enzimas para controlar e dirigir as reações químicas que são fundamentais à vida das mesmas. A atividade destas enzimas sustentadoras da vida depende criticamente do pH.

Organismos vivos estão constantemente entrando em contato com ácidos e bases, e, para sobreviver, eles devem ser capazes de controlar o pH das soluções celulares onde se localizam as enzimas.

A nossa corrente sanguínea deve ter um pH apropriado para a respiração acontecer. Se o sangue não fosse uma solução tamponada, ninguém sobreviveria após ingerir molho de tomate, suco de maracujá ou mesmo refrigerante. Esses alimentos são ácidos e alteram o pH do sangue. Se não existisse solução tampão a respiração não continuaria acontecendo e o corpo humano poderia ser levado à morte.

O pH sanguíneo deve ser 7,4 para a respiração ocorrer. Qualquer alteração no valor desse pH é rapidamente compensado pelo tampão presente na circulação sanguínea para que a respiração continue acontecendo. No caso do tampão presente na circulação sanguínea, o ácido fraco envolvido e o sal são o ácido carbônico e o bicarbonato. No caso de excesso do íon H+ o seguinte equilíbrio é deslocado para a esquerda : H2CO3 = H+ + HCO3

-

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caso de excesso do íon OH-, o seguinte equilíbrio é deslocado para a direita : OH- + H2CO3 = H2O + HCO3

-

Dessa forma, a concentração do íon Hidrogênio é mantida constante (pH = 7,4) e com isso é possível ocorrer a respiração. Exemplos de soluções tampões:

Ácido acético + acetato de sódio Ácido bórico + borato de sódio Ácido cítrico + citrato de sódio Ácido fosfórico + fosfato de sódio Amônia + cloreto de amônio

Capacidade de um Sistema TampãoCapacidade de um Sistema Tampão

A quantidade de ácido ou base que pode ser adicionada sem causar um grande aumento de pH é governada pela capacidade tamponante da solução. Isto vem determinado pelas concentrações de HA e A. Quanto maiores as concentrações, mais ácido ou base forte a solução pode tolerar.

Esta capacidade se mede pela quantidade de ácido ou base forte requerida para variar o pH em uma quantidade específica: quanto maior esta quantidade, melhor será o tampão.

A capacidade tampão (intensidade tampão, índice tampão) de uma solução se define quantitativamente como: O número de moles (ou equivalentes) de ácido ou base forte que adicionados a 1L de solução produzirá uma variação de pH de uma unidade.

Devido a que um tampão resistirá as mudanças de pH só enquanto exista ácido ou base fraca remanescente para reagir, quanto maior a concentração dos componentes do tampão, maior a capacidade do tampão. A capacidade tampão também aumenta quando a razão das concentrações do par ácido-base se aproxima da unidade.

Não é possível, em geral, termos uma razão de concentrações maior que aproximadamente 10/1 ou menor que ca. 1/10 e ainda termos uma quantidade suficiente de um dos componentes do tampão para reagir com a base ou ácido adicionado.

TampõesTampões

Uma das características de uma curva de titulação ácido fraco-base forte é um aumento do pH inicial seguido por um intervalo no qual

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o pH permanece relativamente constante mesmo que continue sendo adicionada base. Uma situação semelhante ocorre em curvas de titulação ácido forte-base fraca: uma queda brusca de pH inicial seguida por um intervalo no qual o pH permanece relativamente constante.

Em ambos os casos a reposta lenta do pH à adição de ácido ou base indica a ação da solução tampão.

Tampões em Sistemas BiológicosTampões em Sistemas Biológicos

As velocidades de reações bioquímicas em plantas ou animais são sensíveis a variações de pH, ou porque são afetados equilíbrios críticos ou, mais freqüentemente, porque a velocidade de uma das etapas do mecanismo de reação é muito alterada pela mudança do pH do meio de reação. Entretanto, estas variações de pH normalmente não ocorrem em organismos sadios, porque seus fluidos internos são bem tamponados. Grandes variações na comida, na bebida e na maneira de viver, embora produzam mudanças internas consideráveis no corpo afetam muito pouco o pH do sangue. Até a maioria das doenças provoca mudanças muito pequenas.

O sangue humano é tamponado por uma série de sistemas, incluindo:

O sistema H2CO3 – HCO3- no sangue é especialmente interessante.

Dióxido de carbono gasoso se dissolve na água, e uma pequena porção,

e

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aproximadamente 1% se combina com a água formando ácido carbônico, H2CO3.

