1.5: Кислоти, основи та солі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 103138

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

Цілі навчання

Поясніть властивості води
Опишіть неорганічні та органічні кислоти
Опишіть неорганічні основи
Поясніть рН, кислоти та основи
Опишіть буфери
Контур іонних сполук і хімічних реакцій

Вода є найбільш поширеною і важливою неорганічною сполукою на землі. Він становить від 60 до 89 відсотків обсягу більшості живих клітин, і він володіє декількома властивостями, які роблять його життєво важливим для життя. Вода має високу теплоємність. Вода поглинає і виділяє велику кількість тепла перед помітною зміною температури. Ця властивість запобігає різким змінам температури, викликаним зовнішніми факторами, такими як вплив сонця або вітру, або внутрішніми умовами, які швидко виділяють тепло, наприклад, енергійна м'язова активність. Як частина системи крові або навколишнього середовища, вода перерозподіляє тепло між сусідніми структурами, внаслідок чого температура залишається гомеостатичною.

Коли вода випаровується або випаровується, вода змінюється з рідини на газ, водяну пару. Перетворення вимагає поглинання великої кількості тепла, щоб розірвати водневі зв'язки, які утримують молекули води разом. Ця властивість корисна тим, що при випаровуванні води з об'єкта або організму виділяється велика кількість тепла, забезпечуючи ефективне охолодження. Це властивість називають високою теплотою випаровування.

Вода - найкращий розчинник в природі. Його називають універсальним розчинником. Біологічні молекули не реагують хімічно, якщо вони не знаходяться в розчині, і практично всі хімічні реакції, що відбуваються в живих клітині, залежать від властивостей розчинника води. Молекули води називають полярними. Вони орієнтуються своїми злегка негативними кінцями на позитивні кінці розчинених речовин. Спочатку залучають розчинені молекули, а потім оточують їх. Ця характеристика називається полярністю, і вона пояснює причину того, що іонні сполуки та інші дрібні реактивні молекули, такі як кислоти і основи, дисоціюються у воді, де їх іони відокремлюються один від одного і стають рівномірно розсіяними у воді, утворюючи справжній розчин. Вода - полярний розчинник.

Вода також утворює шари молекул води, звані шарами гідратації, навколо великих заряджених молекул, таких як білок, захищаючи їх від впливу інших заряджених речовин на ділянках і не даючи їм осідати з розчину. Такі білкові водні суміші є біологічними колоїдами. Вода також є основним транспортним середовищем, оскільки вона є відмінним полярним розчинником. Живильні речовини, гази та метаболічні відходи переносяться розчиненими у рідинях на водній основі. Відходи виводяться з живих організмів у водянистих рідинях. Спеціалізовані молекули, які змащують організми, також використовують воду в якості розчиняючого середовища.

Вода є важливим реагентом у багатьох хімічних реакціях. Живильні речовини розкладаються шляхом додавання молекули води до кожної хімічної зв'язку, яка порушена. Реакції розкладання більш конкретно називають реакціями гідролізу. Коли великі вуглеводи або білкові молекули синтезуються з менших молекул, молекула води видаляється для кожного утвореного зв'язку, реакція, яка називається синтезом зневоднення.

Вода утворює пружні подушки, амортизуючи навколо певних біологічних структур, забезпечуючи захист від фізичних травм.

Коли неорганічні солі, такі як хлорид натрію (NaCl), розчиняються у воді, вони піддаються іонізації або дисоціації. Вони розпадаються на іони. Речовини, позначені кислотами і основами, демонструють схожу

Кислоту можна визначити як речовину, яка дисоціює на один або кілька іонів водню (H +) і один або більше негативних іонів (аніонів) кислоту також називають донором протонів (H+). Основа дисоціюється на один або кілька позитивних іонів (катіонів), які можуть приймати або поєднуватися з протонами. Гідроксид натрію (NaOH) є основою, оскільки він дисоціює, щоб вивільнити OH-, має сильну привабливість для протонів. Бази є одними з найважливіших протонних акцепторів в хімії. Сіль - це речовина, яка дисоціює у воді на катіони та аніони, жоден з яких не є H+ або OH-.

