If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Киселини, основи, pН и буфери

Киселинност и основност, протонна концентрация, pH скала и буфери.

Въведение

Дори кракът ти да не е стъпвал в химична лаборатория, вероятно ще знаеш едно-две неща за киселините и основите. Например пиеш ли портокалов сок или кола? Ако да, познаваш някои често срещани в ежедневието киселинни разтвори. Ако използваш сода бикарбонат или дори белтъците на яйцата, докато готвиш, тогава са ти познати и някои основи.1.
Със сигурност знаеш, че киселите неща по-принцип са с кисел вкус, или че някои основни неща като сапуна или белината по принцип са хлъзгави. Но какво означава да кажем, че нещо е киселинно или основно? Накратко:
  • Един киселинен разтвор има висока концентрация на водородни йони (H+), по-висока от тази в чистата вода.
  • Един основен разтвор има ниска концентрация на H+, по-ниска от тази в чистата вода.
За да видим откъде идва това определение, нека видим някои киселинно-основни свойства на самата вода.

Автопротеолитична дисоциация на водата

Водородните йони спонтанно се получават в чистата вода при дисоциацията (йонизацията) на малък процент водни молекули. Този процес се нарича автойонизация на водата:
H2O (l) H+ (aq) + OH (aq)
Буквите в скобите просто означават, че водата е течност (l) и йоните са в течен (воден) разтвор (aq).
Както виждаме от уравнението, дисоциацията води до равен брой водородни (H+) йони и хидроксидни (OH) йони. Докато хидроксидните йони могат да се носят в разтвора като хидроксидни йони, водородните йони се присъединяват директно към съседна водна молекула, при което се образуват хидроксониеви йони (H3O+). Така че всъщност няма свободно движещи се H+ йони във водата. Но учените все пак говорят за водородни йони и тяхната концентрация, все едно те се носят свободно, а не са част от хидроксониев йон – това е улеснение, което използваме за удобство.
Колко водни молекули в кана вода ще се дисоциират? Концентрацията на водородните йони, получени чрез дисоциация, в чистата вода е 1 × 107 M (мола на литър вода).
Това много или малко е? Въпреки че броят водородни йони в един литър чиста вода е голям в мащаба, в който обикновено мислим (в квадрилиони), общият брой водни молекули в един литър - дисоциирани и недисоциирани – е около 33 460 000 000 000 000 000 000 0002,3. (Това определено е нещо, за което да помислиш при следващата чаша вода!) Тоест автойонизираните молекули вода са много малка част от всички молекули в даден обем чиста вода.

Киселини и основи

Разтворите се класифицират като киселинни или алкални (основни) въз основа на концентрацията на водородни йони в сравнение с чистата вода. Киселинните разтвори имат по-висока концентрация на H+ от водата (повече от 1 × 107 M), докато основните (алкални) разтвори имат по-ниска концентрация на H+ (по-малко от 1 × 107 M). Обикновено концентрацията на водородни йони в един разтвор се изразява като pH. рН се изчислява като отрицателен логаритъм от концентрацията на водородните йони в разтвора:
pH =log10[H+]
Квадратните скоби около H+ просто означават, че имаме предвид концентрацията. Ако заместиш концентрацията на водородни йони във водата (1 × 107 M) в това уравнение, получаваш стойност 7,0, също познато като неутрално рН. В човешкото тяло и кръвта, и цитозолът (водната субстанция) в клетките имат рН стойности, близки до неутралните.
Концентрацията на H+ се измества от неутралното, когато една киселина или една основа бъде добавена към течен (воден) разтвор. За нашите цели киселина е вещество, което увеличава концентрацията на водородни йони (H+) в един разтвор, обикновено чрез отдаване на един от водородните си атоми чрез дисоциация. Обратно, една основа повишава рН като предоставя един хидроксид (OH) или друг йон или молекула, която привлича водородните йони и ги премахва от разтвора. (Това е опростено определение за киселините и основите, което върши работа, когато мислим за биологията. Може да искаш да посетиш раздел химия, за да видиш други определения за киселини и основи.)
Колкото по-силна е киселината, толкова по-лесно се дисоциира, за да генерира H+. Например солната киселина (HCl) напълно се дисоциира на водородни и хлоридни йони, когато бъде поставена във вода, така че се приема за силна киселина. Киселините в доматения сок или оцета, от друга страна, не се дисоциират напълно във вода и се смятат за слаби киселини. Подобно, силни основи като натриев хидроксид (NaOH) напълно се дисоциират във вода, освобождавайки хидроксидни йони (или други видове основни йони), които могат да абсорбират H+.