H2CO3 não pode ser isolado puro, entretanto em solução comporta-se como ácido diprótico fraco. A perda do primeiro próton produz o íon hidrogenocarbonato HCO3

- , geralmente chamado pelo seu nome comum, íon bicarbonato:

Mas o valor de K1 dado aqui reflete a expressão da lei de ação das massas, na qual a concentração total de CO2 dissolvido, incluindo aquele que está combinado sob forma de H2CO3, está no denominador:

Como a maior parte de CO2 não está combinado sob forma de H2CO3, escreve-se normalmente

E o equilíbrio como

Portanto, a adição de CO2 à água produz uma solução ácida, e o CO2 dissolvido mais o HCO3

- constituem um sistema tampão. As células do corpo humano produzem CO2 , que se dissolve no sangue venoso retornado ao coração e pulmões. Nos pulmões, parte do CO2 é perdido por meio da exalação e, assim, o pH aumenta um pouco. Na realidade se não houvesse outros sistemas tampões no sangue, a mudança de pH seria excessiva. Normalmente esta variação é pequena. Perda excessiva de CO2 do sangue pode ser produzida por hiperventilação, respiração rápida e profunda. Como a respiração é estimulada pela presença de CO2 dissolvido no sangue, é possível segurarmos a respiração por longos períodos, mesmo até o inicio do desfalecimento, devido à falta de oxigênio (aparentemente o acúmulo de CO2 é muito lento para forçar a respiração). A hiperventilação pode aumentar o pH do sangue de 0.05 unidades, o suficiente para produzir, na melhor das hipóteses, tontura leve e, na pior, dores fortes no peito, semelhantes às de ataques cardíacos. O efeito inverso, a diminuição do pH do sangue devido ao acúmulo de CO2, ocorre às vezes em algumas formas de pneumonia, nas

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quais os pulmões começam a falhar. Esta condição chamada acidose, provoca sérios distúrbios no funcionamento de vários tecidos do corpo humano.

Exemplo: O sangue humano tem um pH invariavelmente próximo de 7,4. Calcule a relação [CO2] / [HCO3

-] no sangue que apresenta este pH.

Aplicando a equação de Henderson-Hasselbach , temos:

Tirando os antilogaritimos, obtemos

Como esta relação não é próxima da unidade, o sistema tampão CO2 – HCO3

- sozinho não será bastante eficiente. Na realidade, acredita-se que a hemoglobina e a albumina são os principais tampões no sangue.

Curvas de titulaçãoCurvas de titulação

Um dos procedimentos mais comuns em laboratório é a titulação, que um pode ser utilizada, por exemplo, para determinar a concentração de uma solução ácida por meio da reação com uma solução básica de concentração conhecida ou vice-versa.

Nesse caso se fizermos um gráfico da variação de pH da solução-problema em função do volume adicionado de solução de concentração conhecida iremos obter curvas características conforme a força do ácido ou da base envolvidos na reação.

Titulação entre um ácido forte e uma base forte. A tabela a seguir mostra a variação de pH

observada na solução formada por 25mL de ácido clorídrico,HCl (aq), de concentração 0,10 mol/L em função do volume adicionado de solução de hidróxido de sódio NaOH (aq),

0,10 mol/L. Os dados são experimentais:

ou

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Conforme os dados da tabela o ponto de equivalência da titulação, como era de se esperar, ocorre quando são adicionados 25mL de NaOH(aq).

Como a titulação envolvia um ácido forte e uma base forte, o ponto de equivalência ocorre em pH = 7, pois o sal formado não sofre hidrólise.

HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl(aq) + HOH(l)

Note que antes e depois do ponto de equivalência há uma

brusca variação de pH ( 2,69 – 7,00 – 11,29 ), porque a solução formada não apresenta efeito tampão.

Nesse caso, a curva de titulação apresenta o seguinte aspecto:

Titulação entre um ácido fraco e uma base forte.A tabela a seguir mostra a variação de pH observada na

solução formada por 25mL de ácido hipocloroso, HClO(aq) de concentração 0,10 mol/L em função do volume adicionado de solução de hidróxido de sódio, NaOH(aq), 0,10 mol/L. Os dados são experimentais.

O ponto de equivalência da titulação como era de se esperar ocorre quando são adicionados 25 mL de NaOH(aq).

O ponto de equivalência ocorre em pH > 7; porque o sal obtido pela reação entre o ácido fraco e a base forte sofre hidrólise, produzindo solução básica.

HClO(aq) + NaOH(aq) NaClO(aq) + HOH(l)

NaClO(aq) + HOH(l) HClO(aq)

+ Na+1 + OH1-(aq)

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A variação de pH não é tão brusca porque a solução formada inicialmente – ácido fraco, HClO(aq) é sal solúvel, NaClO(aq) – apresenta efeito tampão.

