Основное содержание
Кислоты, основания, pH и буферные растворы
Кислотность и основность, концентрация протонов, шкала pH и буферные растворы.
Введение
Даже если вы никогда не бывали в химической лаборатории, вы скорее всего что-нибудь слышали о кислотах и основаниях. Например, пили ли вы когда-нибудь апельсиновый сок или газировку? Если да, то вы уже знакомы с некоторыми распространёнными кислотными растворами. А если вы когда-нибудь использовали в выпечке пищевую соду или даже просто яичные белки, то вы сталкивались и с некоторыми основаниямиstart superscript, 1, end superscript.
Вы, наверное, замечали, что кислоты чаще всего кислые на вкус, а некоторые основания (или щёлочи, как их иногда называют), например, мыло или отбеливатель, скользкие на ощупь. Но что мы понимаем под кислотными или основными свойствами? Вот вам короткий ответ:
- Кислотный раствор имеет высокую концентрацию ионов водорода (Hstart superscript, plus, end superscript) больше, чем в чистой воде.
- Основной (щелочной) раствор имеет низкую концентрацию ионов водорода (Hstart superscript, plus, end superscript) меньше, чем в чистой воде.
Чтобы понять, откуда взялось такое определение, давайте изучим кислотно-основные свойства самой воды.
Самоионизация воды
В чистой воде самопроизвольно образуются ионы водорода вследствие диссоциации (ионизации) небольшого процента молекул воды. Этот процесс называется самоионизацией воды:
start text, H, end text, start subscript, 2, end subscriptstart text, O, end text start text, left parenthesis, ж, right parenthesis, end text \rightleftharpoons start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text + start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text
Буквы в скобках означают, что вода находится в жидком состоянии (ж), а ионы — в водном растворе (aq).
Как видно из уравнения, в результате диссоциации образуется одинаковое количество ионов водорода (Hstart superscript, plus, end superscript) и гидроксид-ионов (OHstart superscript, minus, end superscript). Гидроксид-ионы могут плавать в водном растворе собственно в виде гидроксид-ионов, а ионы водорода связываются с ближайшими молекулами воды и образует ионы гидроксония (Hstart subscript, 3, end subscriptOstart superscript, plus, end superscript). Поэтому в воде нет свободных ионов водорода Hstart superscript, plus, end superscript. Тем не менее, ученые по-прежнему ссылаются на ионы водорода и их концентрацию, как если бы они действительно там имелись, а не на ионы гидроксония, это исторически сложившаяся договорённость, созданная для простоты.
Итак, какое же количество молекул воды диссоциируется, скажем, в одном кувшине? Концентрация ионов водорода, возникших вследствие диссоциации воды, составляет 1 × 10start superscript, minus, 7, end superscript моль/л.
Много это или мало? Хотя число ионов водорода в литре воды велико по сравнению с числами, с которыми мы привыкли иметь дело (оно исчисляется квадриллионами), общее количество молекул в литре воды (как диссоциированных, так и нет), составляет приблизительно 33 460 000 000 000 000 000 000 000start superscript, 2, comma, 3, end superscript.
Кислоты или основания
Раствор считается кислотным или основным (щелочным), в зависимости от концентрации ионов водорода относительно чистой воды. Кислотные растворы имеют более высокую концентрацию H start superscript, plus, end superscript, чем вода (более 1 × 10 start superscript, minus, 7, end superscript M), в то время как основные (щелочные) растворы имеют более низкую концентрацию H start superscript, plus, end superscript (менее 1 × 10 start superscript, minus, 7, end superscript M). Как правило, концентрация ионов водорода в растворе выражается через водородный показатель — pH. pH вычисляется как минус десятичный логарифм от концентрации ионов водорода в растворе:
start text, p, H, space, =, end text, minus, l, o, g, start subscript, 10, end subscriptstart text, open bracket, H, end textstart superscript, plus, end superscriptstart text, close bracket, end text
Квадратные скобки вокруг Hstart superscript, plus, end superscript означают, что мы рассматриваем их молярную концентрацию. Если подставить в это выражение молярную концентрацию ионов водорода в воде (1 × 10start superscript, minus, 7, end superscript моль/л), мы получим 7,0, это значение известно как нейтральный pH. В теле человека кровь и цитозоль (жидкое содержимое клетки) имеют pH, близкий к нейтральному.
