viernes, junio 12, 2009

Conoce tus elementos - El calcio | El Tamiz

Conoce tus elementos - El calcio | El Tamiz

Como sabeis los tamiceros añejos, en la serie Conoce tus elementos recorremos la tabla periódica, deteniéndonos en un elemento en cada artículo y hablando sobre sus características químicas, descubrimiento, propiedades, peligros (si los hay), compuestos más importantes y curiosidades en general. Tratamos, fundamentalmente, de mostrar cómo todos los elementos son “especiales” de algún modo, y cómo tienen que ver con nuestra vida cotidiana de una manera u otra con muy contadas excepciones. Desde luego, hoy no hay duda de que es así, porque sin el elemento de hoy te derrumbarías como un flan mientras tus músculos sueltan espasmos involuntarios: una escena graciosa, pero desafortunada.

En la última entrada de la serie estudiamos el elemento de diecinueve protones, el potasio, y hoy nos dedicaremos al de veinte protones. Se trata de un elemento de los “engañosos”: es muy común, pero probablemente nunca lo has visto puro. No es peligroso en su forma pura, pero algunos de sus compuestos sí lo son, y mucho… mientras que, al mismo tiempo, desempeña un papel fundamental en nuestra biología y, sin él, no podríamos vivir. Hablaremos, por tanto, de un elemento realmente polifacético: el calcio.

El calcio, como le sucedía al potasio, está muy cerca de ser estable: si pierde simplemente dos electrones de los veinte que tiene cuando es neutro, tiene la estructura electrónica del elemento de dieciocho protones, el argón, que es estable. Como hemos dicho múltiples veces en la serie, estar muy cerca de ser estable quiere decir ser tremendamente inestable, con lo que el calcio lo es: es rarísimo verlo puro. Si se deja al aire, en muy poco tiempo reacciona con él y forma óxidos y otros compuestos, con lo que hace falta tener mucho cuidado para mantenerlo en su forma metálica.

Tan raro es que, a pesar de ser el quinto elemento más abundante en la corteza terrestre, nadie fue capaz de observarlo en su forma elemental hasta que llegó un viejo conocido de Conoce tus elementos: el infatigable y genial Sir Humphry Davy, que logró aislarlo por primera vez en 1808, sólo un año después de que consiguiese hacer lo propio con el potasio del que hablamos en el artículo anterior, y básicamente de la misma manera (mediante la electrólisis). Cuando pudo observarlo, Davy lo vio como es “de verdad”, y no como solemos visualizarlo cuando pensamos en él:

Calcio puro
Calcio puro.

Como puedes ver simplemente por su apariencia, el calcio, como le corresponde en su posición de la tabla periódica, es un metal. No sólo eso: es un metal “muy metálico”, por esa inclinación tan extrema a librarse de los dos electrones que lo separan de la estabilidad. Conduce la electricidad mejor que el cobre, aunque no lo podamos usar para eso porque duraría muy poco como metal al exponerlo al aire, claro. Y su apariencia es la que debe ser, aunque estoy seguro de que, si preguntas a cualquiera que te diga cómo es el calcio, prácticamente todo el mundo te dirá que es blanco… porque no están pensando en el calcio. Pero de eso hablamos en un momento.

En lo que suele pensar la gente cuando se le habla de “calcio” es en cosas que lo contienen formando parte de compuestos, y en ese caso suele tratarse de sustancias blancas — la leche, los huesos o la cal. Porque, aunque hizo falta llegar al siglo XIX para que Davy consiguiera aislar calcio, habíamos estado utilizando varios de sus compuestos más comunes durante milenios, aunque no supiéramos lo que realmente eran. ¿Cómo podríamos no haberlo usado, aunque fuera ciegamente, siendo tan abundante por todas partes?

El nombre de calcio proviene del latín calcis, es decir, cal, que se refiere a más de un compuesto del calcio. Estoy seguro de que has oído hablar de la cal viva y la cal muerta o cal apagada: se trata de óxido de calcio (CaO) e hidróxido de calcio (Ca(OH)2) respectivamente. El óxido de calcio (la “cal viva”) se obtiene con relativa facilidad de las rocas calizas: el carbonato de calcio (CaCO3) es tremendamente común en la corteza terrestre, y si se calienta lo suficiente (hasta unos 800 ºC), se descompone de la siguiente manera:

CaCO3 → CaO + CO2

El óxido de calcio resultante es de un intenso color blanco, y se ha utilizado durante muchos siglos en la construcción, como conglomerante o para pintar casas: eso es precisamente “encalar” una casa, y ese precioso color blanquísimo se debe al óxido de calcio… pero lo que ves al mirar esas casas (salvo que lo hagas justo cuando las están encalando) no es CaO (cal viva), sino CaCO3. Porque la cuestión es que el óxido de calcio reacciona con varias cosas, con lo que no es común verlo tal cual.