A adição de pequenas quantidades de NaOH(aq) modifica pouco o pH porque os ânions hidróxido, OH1-

(aq), vão sendo consumidos pelos cátions hidrônio, H3O1+

(aq), liberados na ionização do ácido fraco.Somente quando todo ácido fraco é ionizado e o efeito tampão

cessa, ocorre uma variação significativa do pH da solução (ponto equivalência).

Nesse caso a curva de titulação apresenta o seguinte aspecto:

Titulação entre uma base fraca e um ácido forte.A tabela a seguir mostra à variação de pH observada na

solução formada por 25mL de hidróxido de amônio(aq), NH4OH(aq) de concentração 0,10mol/L em função do volume adicionado de solução de ácido clorídrico, HCl(aq)t 0,10mol/L. Os dados são experimentais.

O ponto de equivalência da titulação, como era de se esperar, ocorre quando são adicionados 25mL de HCl(aq).

O ponto de equivalência ocorre em pH < 7, porque o sal obtido pela reação entre a base fraca e o ácido forte sofre hidrólise, produzindo solução ácida.

HCl(aq) + NH4OH(aq) NH4Cl(aq) + HOH(l)

NH4Cl(aq) + 2 HOH (l) NH4OH(aq) + H3O1+

(aq) + Cl1-(aq)

A variação de pH não é tão brusca porque a solução formada inicialmente –base fraca, NH4OH(aq) e sal solúvel NH4Cl(aq) – apresenta efeito tampão.

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A adição de pequenas quantidades de HCl(aq) modifica pouco o pH porque os íons, H3O1+

(aq) vão sendo consumidos pelos íons hidróxido liberados na dissociação da base fraca.

Somente quando toda base fraca é dissociada e o efeito tampão cessa, ocorre uma variação significativa no pH da solução (ponto de equivalência).

Nesse caso a curva de titulação apresenta o seguinte aspecto:

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Note que no caso de poliácidos ou polibases as curvas de titulação apresentarão dois ou mais pontos de equivalência (conforme o caso), que irão ocorrer em pH diferentes e, por isso, necessitarão do uso de dois ou mais indicadores para serem identificados.

Por exemplo, a titulação de uma solução de ácido carbônico, H2CO3(aq) com solução de hidróxido de sódio, NaOH(aq) apresenta o primeiro ponto de equivalência em pH 8, quando ocorre formação de bicarbonato de sódio NaHCO3(aq):

H2CO3(aq) + NaOH(aq) NaHCO3(aq) + HOH(l)

O segundo ponto de equivalência ocorre em pH 12, quando há formação de carbonato de sódio, Na2CO3(aq) .

NaHCO3(aq) + NaOH(aq) NaCO3(aq) + HOH(l)

A Curva de titulação apresenta então o seguinte aspecto:

Cálculo de pH e de pOH de uma solução – tampãoCálculo de pH e de pOH de uma solução – tampão

O cálculo do pH de uma solução-tampão formada por um ácido fraco HA(aq) e um sal CA(aq) com um ânion A1-

(aq) comum foi deduzida pelos cientistas Henderson e Hasselbach da seguinte maneira:

Equilíbrio de ionização do ácido.

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Sendo HA(aq) um ácido fraco (grau de ionização pequeno), temos:

HA ácido Sendo CA(aq) um sal solúvel (grau de dissociação grande),

temos:A sal

Desse modo, podemos escrever: Ka = [H3O1+] . [sal]

[ácido]

Aplicando log em ambos os lados da expressão, temos:

Log Ka = log [H3O1+] + log [sal] [ácido]

Multiplicando a expressão por -1:

- Log Ka = - log [H3O1+] - log [sal] [ácido]

então pKa = pH - log [sal] [ácido]

O cálculo do pOH de uma solução-tampão formada por uma base fraca COH(aq) e um sal CA(aq) com um cátion comum pode ser deduzido de maneira idêntica a anterior chegando a expressão:

Sendo pH + pOH = pKw ,

então: pOH = pKw – pH

Desse modo: pKw – pH = pKb + log [sal] ,

[ácido]

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portanto:

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Acidose e alcaloseAcidose e alcalose

Todos os fluídos do corpo humano possuem íons hidrônio, H3O1+

(aq). O controle da concentração desses íons é um fator fisiológico muito importante, pois mesmo as menores mudanças de pH podem causar profundas alterações nos processos metabólicos, provocando inclusive a morte do individuo.

Em condições normais, o pH dos líquidos extracelulares fica entre 7,35 e 7,45, mantendo-se aproximadamente em 7,4.

O pH normal do sangue arterial é 7,4 o do sangue venoso e dos líquidos intersticiais é de 7,35.

A diferença é devida a maior concentração de dióxido de carbono – que forma o ácido carbônico – existente nos líquidos intersticiais.

Sempre que o pH do sangue arterial estiver abaixo de 7,4, configura-se um quadro de acidose, e acima desse valor um quadro de alcalose.

