1.1.4 Кислоты, основания, соли, рН и буферы

Атом водорода состоит из одного электрона и одного протона. Если электрон утрачивается, то остается один протон, тик что протон можно рассматривать как ион во­дорода; обычно его обозначают Н⁺. Кислотой называется вещество, способное служить донором протонов; при дис­социации (диссоциация — разделение на ионы, из кото­рых состоит данное вещество) кислота образует в качест­ве катиона Н⁺. В этой книге мы будем пользоваться опре­делением, согласно которому кислота — это вещество, которое, диссоциируя в воде, дает в качестве катиона ионы Н ⁺ Сильной кислотой (примером может служить соляная кислота НС1) называется кислота, диссоцииру­ющая почти полностью. Сильная кислота является, та­ким образом, более эффективным донором протонов. нежели слабая кислота, например уксусная или угольная, у которых лишь небольшая часть молекул диссоциирует с образованием ионов Н⁺:

НС1 ↔ Н⁺ + Сl^- СН₃СООН ↔ СHСОO^- + H⁺

Соляная кислота Уксусная кислота

Ниже перечислены характерные свойства кислот.

1. Многие кислоты реагируют с такими реакционноспособными металлами, как цинк или магний, что сопровождается выделением водорода.

2. Кислоты нейтрализуются основаниями, в результате чего образуются соли этих кислот и вода.

3.Почти все кислоты реагируют с карбонатами, что сопровождается выделением диоксида углерода.

4. В разбавленных растворах кислоты имеют кислый вкус, например этановая (уксусная) кислота.

5. Растворы кислот дают характерное окрашивание с индикаторами; например, синяя лакмусовая бумага окрашивается под действием кислоты в красный цвет.

Основанием называется вещество, которое реагирует с кислотой, образуя соль и воду (по-другому основание можно определить как вещество, способное служить акцептором протонов). Большая часть оснований в воде не растворяется. Растворимые основания дают растворы, которые называются щелочами. К ним относятся, например, гидроксид натрия, гидроксид кальция и гидроксид аммония.

Ниже перечислены другие характерные свойства оснований.

1. Основания обычно плохо взаимодействуют с металлами.

2. Основания реагируют с водными растворами солей большинства металлов; при этом в осадок выпадает нерастворимый гидроксид

3. При реакции оснований с солями аммония выделяется аммиак.

4. Растворы оснований дают характерное окрашивание с индикаторами; например, красная лакмусовая бумага окрашивается под действием оснований в синий цвет.

Соль — это соединение, образующееся в результате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом. Примером может служить хлорид натрня, в котором атом водорода хлористоводородной (соляной) кислоты замещен атомом натрия. При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т.е. превращаются в свободные ионы, отделенные друг от друга молекулами воды.

Шкала рН

Кислотность или щелочность раствора определяется концентрацией ионов водорода в этом растворе. Кон­центрацию ионов водорода выражают через рН раствора (р указывает на определенную математическую опера­цию; Н — химический символ водорода); рН — это деся­тичный логарифм величины, обратной концентрации ионов водорода. В одном кубическом дециметре (1 л) чи­стой воды содержится 1•10 ^-7 моль ионов водорода.

Следовательно, для воды величина рН равна lоg(1/10⁷) = 7.

Эта величина (рН 7,0) характеризует нейтральный раствор (при комнатной температуре). Значения ниже 7,0 указывают на кислый раствор, а выше 7,0 — на шелочной.

Шкала рН охватывает пределы приблизительно от -1 до 15 (по большей части 0-14). Это логарифмическая шкала, так что изменение на одну единицу рН соответст­вует десятикратному изменению концентрации ионов водорода.

Для клеток и тканей требуется рН около 7,0 и откло­нения от этой величины более чем на одну или две еди­ницы сказываются на них губительно. Следовательно, для поддержания рН жидкостей тела на более или менее постоянном уровне существуют определенные механиз­мы. Частично это достигается при помощи буферов.

Буферы

Буферный раствор — это раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Действие его заключается в том, чтобы противостоять изменениям рН. Такого рода изменения могут возникать вследствие разбавления, а также при добавлении кислоты или соли.

Когда кислотность (концентрация ионов водорода) возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, легче соединяются со свободными ионами водорода и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, усиливается тенденция к высвобождению ионов водорода. Таким образом, буферный раствор поддерживает постоянную, сбалансированную концентрацию ионов водорода. Поясним это на примере:

Низкий рН

НРО₄^2- + Н⁺ ↔ Н₂РО₄^-

Гидрофосфат Высокий рН Дигидрофосфат

Некоторые органические соединения, в частности белки, способны действовать как буферы; это их качество особенно важно для крови.