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

Автойонизация 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:
start text, H, end text, start subscript, 2, end subscriptstart text, O, end text start text, left parenthesis, l, 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
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 (Hstart superscript, plus, end superscript) йони и хидроксидни (OHstart superscript, minus, end superscript) 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 (Hstart subscript, 3, end subscriptOstart superscript, plus, end superscript). Така че всъщност няма свободно движещи се Hstart superscript, plus, end superscript 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 × 10start superscript, minus, 7, end superscript 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 000start superscript, 2, comma, 3, end superscript. (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 Hstart superscript, plus, end superscript от водата (повече от 1 × 10start superscript, minus, 7, end superscript M), докато основните (алкални) разтвори имат по-ниска концентрация на Hstart superscript, plus, end superscript (по-малко от 1 × 10start superscript, minus, 7, end superscript 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:
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
Квадратните скоби около Hstart superscript, plus, end superscript просто означават, че имаме предвид концентрацията. Ако заместиш концентрацията на водородни йони във водата (1 × 10start superscript, minus, 7, end superscript 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 Hstart superscript, plus, end superscript 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 (Hstart superscript, plus, end superscript) в един разтвор, обикновено чрез отдаване на един от водородните си атоми чрез дисоциация. Обратно, една основа повишава рН като предоставя един хидроксид (OHstart superscript, minus, end superscript) 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 Hstart superscript, plus, end superscript. 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 Hstart superscript, plus, end superscript.

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 Hstart superscript, plus, end superscript 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.
рН скала, обхващаща от 0 (много киселинно) до 14 (много основно/алкално) и описваща рН стойностите на често срещани вещества.
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 Hstart superscript, plus, end superscript йони в биологичните системи. Когато има твърде много Hstart superscript, plus, end superscript 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 Hstart superscript, plus, end superscript 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 (Hstart subscript, 2, end subscriptCOstart subscript, 3, end subscript) и съответната ѝ основа, бикарбонатен йон (HCOstart subscript, 3, end subscriptstart superscript, minus, end superscript). 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 COstart subscript, 2, end subscript, който бива отделен като отпадъчен продукт).
H+ + HCO3- <--> H2CO3
Изображение, модифицирано от "Вода: Фигура 8", от Колеж ОупънСтакс, Биология, CC BY 4.0.
Ако се натрупат твърде много Hstart superscript, plus, end superscript йони, процесът, показан с уравнението по-горе, ще протича в посока надясно и бикарбонатните йони ще абсорбират Hstart superscript, plus, end superscript, за да образуват въглеродна киселина. Подобно, ако концентрацията на Hstart superscript, plus, end superscript падне твърде ниско, процесът ще протича наляво и въглеродната киселина ще се преобразува в бикарбонат, отдавайки Hstart superscript, plus, end superscript йони на разтвора. Без тази буферна система рН-то на тялото ще се изменя достатъчно, че да застраши оцеляването.