Киселини, основи, pН и буфери

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.$^1$start superscript, 1, end superscript.

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:

За да видим откъде идва това определение, нека видим някои киселинно-основни свойства на самата вода.

Водородните йони спонтанно се получават в чистата вода при дисоциацията (йонизацията) на малък процент водни молекули. Този процес се нарича автойонизация на водата:

$\text{H}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text $\text{(l)}$start text, left parenthesis, l, 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

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$^+$start superscript, plus, end superscript) йони и хидроксидни (OH$^-$start 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 (H$_3$start subscript, 3, end subscriptO$^+$start superscript, plus, end superscript). Така че всъщност няма свободно движещи се H$^+$start 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 × 10$^{-7}$start 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 33 460 000 000 000 000 000 000 000$^{2,3}$start 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.

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$^+$start superscript, plus, end superscript от водата (повече от 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M), докато основните (алкални) разтвори имат по-ниска концентрация на H$^+$start superscript, plus, end superscript (по-малко от 1 × 10$^{-7}$start 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:

Квадратните скоби около H$^+$start superscript, plus, end superscript просто означават, че имаме предвид концентрацията. Ако заместиш концентрацията на водородни йони във водата (1 × 10$^{-7}$start 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 H$^+$start 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 (H$^+$start 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 (OH$^-$start 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 H$^+$start 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 H$^+$start superscript, plus, end superscript.

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$^+$start 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 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.

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$^+$start superscript, plus, end superscript йони в биологичните системи. Когато има твърде много H$^+$start 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 H$^+$start 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 (H$_2$start subscript, 2, end subscriptCO$_3$start subscript, 3, end subscript) и съответната ѝ основа, бикарбонатен йон (HCO$_3$start subscript, 3, end subscript$^-$start 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 CO$_2$start subscript, 2, end subscript, който бива отделен като отпадъчен продукт).

Ако се натрупат твърде много H$^+$start superscript, plus, end superscript йони, процесът, показан с уравнението по-горе, ще протича в посока надясно и бикарбонатните йони ще абсорбират H$^+$start superscript, plus, end superscript, за да образуват въглеродна киселина. Подобно, ако концентрацията на H$^+$start superscript, plus, end superscript падне твърде ниско, процесът ще протича наляво и въглеродната киселина ще се преобразува в бикарбонат, отдавайки H$^+$start superscript, plus, end superscript йони на разтвора. Без тази буферна система рН-то на тялото ще се изменя достатъчно, че да застраши оцеляването.