Ion amonio (NH4+): Fórmula, Propiedades y Usos
El ion amonio es un catión poliatómico con carga positiva cuya fórmula química es NH4+. La molécula no es plana, sino que tiene la forma de un tetraedro. Los cuatro átomos de hidrógeno conforma las cuatro esquinas.
El nitrógeno del amoniaco posee un par de electrones no compartidos capaz de aceptar un protón (base Lewis) de allí que el ion amonio se forme por la protonación del amoniaco según la reacción: NH3 + H+ → NH4+
También se les da el nombre amonio a aminas sustituidas o cationes de amonio sustituidos. Por ejemplo, el cloruro de metilamonio es una sal iónica de fórmula CH3NH4Cl donde el ion cloruro está unido a una metilamina.
El ion amonio tiene propiedades muy similares a los metales alcalinos más pesados y es a menudo considerado un pariente cercano. Se espera que el amonio se comporte como un metal a muy altas presiones, como dentro de planetas gigantes de gas como Urano y Neptuno.
El ion amonio juega un papel importante en la síntesis de proteínas en el cuerpo humano. En resumen, todos los seres vivos necesitan proteínas, que están formadas por unos 20 aminoácidos diferentes. Mientras que las plantas y los microorganismos pueden sintetizar la mayoría de los aminoácidos a partir del nitrógeno en la atmósfera, los animales no pueden.
Para los seres humanos, algunos aminoácidos no pueden ser sintetizados en absoluto y deben ser consumidos como aminoácidos esenciales.
Otros aminoácidos, sin embargo, pueden ser sintetizados por microorganismos en el tracto gastrointestinal con la ayuda de iones amoníaco. Así, esta molécula es una figura clave en el ciclo del nitrógeno y en la síntesis de proteínas.
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El ion amonio tiene un peso molecular de 18,039 g/mol y una solubilidad de 10,2 mg/ml de agua (National Center for Biotechnology Information, 2017). Al disolver amoniaco en agua se forma el ion amonio según la reacción:
NH3 + H2O → NH4+ + OH–
Esto aumenta la concentración de hidroxilo en el medio aumentando el pH de la solución (Royal Society of Chemistry, 2015).
El ion amonio tiene un pKb de 9,25. Esto quiere decir que a pH superiores a este valor tendrá un comportamiento ácido y a pH inferiores tendrá un comportamiento básico.
Por ejemplo, al disolver amoniaco en ácido acético (pKa=4,76), el par de electrones libre del nitrógeno toma un protón del medio aumentando la concentración de iones hidróxidos según la ecuación:
NH3 + CH3COOH ⇌ NH4+ + CH3COO–
Sin embargo, en presencia de una base fuerte, como por ejemplo el hidróxido de sodio (pKa= 14,93), el ion amonio cede un protón al medio según la reacción:
NH4+ + NaOH ⇌ NH3 + Na+ + H2O
En conclusión, a pH menores a 9,25, el nitrógeno va a estar protonado, mientras que a pH mayores a ese valor estará desprotonado. Esto es de suma importancia en el entendimiento de curvas de titulación y comprender el comportamiento de sustancias como los aminoácidos.
Una de las propiedades más características del amoniaco es su poder de combinar directamente con ácidos para formar sales según la reacción:
NH3 + HX → NH4X
Así, con ácido clorhídrico forma cloruro de amonio (NH4Cl); Con ácido nítrico, nitrato de amonio (NH4NO3), con ácido carbónico formará carbonato amónico ((NH4)2CO3) etc.
Se ha demostrado que el amoniaco perfectamente seco no se combinará con ácido clorhídrico perfectamente seco, siendo la humedad necesaria para provocar la reacción (VIAS Encyclopedia, 2004).
La mayoría de las sales de amonio simples son muy solubles en agua. Una excepción es el hexacloroplatinato de amonio, cuya formación se utiliza como prueba para el amonio. Las sales de nitrato de amonio y especialmente perclorato son altamente explosivas, en estos casos el amonio es el agente reductor.
En un proceso inusual, los iones de amonio forman una amalgama. Tales especies se preparan mediante la electrólisis de una solución de amonio utilizando un cátodo de mercurio. Esta amalgama eventualmente se descompone para liberar amoníaco e hidrógeno (Johnston, 2014).
Una de las sales de amonio más común es el hidróxido de amonio, que es simplemente amoniaco disuelto en agua. Este compuesto es muy común y se encuentran naturalmente en el medio ambiente (en el aire, el agua y el suelo) y en todas las plantas y animales, incluidos los humanos.
El amonio es una fuente importante de nitrógeno para muchas especies de plantas, especialmente aquellas que crecen en suelos hipóxicos. Sin embargo, también es tóxico para la mayoría de las especies de cultivos y rara vez se aplica como única fuente de nitrógeno (Database, Human Metabolome, 2017).
El nitrógeno (N), ligado a las proteínas en la biomasa muerta, es consumido por microorganismos y convertido en iones de amonio (NH4+) que pueden ser absorbidos directamente por las raíces de las plantas (por ejemplo, arroz).
Los iones amonio se convierten habitualmente en iones nitrito (NO2-) por la bacteria nitrosomonas, seguido de una segunda conversión a nitrato (NO3-) por bacterias Nitrobacter.
