Кислоты, основания, pH и буферные растворы

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 основаниями$^1$start 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:

Чтобы понять, откуда взялось такое определение, давайте изучим кислотно-основные свойства самой воды.

В чистой воде самопроизвольно образуются ионы водорода вследствие диссоциации (ионизации) небольшого процента молекул воды. Этот процесс называется самоионизацией воды:

$\text{H}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text $\text{(ж)}$start text, left parenthesis, ж, right parenthesis, end text $\rightleftharpoons$\rightleftharpoons $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text + $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript $\text{(aq)}$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 (H$^+$start superscript, plus, end superscript) и гидроксид-ионов (OH$^-$start 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 (H$_3$start subscript, 3, end subscriptO$^+$start superscript, plus, end superscript). Поэтому в воде нет свободных ионов водорода H$^+$start 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 × 10$^{-7}$start 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 33 460 000 000 000 000 000 000 000$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript.

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 $^ {- 7}$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 $^ {- 7}$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:

Квадратные скобки вокруг H$^+$start superscript, plus, end superscript означают, что мы рассматриваем их молярную концентрацию. Если подставить в это выражение молярную концентрацию ионов водорода в воде (1 × 10$^{-7}$start 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 H$^+$start superscript, plus, end superscript изменяется, когда в водный раствор добавляются кислота или основание. Мы будем считать кислотой вещество, которое увеличивает концентрацию ионов водорода (H$^+$start 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 (OH$^-$start 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 H$^+$start 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 H$^+$start superscript, plus, end superscript.

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 H$^+$start 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.

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 H$^+$start superscript, plus, end superscript в биологических системах. Если ионов H$^+$start 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 H$^+$start 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 (H$_2$start subscript, 2, end subscriptCO$_3$start subscript, 3, end subscript) и её сопряжённого основания — бикарбонат-иона (HCO$_3$start subscript, 3, end subscript$^-$start 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 CO$_2$start subscript, 2, end subscript, который выделяется в качестве побочного продукта)

Если ионов H$^+$start superscript, plus, end superscript становится слишком много, уравнение выше сдвигается вправо и бикарбонат-ионы поглощают лишние ионы H$^+$start superscript, plus, end superscript с образованием угольной кислоты. Аналогично, если концентрация H$^+$start superscript, plus, end superscript падает, угольная кислота превращается в бикарбонат-ион, отдавая раствору H$^+$start superscript, plus, end superscript. Без этой буферной системы уровень pH в нашей крови мог бы значительно колебаться, представляя опасность для нашего организма.