Con el tiempo, si se deja al aire, se combina lentamente con el CO2 para formar de nuevo el carbonato de calcio del que provenía, y eso es lo que ves normalmente al mirar casas encaladas. Eso sí, seguro que has oído que la cal viva es peligrosa, ¡y vaya si lo es! La reacción con el CO2 no es un problema, pero sí lo es la que se produce con el agua. El óxido de calcio reacciona muy violentamente con ella de forma exotérmica, liberando ingentes cantidades de calor y convirtiéndose entonces en hidróxido de calcio (Ca(OH)2, “cal muerta”):

CaO + H2O → Ca(OH)2

El peligro, claro está, es que los seres vivos tenemos agua en cantidad, y la reacción con el óxido de calcio hace que la cal viva deshidrate nuestros tejidos, “robándonos” el agua y, de paso, liberando muchísimo calor, con lo que nos deshidrata y a la vez nos quema. La cal viva puede utilizarse de este modo como desinfectante. Sin embargo, aunque la “cal muerta” (el hidróxido) es una base bastante fuerte, no produce esa violenta reacción (ha perdido su “vitalidad”, en términos más antiguos). Si se calienta lo suficiente el Ca(OH)2 –hasta unos 500 ºC– vuelve a descomponerse de nuevo en los dos compuestos anteriores, con lo que se puede volver a obtener la “cal viva” a partir de la “muerta”. Aquí puedes ver a unos espabilados fabricando una “piscina climatizada” con óxido de calcio y agua (como decía mi abuela, “si es que tiene que haber de todo en este mundo”):

Algunas descripciones del famoso fuego griego indican que el agua, lejos de apagarlo, hacía las llamas más intensas; por tanto, es posible que uno de sus ingredientes fuera precisamente el CaO, ya que su reacción con agua, mezclado con otros compuestos que puedan arder, tendría precisamente ese efecto hasta que toda la cal viva se hubiera convertido ya en hidróxido de calcio. El hidróxido de calcio, por cierto, también tiene un bonito color blanco:

Hidróxido de calcio, cal muerta
Hidróxido de calcio (cal muerta).

Otra propiedad curiosa del óxido de calcio es que, si se calienta lo suficiente, brilla con una luz muy blanca e intensísima: tan intensa que, durante parte del siglo XIX, se utilizó en los focos de los teatros. Se trata de las ya casi olvidadas “luces de calcio”, como ésta de Londres de mediados del siglo XIX:

Luz de calcio

Pero, aparte del carbonato cálcico de las rocas calizas o el mármol, existe otro mineral muy común en distintas formas mediante el que también hemos tenido contacto con el calcio sin saberlo durante años: se trata del yeso o aljez, que no es más que sulfato de calcio hidratado (CaSO4·2H2O). La mayor parte de las tizas con las que escribimos en pizarra están hechas, precisamente, de CaSO4·2H2O (antiguamente eran de carbonato cálcico, pero creo que no quedan ya muchas de ésas).

Piedra de yeso o aljez
Afloramiento de aljez en Cuenca, España.

También utilizamos otros compuestos de calcio para diversos usos. Dos de los más conocidos son el cloruro de calcio (CaCl2), con el que a veces se cubren calles o carreteras para disminuir el punto de congelación del agua y así evitar que se forme hielo sobre ellas, y el hipoclorito de calcio (Ca(ClO)2), que se emplea a menudo como desinfectante y fungicida, por ejemplo en piscinas.

Finalmente, gran parte del calcio con el que estamos familiarizados tiene origen biológico, una vez más en compuestos que tienen muy a menudo color blanco, de ahí que pensemos en “blanco” cuando hablamos de calcio, a pesar de que su aspecto real en forma pura sea el de la foto de arriba. El propio carbonato cálcico (CaCO3) forma parte de muchas conchas, caparazones y estructuras rígidas de invertebrados, y muchas rocas sedimentarias tienen precisamente ese origen biológico. Al haber tal cantidad de calcio en la corteza, y ser tan fácil formar compuestos con él, se trata de una fuente de estructuras más o menos rígidas muy accesible, y los seres vivos, a lo largo de su evolución, se han aprovechado de este hecho.

Conchas de nautilus
Conchas de nautilus (Wikipedia/FDL).

En el caso de los vertebrados, las sales de calcio son una parte fundamental de los huesos y los dientes. Además del carbonato de calcio, son todavía más abundantes las sales de este metal con fósforo, principalmente hidroxiapatita, un fosfato de calcio que forma cristales con la suficiente consistencia como para ser empleado en nuestra estructura ósea. Para que te hagas una idea de la importancia del calcio en nuestro cuerpo, no existe otro metal más abundante dentro de ti, y sólo cuatro elementos químicos en más cantidad. Un ser humano adulto contiene aproximadamente un kilogramo de calcio, ¡que se dice pronto! Un 99% de todo ese calcio está en nuestro esqueleto, y es el calcio el principal responsable de que nuestro esqueleto sea más o menos opaco a los rayos X, dada su masa atómica relativamente alta.

Cráneo de hipopótamo
Hidroxiapatita en abundancia — cráneo de hipopótamo (Wikipedia/FDL).