Las tres mayores fuentes de nitrógeno utilizadas en la agricultura son urea, amonio y nitrato. La oxidación biológica de amonio a nitrato es conocida como nitrificación. Este proceso considera varios pasos y es mediado por bacterias autotróficas, aeróbicas obligadas.
En suelos inundados, la oxidación de NH4+ es restringida. La urea es descompuesta por la enzima ureasa o químicamente hidrolizada a amoniaco y CO2.
En el paso de amonificación, el amoniaco es convertido mediante bacterias amonificantes en el ion amonio (NH4+). En el siguiente paso el amonio es convertido mediante bacterias nitrificantes en nitrato (nitrificación).
Esta forma, muy móvil de nitrógeno, es la más comúnmente absorbida por las raíces de las plantas, así como por los microorganismos en el suelo.
Para cerrar el ciclo de nitrógeno, el nitrógeno gaseoso en la atmósfera se convierte en nitrógeno de biomasa por las bacterias Rhizobium que viven en los tejidos radiculares de las leguminosas (por ejemplo, alfalfa, guisantes y frijoles) y de leguminosas (como el aliso) y por las cianobacterias y Azotobacter (Sposito, 2011).
A través del amonio (NH4+) las plantas acuáticas pueden absorber e incorporar nitrógeno en proteínas, aminoácidos y otras moléculas. Las altas concentraciones de amonio pueden aumentar el crecimiento de algas y plantas acuáticas.
El hidróxido de amonio y otras sales de amonio se utilizan ampliamente en el procesamiento de alimentos. Las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA, por sus siglas en inglés) afirman que el hidróxido de amonio es seguro (“generalmente reconocido como seguro” o GRAS) como agente de levadura, agente de control del pH y agente de acabado superficial en los alimentos.
La lista de alimentos en los que el hidróxido de amonio se utiliza como aditivo alimentario directo es extensa e incluye productos horneados, quesos, chocolates, otros productos de confitería (por ejemplo caramelos) y pudines. El hidróxido de amonio también se utiliza como agente antimicrobiano en productos cárnicos.
El amoniaco en otras formas (por ejemplo, sulfato de amonio, alginato de amonio) se usa en condimentos, aislamientos de proteína de soja, meriendas, mermeladas y jaleas y bebidas no alcohólicas (PNA potassium nitrate association, 2016).
La medición de amonio se usa en la prueba RAMBO, particularmente útil en el diagnóstico de la causa de una acidosis (Test ID: RAMBO Ammonium, Random, Urine, S.F.). El riñón regula la excreción ácida y el equilibrio ácido base sistémico.
Cambiar la cantidad de amonio en la orina es una manera importante de que los riñones lleven a cabo esta tarea. Medir el nivel de amonio en la orina puede proporcionar la comprensión de la causa de una alteración del equilibrio ácido base en pacientes.
El nivel de amonio en la orina también puede proporcionar mucha información sobre la producción diaria de ácido en un paciente dado. Dado que la mayor parte de la carga de ácido de un individuo proviene de proteínas ingeridas, la cantidad de amonio en la orina es un buen indicador de la ingesta de proteínas en la dieta.
Las mediciones de amonio en orina pueden ser particularmente útiles para el diagnóstico y tratamiento de pacientes con cálculos renales:
- Altos niveles de amonio en la orina y un pH urinario bajo sugiere pérdidas gastrointestinales en curso. Estos pacientes están en riesgo de ácido úrico y piedras de oxalato de calcio.
- Un poco de amonio en la orina y alto pH de la orina sugiere la acidosis tubular renal. Estos pacientes están en riesgo de cálculos de fosfato de calcio.
- Los pacientes con piedras de oxalato de calcio y fosfato de calcio son a menudo tratados con citrato para elevar el citrato de orina (un inhibidor natural del oxalato de calcio y el crecimiento del cristal de fosfato de calcio).
Sin embargo, dado que el citrato se metaboliza en bicarbonato (una base), este fármaco también puede aumentar el pH de la orina. Si el pH de la orina es demasiado alto con el tratamiento con citrato, se puede aumentar involuntariamente el riesgo de piedras de fosfato de calcio.
El monitoreo de la orina de amonio es una forma de titular la dosis de citrato y evitar este problema. Una buena dosis de citrato inicial es aproximadamente la mitad de la excreción de amonio en la orina (en mEq de cada uno).
Se puede monitorizar el efecto de esta dosis sobre los valores de amonio, citrato y pH de la orina, y ajustar la dosis de citrato en base a la respuesta. Una caída en el amonio de orina debe indicar si el citrato actual es suficiente para contrarrestar parcialmente (pero no completamente) la carga diaria de ácido de ese paciente dado.
- Database, Human Metabolome. (2017, Marzo 2). Showing metabocard for Ammonium. Recuperado de: hmdb.ca.
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- PNA potassium nitrate association. (2016). Nitrate (NO3-) versus ammonium (NH4+). recuperado de kno3.org.
- Royal Society of Chemistry. (2015). Ammonium ion. Recuperado de chemspider: chemspider.com.
- Sposito, G. (2011, Septiembre 2). Soil. Recuperado de enciclopedia britannica: britannica.com.
- Test ID: RAMBO Ammonium, Random, Urine. (S.F.). Recuperado de enciclopediamayomedicallaboratorie.com.
- VIAS Encyclopedia . (2004, Diciembre 22). Ammonium Salts. Recuperado de enciclopedia vias.org.