Wat is carbonaatbuffering?

Veel van de meest herkenbare delen van de natuur functioneren door een soort evenwicht te bewaren. Het carbonaatbuffersysteem is een van de belangrijkste buffersystemen in de natuur, dat helpt om dat evenwicht te bewaren.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Zoals elk buffersysteem is een bicarbonaatbuffer bestand tegen pH-veranderingen, dus het helpt de pH van oplossingen zoals bloed en oceaanwater te stabiliseren. Oceaanverzuring en de effecten van inspanning op het lichaam zijn beide voorbeelden van hoe bicarbonaatbuffering in de praktijk werkt.

Wanneer kooldioxide (CO₂) gas oplost in water, kan het met dat water reageren om koolzuur te vormen. Koolzuur kan dan een waterstofion afstaan ​​om bicarbonaat te worden, dat een ander waterstofion kan afstaan ​​om carbonaat te worden. Al deze reacties zijn omkeerbaar. Dit betekent dat ze zowel vooruit als achteruit werken. Carbonaat kan bijvoorbeeld een waterstofion opnemen om bicarbonaat te worden.

De reeks reacties die van opgelost koolstofdioxide naar carbonaat leidt, bereikt snel een dynamisch evenwicht, een toestand waarin de voorwaartse en achterwaartse processen van deze reactie plaatsvinden bij gelijke tarieven. Het toevoegen van zuur zal de snelheid van de omgekeerde reactie en van de vorming van kooldioxide verhogen, waardoor meer kooldioxide uit de oplossing diffundeert. Het toevoegen van base daarentegen zal de snelheid van de voorwaartse reactie verhogen, waardoor meer bicarbonaat en carbonaat worden gevormd. Elke druk op dit systeem veroorzaakt een compenserende verschuiving in een richting die het evenwicht herstelt. Het buffersysteem blijft werken zolang de concentratie groot is in vergelijking met de hoeveelheid zuur of base die aan de oplossing wordt toegevoegd.

Bij mensen en andere dieren helpt het carbonaatbuffersysteem om een ​​constante pH in de bloedbaan te behouden. De pH van bloed hangt af van de verhouding van kooldioxide tot bicarbonaat. De concentraties van beide componenten zijn zeer hoog in vergelijking met de concentraties zuur die aan het bloed worden toegevoegd tijdens normale activiteiten of matige inspanning. Tijdens zware inspanning bijvoorbeeld helpt een snelle ademhaling om de toename van kooldioxide in uw bloed te compenseren. Andere mechanismen die bij deze functie helpen, zijn onder meer het hemoglobinemolecuul in uw rode bloedcellen, dat ook helpt om de pH van het bloed te bufferen.

In de oceaan is opgelost koolstofdioxide uit de atmosfeer in evenwicht met de zeewaterconcentraties van koolzuur en bicarbonaat. Door de toegenomen uitstoot van kooldioxide door menselijke activiteit is het kooldioxidegehalte in de atmosfeer echter gestegen, waardoor het opgeloste kooldioxide is toegenomen. Naarmate de concentratie opgeloste kooldioxide toeneemt, neemt de snelheid van de voorwaartse reactie van het buffersysteem toe totdat het systeem een ​​nieuw evenwicht bereikt. Dit betekent dat een toename van opgeloste kooldioxide een lichte daling van de pH veroorzaakt. De buffercapaciteit van de oceaan - het vermogen om zuur of base op te nemen - is erg groot, maar geleidelijke veranderingen van deze soort kunnen ernstige gevolgen hebben voor vele soorten leven in de oceaan. Dieren die hun schelpen maken van calciumcarbonaat, kunnen bijvoorbeeld merken dat hun vermogen om schelpen te maken wordt verminderd door significante veranderingen in het zuur-base-evenwicht van oceaanwater.