Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.17: Вода - рН, буфери, кислоти та основи

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    5029

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Поясніть склад буферних розчинів і як вони підтримують стійкий рН

    Самоіонізація води

    Іони водню спонтанно генеруються в чистій воді шляхом дисоціації (іонізації) невеликого відсотка молекул води на рівну кількість іонів водню (Н +) і гідроксидних (ОН -) іонів. Гідроксидні іони залишаються в розчині через їх водневі зв'язки з іншими молекулами води; іони водню, що складаються з оголених протонів, негайно притягуються до неіонізованих молекул води і утворюють іони гідронію (\(\ce{H3O^{+}}\)). За умовністю вчені називають іони водню і їх концентрацію так, ніби вони були вільні в такому стані в рідкій воді.

    \[\ce{2H2O⇋H3O^{+}  + OH^{−}}\]

    Концентрація іонів водню, що дисоціюють з чистою водою, становить 1 × 10 -7 моль іонів H + на літр води. РН розраховується як від'ємний логарифм підстави 10 цієї концентрації:

    \[pH = -\log_{10}[\ce{H^{+}}]\]

    Негативний журнал 1 × 10 -7 дорівнює 7,0, який також відомий як нейтральний рН. Клітини людини і кров підтримують майже нейтральний рН.

    Шкала рН

    РН розчину вказує на його кислотність або основність (лужність). Шкала рН - це зворотний логарифм, який коливається від 0 до 14: все, що нижче 7,0 (від 0,0 до 6,9) є кислим, і все, що вище 7,0 (від 7,1 до 14,0) є основним (або лужним). Крайні значення рН в будь-якому напрямку від 7,0 зазвичай вважаються непривітними до життя. РН у клітині (6,8) і крові (7,4) дуже близькі до нейтрального, тоді як середовище в шлунку є висококислим, з рН від 1 до 2.

    зображення
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Шкала рН: Шкала рН вимірює концентрацію іонів водню (H +) в розчині.

    Ненатральні показання рН виникають внаслідок розчинення кислот або підстав у воді. Використовуючи негативний логарифм для генерації позитивних цілих чисел, високі концентрації іонів водню дають низький рН, а низькі концентрації - високий рН.

    Кислота - це речовина, яка збільшує концентрацію іонів водню (Н +) в розчині, як правило, шляхом дисоціації одного з його атомів водню. Основа забезпечує або гідроксидні іони (ОН -), або інші негативно заряджені іони, які реагують з іонами водню в розчині, тим самим знижуючи концентрацію Н + і підвищуючи рН.

    Сильні кислоти та сильні основи

    Чим сильніше кислота, тим охочіше вона жертвує Н +. Наприклад, соляна кислота (HCl) є висококислою і повністю дисоціює на іони водню і хлориду, тоді як кислоти в томатному соку або оцті не повністю дисоціюють і вважаються слабкими кислотами; навпаки, міцні основи легко здають ОН - і/або вступають в реакцію з іонами водню. Гідроксид натрію (NaOH) і багато побутові очищувачі є дуже основними і віддають OH - швидко при поміщенні у воду; ОН - іони реагують з Н + в розчині, створюючи нові молекули води і знижуючи кількість вільного Н + в системі, тим самим підвищуючи загальний рН. Прикладом слабкого основного розчину є морська вода, яка має рН близько 8,0, досить близький до нейтрального, щоб добре адаптовані морські організми процвітали в цьому лужному середовищі.

    Буфери

    Як організми, чиї тіла потребують майже нейтрального рН, можуть поглинати кислі та основні речовини (наприклад, людина, яка п'є апельсиновий сік) і вижити? Буфери - це ключ. Буфери зазвичай складаються зі слабкої кислоти та її кон'югатної основи; це дозволяє їм легко поглинати надлишок H + або OH -, зберігаючи рН системи у вузькому діапазоні.

    Підтримка постійного рН крові має вирішальне значення для самопочуття людини. Буфер, який підтримує рН крові людини, включає вугільну кислоту (H 2 CO 3), іон бікарбонату (HCO 3 -) та вуглекислий газ (CO 2). Коли бікарбонатні іони з'єднуються з вільними іонами водню і стають вугільною кислотою, іони водню видаляються, помірковуючи зміни рН. Аналогічно, надлишок вугільної кислоти може бути перетворений в вуглекислий газ і видихатися через легені; це запобігає накопиченню занадто великої кількості вільних іонів водню в крові і небезпечно знижує її рН; так само, якщо занадто багато OH - введено в систему, вугільна кислота буде поєднуватися з нею для створення бікарбонату, що знижує рН. Без цієї буферної системи рН організму коливався б достатньо, щоб поставити під загрозу виживання.

    зображення
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Буфери в організмі: Ця діаграма показує буферизацію рівня рН крові в організмі: сині стрілки показують процес підвищення рН, оскільки робиться більше CO2; фіолетові стрілки вказують на зворотний процес, знижуючи рН, оскільки створюється більше бікарбонату.

    Антациди, які борються з надлишком шлункової кислоти, є ще одним прикладом буферів. Багато ліків без рецепта працюють аналогічно буферам крові, часто з принаймні одним іоном (зазвичай карбонатом), здатним поглинати водень і помірковувати рН, приносячи полегшення тим, хто страждає «печією» від шлункової кислоти після їжі.

    Ключові моменти

    • Базовий розчин матиме рН вище 7,0, тоді як кислий розчин матиме рН нижче 7,0.
    • Буфери - це розчини, які містять слабку кислоту і її кон'югатну основу; як такі вони можуть поглинати надлишкові іони H + або OH - іони, тим самим підтримуючи загальний стійкий рН в розчині.
    • рН дорівнює від'ємному логарифму концентрації іонів H + в розчині: pH = — log [H +].

    Ключові умови

    • лужні: мають рН більше 7; основні
    • кислотні: мають рН менше 7
    • буфер: розчин, що складається зі слабкої кислоти та її кон'югатної основи, яка може бути використана для стабілізації рН розчину

    Внески та віднесення