Кислоти

Солі, кислоти, основи - це електроліти. Вони іонізуються і дисоціюють у воді і можуть проводити електричний струм.

Кислоти мають кислий смак, і вони можуть вступати в реакцію з металами або розчиняти їх. Визначення кислоти - це речовина, яка виділяє іони водню (H+) у вимірних кількостях. Кислоти також характеризуються як донори протонів, оскільки іон водню - це ядро водню або єдиний протон.

Коли кислоти розчиняються у воді, вони виділяють іони водню (протони) і аніони, негативні заряджені частинки. Концентрація протонів визначає кислотність розчину. Аніони мало впливають або зовсім не впливають на кислотність розчину. Соляна кислота (HCl) дисоціює на протон і хлорид-іон:

Н+, протон+Cl-, аніон → HCl

Живі організми підтримують постійний баланс кислот і підстав. Якщо певна концентрація кислоти або основи занадто висока або занадто низька, ферменти змінюються у формі і більше не ефективні. У водних середовищах кислоти дисоціюють на іони водню і аніони. Підстави дисоціюють на гідроксидні іони і катіони. Чим більше іонів водню, які вільні в розчині, тим більш кислий розчин. Чим більше гідроксидних іонів, які вільні в розчині, тим більше основного або лужного розчину.

Біохімічні реакції чутливі до невеликих змін кислотності або лужності середовища, в якій вони відбуваються. H+ і OH- беруть участь майже у всіх біохімічних процесах, і будь-яке відхилення від вузької смуги нормальної концентрації H+ і OH- різко змінює функціонування систем. Кислоти і основи, які утворюються в живих системах, повинні утримуватися в рівновазі.

Зручно виражати кількість Н+ в розчині за логарифмічною шкалою рН, яка коливається від 0 до 14. Термін pH означає потенціал концентрації іонів водню. У колодному масштабі зміна одного цілого числа має в 100 разів більше іонів водню, ніж розчин рН 2, а рН 2 має в 100 разів більше іонів водню, ніж розчин рН 3.

Кислі розчини містять більше Н+, ніж ОН- і мають рН нижче 7. Якщо розчин має більше OH- ніж H+, це основний або лужний розчин. У чистій воді невеликий відсоток молекул дисоціюється на H+ і OH- іони так, щоб вона мала рН 7. При рівних концентраціях іонів розчину розчин має рН 7 і вважається нейтральним.

Концентрації H+ і OH- при різному рівні рН — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення, що демонструє концентрації H+ та OH- при різних рівнях рН - Зображення COC OER ліцензовано відповідно до CC BY 4.0

РН розчину можна змінювати. Коли в розчин додаються речовини, які будуть збільшувати концентрацію іонів водню, то рН знизиться. У системах, де присутні буфери, рН не коливається так сильно, як в системах, які не містять буферів. Буфери запобігають різкій зміні рН розчину. РН у навколишньому середовищі може бути змінений продуктами відходів організмів, забруднюючими речовинами промисловості та добривами, що використовуються на сільськогосподарських полах чи садах. Коли бактерії вирощуються в лабораторії, вони виділяють продукти життєдіяльності, такі як кислоти, які можуть змінювати рН. Якщо виробництво кислоти продовжуватиметься, середовище, де ростуть бактерії, стане досить кислим, щоб пригнічувати бактеріальні ферменти та вбивати бактерії. Щоб запобігти цій проблемі, буфери рН додають в розчини або в природне середовище, щоб запобігти змінам рН. Буфери протистоять зміні рН.

Основи

Основи мають гіркий смак, відчувають себе слизькими, є протонними акцепторами. Вони забирають іони водню в вимірних кількостях. Загальні неорганічні основи включають гідроксиди, такі як гідроксид магнію та гідроксид натрію. Залягають кислоти, гідроксиди дисоціюють при розчиненні у воді. При цьому виділяються гідроксильні іони (ОН-) і катіони. Іонізація гідроксиду натрію виробляє гідроксильний іон і іон натрію. Гідроксильний іон зв'язується з протоном, присутнім у розчині. Ця реакція виробляє воду і одночасно знижує кислотність розчину, приймаючи вільні іони Н+:

НаО → На+ ОН-
ОН- + Н+ → Н ₂ О

Термін рН використовується для вираження інтенсивності кислотного або лужного розчину.