Скалата рН

рН скалата се използва за подреждане на разтвори по отношение на киселинността или основността (алкалността). След като скалата е основана на рН стойности, тя е логаритмична, което означава, че промяна на рН с една единица съответства на десетократна промяна на концентрацията на H+ йони. рН скалата е от 0 до 14 и повечето разтвори попадат в този диапазон, въпреки че е възможно да има рН под 0 или над 14. Всичко под 7,0 е киселинно и всичко над 7,0 е алкално, или основно.
Изображение, модифицирано от "Вода: Фигура 7", от Колеж ОупънСтакс, Биология, CC BY 4.0. Модификация на работата от Едуард Стивънс.
рН в човешките клетки (6,8) и рН на кръвта (7,4) са много близки до неутралното. Екстремни рН стойности, значително над или под 7,0, обикновено се смятат за несъвместими с живота. Но средата в стомаха ти е силно киселинна, с рН от 1 до 2. Как стомахът се справя с този проблем? Отговорът е: чрез клетки за еднократна употреба! Стомашните клетки, особено тези, които са в директен контакт със стомашната киселина и храната, постоянно умират и биват заместени от нови. Всъщност клетките, ограждащи стомаха на човека, се заменят напълно на всеки 7 до 10 дни.

Буфери

Повечето организми, включително човешкия организъм, трябва да поддържат рН в сравнително тесен диапазон, за да оцелеят. Например човешката кръв трябва да поддържа своето рН около 7,4 и да избягва значително повишаване или намаляване – дори ако киселинни или основни вещества навлизат в или излизат от кръвообращението.
Буферите са разтвори, които могат да устоят на промени в рН, и са ключът за поддържане на стабилна концентрация на H+ йони в биологичните системи. Когато има твърде много H+ йони, един буфер абсорбира някои от тях, връщайки рН-то обратно към нормалното: и когато има твърде малко, буферът ще отдаде някои от собствените си H+ йони, за да намали рН. Буферите обикновено са двойка киселина-основа, като киселината и основата се различават по наличието или липсата на един протон (конюгирана двойка киселина-основа).
Например един от буферите, които поддържат рН на човешката кръв, включва въглеродна киселина (H2CO3) и съответната ѝ основа, бикарбонатен йон (HCO3). Въглеродната киселина се образува, когато въглеродният диоксид навлезе в кръвообращението и се комбинира с вода и е основната форма, в която въглеродният диоксид пътува в кръвта между мускулите (където се генерира) и белите дробове (където се преобразува обратно до вода и CO2, който бива отделен като отпадъчен продукт).
Изображение, модифицирано от "Вода: Фигура 8", от Колеж ОупънСтакс, Биология, CC BY 4.0.
Ако се натрупат твърде много H+ йони, процесът, показан с уравнението по-горе, ще протича в посока надясно и бикарбонатните йони ще абсорбират H+, за да образуват въглеродна киселина. Подобно, ако концентрацията на H+ падне твърде ниско, процесът ще протича наляво и въглеродната киселина ще се преобразува в бикарбонат, отдавайки H+ йони на разтвора. Без тази буферна система рН-то на тялото ще се изменя достатъчно, че да застраши оцеляването.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.