Концентрация ионов Hstart superscript, plus, end superscript изменяется, когда в водный раствор добавляются кислота или основание. Мы будем считать кислотой вещество, которое увеличивает концентрацию ионов водорода (Hstart superscript, plus, end superscript) в растворе, как правило, отдавая один из его атомов водорода путём диссоциации. Основанием — наоборот — будем считать вещество, которое повышает pH, отдавая раствору гидроксид (OHstart superscript, minus, end superscript), или другие ионы и молекулы, которые забирают из раствора ионы водорода, уменьшая их концентрацию. (Это упрощённое определение кислот и оснований, которого достаточно для курса биологии. Если вам интересно, можете узнать более строгие определения кислот и оснований из раздела химии.)
Чем сильнее кислота, тем легче она диссоциирует, с образованием Hstart superscript, plus, end superscript. Например, соляная кислота (HCl) в воде полностью диссоциирует на ионы водорода и хлорид-ионы, поэтому она считается сильной кислотой. Кислоты, содержащиеся в томатном соке или уксусе, не полностью диссоциируют в воде, поэтому считаются слабыми кислотами. Аналогично, сильные основания, например, гидроксид натрия (NaOH) полностью диссоциируют с образованием гидроксид-ионов (или других типов осно́вных ионов), которые могут соединяться с Hstart superscript, plus, end superscript.
Шкала pH
Шкала pH используется для упорядочивания растворов в соответствии с их кислотными или основными (щелочными) свойствами. Поскольку шкала основана на значениях pH, она является логарифмической, то есть изменение на 1 единицу pH соответствует десятикратному изменению концентрации ионов Hstart superscript, plus, end superscript. Шкала pH обычно рассматривается в диапазоне от 0 до 14, и большинство растворов попадают в этот промежуток, хотя теоретически возможно получить pH меньше 0 или больше 14. Всё, что меньше 7,0, считается кислотным, а всё, что больше, — щелочным или основным.
Уровни pH в клетках человека (6,8) и крови (7,4) близки к нейтральному. Значительно отличающиеся показатели pH, как в бо́льшую, так и в меньшую сторону, считаются неблагоприятными для жизни. Однако в вашем желудке среда очень кислотная, с уровнем pH от 1 до 2. Как желудок справляется с этой проблемой? Ответ: быстро заменяет клетки! Клетки желудка, находящиеся в непосредственном контакте с желудочной кислотой и пищей, постоянно умирают и заменяются новыми. Внутренняя поверхность желудка полностью обновляется примерно за 7—10 дней.
Буферные растворы
Большинству организмов, включая человека, для жизни требуется поддерживать определённый уровень pH в достаточно узком диапазоне. Например, pH человеческой крови должен приблизительно равняться 7,4 и избегать значительных колебаний в обе стороны, даже если по какой-то причине в кровь попали кислотные или основные вещества.
Буферные растворы — это растворы, которые могут противостоять изменениям pH, поддерживая стабильную концентрацию ионов Hstart superscript, plus, end superscript в биологических системах. Если ионов Hstart superscript, plus, end superscript становится слишком много, буферный раствор поглотит избыток, возвращая уровень pH в норму, а если возникает их недостаток, буферный раствор отдаст часть своих ионов Hstart superscript, plus, end superscript, уменьшая pH. Буферные растворы часто состоят из пары кислота - основание, которые различаются наличием или отсутствием протона (так называемая сопряженная пара кислота-основание ).
Например, один из таких буферных растворов, поддерживающих pH человеческой крови, состоит из угольной кислоты (Hstart subscript, 2, end subscriptCOstart subscript, 3, end subscript) и её сопряжённого основания — бикарбонат-иона (HCOstart subscript, 3, end subscriptstart superscript, minus, end superscript). Угольная кислота образуется при попадании углекислого газа в кровь, где он соединяется с водой. Именно в таком виде углекислый газ и переносится кровью от мышц (где синтезируется угольная кислота) в лёгких (где она снова распадается на воду и COstart subscript, 2, end subscript, который выделяется в качестве побочного продукта)
Если ионов Hstart superscript, plus, end superscript становится слишком много, уравнение выше сдвигается вправо и бикарбонат-ионы поглощают лишние ионы Hstart superscript, plus, end superscript с образованием угольной кислоты. Аналогично, если концентрация Hstart superscript, plus, end superscript падает, угольная кислота превращается в бикарбонат-ион, отдавая раствору Hstart superscript, plus, end superscript. Без этой буферной системы уровень pH в нашей крови мог бы значительно колебаться, представляя опасность для нашего организма.
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.