Кислоти та основи
Кислотами прийнято називати речовини, здатні віддавати протони (іони водню), а основами - речовини, здатні приймати протони. Вода посилює кислотно-основні властивості розчинених речовин, оскільки може виконувати функції кислоти, так і основи. Так, соляна кислота (HCl) віддає протони молекул води ( 1 ). При цьому утворюються аніон хлору (Cl - ) і протоновані молекули води (іони гідроксонію, H 3 O + для короткості позначаються H + ). Обмін протонами між HCl і водою відбувається майже кількісно, тобто. у воді HCl поводиться як сильна кислота.
Підстави, наприклад, аміак (NH 3 ), приймають протони у молекул води з утворенням гідроксил-іонів (OH - ) і позитивно заряджених іонів амонію (NH 4 + , 3). Як і всі іони, гідроксоній та гідроксил присутні у воді у гідратованій формі ( 4 і 5 ).
У кислотно-основних реакціях завжди беруть участь кислота і пов'язана з нею основа. Чим сильнішою є кислота (або основа), тим слабше пов'язана основа (або кислота). Наприклад, дуже слабка основа аніон хлору пов'язана з дуже сильною соляною кислотою ( 1 ). Слабокислий іон амонію пов'язаний з помірно сильною основою аміаком (3). Якщо молекула води функціонує як слабка кислота, утворюється гідроксил-іон - дуже сильна основа. Якщо вода виступає як основа, утворюється іон гідроксонію - дуже сильна кислота (2).
До Н 2 O = ([H + ] [H + ][OH - ]) / [H 2 O] = 2 · 10 -16 моль/л (при 25 o C)
У чистій воді концентрація молекул води [H2O] - величина практично постійна, що дорівнює 55 моль/л. При підстановці цього значення рівняння воно набуває вигляду
K W = [H + ][OH - ] = 1 · 10 -14 моль/л
Таким чином, твір[H + ] · [OH - ], так званий іонний добуток води, є величина постійна, навіть у присутності в розчині інших кислотно-основних пар. При 25 про З концентрації іонів H + і ОН - у чистій воді рівні і становлять 1 · 10 - 7 моль/л.
Б. Значення pH в організмі людини
У клітинах та міжклітинних рідинах pH підтримується на відносно постійному рівні. У крові величина pH зазвичай змінюється у межах 7,35-7,45 (див. с. 280). Це відповідає зміні концентрації водневих іонів лише на 30%. У цитоплазмі pH становить 7,0-7,3. що дещо менше, ніж у крові. У лізосомах (див. с. 228, pH 4,5-5,5) концентрація водневих іонів більш ніж у 100 разів вища порівняно з концентрацією в цитоплазмі.
У травному тракті, який для організму є ніби зовнішнім світом. і у виділеннях організму pH варіює значно більшою мірою. Екстремальні величини pH (близько 2) спостерігаються в шлунку та в тонкому кишечнику (8). В зв'язку з тим, що нирки можуть виділяти як кислоти, так і основи (див. с. 318). значні варіації pH (4,8-7,5) спостерігаються у сечі.
Короткострокові коливання pH в організмі компенсуються буферними системами. Буферна система є сумішшю слабкої кислоти HB і сполученої з нею основи В - або слабкої основи і сполученої з ним кислоти. Такі системи можуть нейтралізувати надлишок як іонів гідроксонію, так і гідроксил-іонів. У першому випадку надлишок протонів зв'язується основою - з утворення води до кислоти в недисоційованій формі. Гідроксил-іони взаємодіють з HВ з утворенням В - і води. В обох випадках насамперед зсувається співвідношення [НВ]/[В - ], а pH змінюється дуже незначно. На кривій титрування видно, що буферні системи працюютьнайбільш ефективно в області pH, що відповідає рК а кислоти. У цій галузі графік має максимальну крутість, і при додаванні певної кількості кислоти або основи рН мінімально. Іншими словами, буферна ємність системи максимальна при рК а.