De ahí, entre otras razones, que sea esencial un consumo de calcio suficiente durante el crecimiento: en esa etapa somos auténticas “fábricas de hueso”, y esos cristales de hidroxiapatita no se construyen solos. La carencia de calcio puede acarrear problemas durante toda la vida (y la osteoporosis es un buen ejemplo de ello), pero es, por lo tanto, especialmente peligrosa durante la niñez y adolescencia. La vitamina D3 o colecalciferol regula la absorción de calcio en el intestino, con lo que incluso si se tiene un aporte suficiente de calcio en la dieta durante la niñez, es posible tener déficit de calcio. De ahí que esta vitamina se denomine también vitamina del raquitismo, ya que su carencia provoca esa enfermedad durante el crecimiento, al no haber suficiente calcio para formar hidroxiapatita y, con ella, unos huesos sanos.

El colecalciferol se puede obtener de alimentos que lo contienen, como la leche y los huevos, y también es producido por nuestro propio organismo en la piel, con la intervención de radiación ultravioleta B procedente del Sol. Ésta es una de esas situaciones de equilibrio difícil: por un lado, esa radiación es tan energética que puede producir cáncer, y por otro nos permite “fabricar” una vitamina esencial para nosotros. Como en tantas otras cosas, en la moderación está la perfección.

Vitamina D3, colecalciferol
Vitamina D3 (colecalciferol).

Este versátil y abundante metal tiene otras funciones esenciales en nuestro organismo además de la estructural. Ya hablamos de la importancia del potasio en la transmisión del impulso nervioso y en la ósmosis celular. Los iones de calcio, Ca2+, también desempeñan un papel crucial en ambas; la hipocalcemia (una concentración demasiado baja de iones de calcio en la sangre) tiene como algunos de sus síntomas calambres y contracciones involuntarias de los músculos.

Eso sí, tampoco es bueno un exceso de calcio: la hipercalcemia puede dañar nuestras células (que sólo pueden soportar una concentración determinada de este metal), y provocar fatiga, arritmia cardíaca e incluso –si es un exceso muy grande– coma y parada cardíaca. Además, nuestro organismo es sabio, pero no perfecto: cuando no dispone de suficiente calcio, recupera parte de él en los riñones, pero si hay demasiado lo filtra allí para librarse de él… con lo que puede formar cálculos renales de oxalato cálcico (Ca(COO)2) y, con ellos, un dolor difícil de describir para quien no los ha tenido.

Cálculo renal de oxalato de calcio
Cálculo renal de oxalato de calcio. Sí, a mí también me da grima.

De modo que, por una parte, tenemos calcio en forma de sales que dan consistencia a nuestros huesos, y por otro en la sangre y las células en forma de iones que regulan distintos procesos biológicos, con lo que la cosa se complica: nuestro cuerpo es capaz de convertir uno en el otro, según las necesidades. Por ejemplo, si no tienes suficiente calcio en la sangre, se irá “robando” calcio de las sales de los huesos para paliar ese déficit… con lo que un problema en una de las dos formas de calcio de nuestro cuerpo puede propagarse a la otra.

Esta regulación del calcio se produce principalmente por el equilibrio entre dos hormonas. La calcitonina, producida en el tiroides, hace que se absorba menor cantidad de calcio en el intestino, que se reabsorba menos en los riñones (con lo que se excreta más en la orina), y evita que el calcio de los huesos pase al plasma sanguíneo. Y es la propia presencia de iones Ca2+ en sangre la que favorece la producción de calcitonina, con lo que el problema “se resuelve a sí mismo” (salvo por la formación de los cálculos renales que he mencionado antes, claro).

Calcitonina
Calcitonina.

La “enemiga” de la calcitonina es la hormona paratiroidea, que hace exactamente lo contrario: favorece la producción de vitamina D, la absorción de calcio en el intestino, la reabsorción en los riñones y la “extracción” de calcio de los huesos para llevarlo a la sangre. Una vez más, en un vertebrado sano esta hormona se produce en mayor cantidad cuando los niveles de calcio en sangre son demasiado bajos. Si todo es correcto, los problemas se resuelven solos.

Pero claro, es posible que algo vaya mal independientemente de la cantidad de calcio que tomamos en la dieta: si nuestros niveles hormonales no son correctos, nuestro cuerpo puede estar actuando como si tuviera demasiado calcio cuando en realidad no es así, o al revés. Aunque no se trate de ninguna de las dos hormonas que he mencionado antes, la disminución de estrógenos en la mujer durante la menopausia es una de las principales causas de osteoporosis, incluso con una dieta con una cantidad aceptable de calcio.

De modo que el calcio no es, tal vez, uno de los elementos más exóticos dada su abundancia y propiedades poco espectaculares, pero está por todas partes, no sólo en cosas que fabricamos, sino en nuestro propio cuerpo. También los elementos humildes merecen su momento de gloria, ¿no?

Como siempre que hablo de cosas de las que no sé mucho, los biólogos que veáis afirmaciones que os pongan los pelos de punta, ya sabéis: me lo decís y corrijo lo que buenamente pueda. Eso sí, recordad que puede tratarse de una simplificación para hacer las cosas asequibles, tampoco hay que ponerse demasiado puntillosos.

En la próxima entrada, la serie entra por fin con el primer elemento “raro”: el escandio.


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