O limite inferior de pH do sangue arterial que uma pessoa pode apresentar sobrevivendo por tempo reduzido é 7,0; o limite superior é de 7,8.

O organismo humano possui diversos sistemas de controle para evitar modificações do pH.

O primeiro é que todos os líquidos orgânicos possuem sistemas de tampões, que se combinam imediatamente com qualquer ácido ou qualquer base, evitando alterações acentuadas na concentração de íons H3O1+

(aq).O processo de tamponagem mais comum envolve o equilíbrio

entre o íon bicarbonato, HCO31-

(aq) e o ácido carbônico, H2CO3(aq) :

H3O1+

(aq) + HCO31-

(aq) 2H2O(l) + CO2(g)

OH1- (aq) + H2CO3(aq) H2O(l) + HCO3

1- (aq)

Desse modo, é possível manter o pH do sangue praticamente constante.

Caso o equilíbrio ácido – básico do organismo seja alterado acentuadamente, ao lado dos tampões é ativada a estimulação do centro respiratório modificando-se a taxa de ventilação pulmonar.

Quando isso acontece, altera-se a velocidade de remoção do gás carbônico do organismo até que seja restabelecido o equilíbrio orgânico.

O terceiro sistema para normalização da taxa de íons H3O1-(aq) é

efetuado pelos rins, que podem excretar urina ácida ou básica, conforme o caso.

Esses sistemas agem com velocidades diferentes: os tampões entram em ação simultaneamente à ocorrência do desequilíbrio, os

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pulmões reagem em alguns minutos e os rins respondem ao desequilíbrio em algumas horas. Embora a resposta dos rins seja mais lenta, é a mais eficaz quantitativamente.

Há diversos fatores que podem causar a acidose e a alcalose o mais comum é de natureza respiratória.

Assim, por exemplo, uma lesão no sistema respiratório, uma obstrução das vias aéreas, uma pneumonia ou qualquer outro fator que reduza a transferência do CO2(g) sanguíneo para o exterior podem levar à acidose respiratória.

Já a alcalose respiratória, bem mais rara, pode ocorrer quando o organismo é levado para uma grande altitude (ex.: Alpinistas). Nesse caso, a baixa pressão parcial do gás oxigênio da atmosfera provoca o aumento da ventilação pulmonar e a perda excessiva de CO2(g)

originando um quadro de alcalose respiratória branda.Outro fator para o surgimento de desequilíbrio ácido–básico são as

anormalidades metabólicas.A acidose metabólica pode ocorrer pelo aumento na formação de

ácidos metabólicos, pela adição desses ácidos por via gastrintestinal ou por sua administração intravenosa. Pode ocorrer, também, por perda excessiva de álcalis. As condições que provocam esse tipo de acidose são a diarréia intensa, o vômito freqüente, as doenças renais graves e o diabetes.

Na diarréia – como a que ocorre em casos de desidratação –, há uma grande perda de bicarbonato, presente nas secreções gastrintestinais.

O efeito é tão grave que chega a ser uma das causas mais comuns de morte em crianças pequenas.

Na acidose urêmica das doenças renais há uma incapacidade de excretar mesmo as quantidades normais de ácido formadas pelos processos metabólicos, daí a necessidade de os pacientes se submeterem a hemodiálise .

No diabetes, a acidose ocorre porque a insuficiência de insulina impede a utilização de glicose pelo metabolismo. As gorduras armazenadas são então metabolizadas, substituindo a glicose como fonte de energia, o que provoca um aumento na concentração do ácido acetoacético, CH3COCH2COOH, nos líquidos extracelulares, ainda que certa quantidade seja excretada pela urina.

O principal efeito de acidose é a depressão do sistema nervoso central. Quando o pH do sangue cai abaixo de 7,0, a pessoa fica completamente desorientada, podendo entrar em estado de coma.

Já o principal efeito da alcalose no organismo é a hiperexcitabilidade do sistema nervoso. A excitação é tão intensa que os nervos respondem de maneira automática e repetida mesmo quando excitados por estímulos muito abaixo do normal. Os músculos entram, então, em tetania (quadro clínico de convulsão e rigidez dos membros e do tronco simulando o tétano).

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Em geral, esta aparece primeiro nos músculos do antebraço, propagando-se, depois, aos outros músculos do corpo. Pacientes em alcalose intensa podem morrer por tetania dos músculos respiratórios.

Bibliografia:Bibliografia:

Química Geral, segunda edição, volume 2, John B. Russell – Editora Makron Books

Completamente Química: Físico-Química / Martha Reis – Editora FTD

Fontes de Pesquisa na Internet: Fontes de Pesquisa na Internet: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc20/v20a11.pdf