Шкала PH- Кисла проти основної (лужна) — Рисунок\(\PageIndex{2}\): шкала рН від 0 до 14 демонструє кислотну, нейтральну та базову — Зображення від Heinrich-Böll-Stiftung ліцензовано відповідно до CC BY-SA 2.0

Солі і нейтралізація

Чим більше іонів водню в розчині, тим кислотніше розчин. Чим більше концентрація гідроксильних іонів, тим більше основний, або лужний, розчин.

Коли кислоти і основи змішуються, вони реагують один з одним в реакціях витіснення з утворенням води і солі. Наприклад, при взаємодії соляної кислоти і гідроксиду натрію утворюється хлорид натрію (сіль) і вода.

HCl (кислота) + NaOH (основа) → NaCl (сіль) + H ₂ O (вода)

Цей тип реакції називають реакцією нейтралізації, оскільки з'єднання H+ і OH- з утворенням води нейтралізує розчин. Отриману сіль розчиняють у водному розчині і роз'єднують на іони Na+ і Cl-.

Солі - це іонні сполуки, що містять катіони, відмінні від H+, і аніони, відмінні від гідроксильного іона, ОН-. Коли солі розчиняються у воді, вони дисоціюють на їх складові іони. Сульфат натрію, Na2SO4, дисоціює на два іони Na+ і один SO4-2. Сіль дисоціює через те, що утворюються іони. Вода долає тяжіння між протилежно зарядженими іонами, і вони роз'єднуються.

Всі іони - це електроліти, які є речовинами, які проводять електричний струм в розчині. Солі дисоціюють у водних розчинами на іони, а найбільш поширеними солями є солі натрію. У своєму іонізованому вигляді солі відіграють життєво важливу роль в природі і водних розчинами.

Буфери

Організми надзвичайно чутливі до незначних змін рН навколишнього середовища. У високих концентраціях кислоти і основи згубні для клітин. Гомеостаз кислотно-лужного балансу регулюється хімічними системами, званими буферами.

Буфери протистоять різким і великим змінам рН розчину, виділяючи іони водню, коли рН починає підвищуватися, і зв'язуючи іони водню, коли рН падає.

Хімічні буферні системи реагують зв'язуванням іонів водню або вивільненням іонів водню Кислотність розчину відображає вільні іони водню, а не іони водню, пов'язані з аніонами. Кислоти, які дисоціюють повністю і необоротно у воді, називаються сильними кислотами. Вони можуть різко змінити рН розчину. Кислоти, які не дисоціюють повністю, як вугільна кислота (H2CO3) і оцтова кислота, є слабкими кислотами. Недисоційовані кислоти не впливають на рН, так що розчини оцтової кислоти набагато менш кислі, ніж розчин соляної кислоти. Слабкі кислоти роз'єднуються передбачуваними способами, а молекули інтактної кислоти знаходяться в динамічній рівновазі з дисоційованими іонами.

З цієї причини, коли в розчин слабкої кислоти додається сильна кислота, рівновага зміститься вліво і частина Н+ рекомбінується з утворенням оцтової кислоти. З іншого боку, якщо додається сильна основа і рН починає підвищуватися, рівновага зміщується вправо і більше оцтових молекул роз'єднуються, щоб вивільнити іони H+. Ця характеристика слабких кислот дозволяє їм грати певну роль в хімічних буферних системах, знайдених в природі.

H+ оцтова кислота ↔ Н+ Оцтова-

Бази - це протонні акцептори. Сильні основи - це ті основи, як гідроксиди, які легко дисоціюються у воді і швидко зв'язують іони H+. Бікарбонат натрію іонізується неповністю і оборотно. Оскільки він приймає відносно мало протонів, його виділений бікарбонатний іон вважається слабкою основою.

Однією з буферних систем, що сприяє підтримці рН у водних розчинами, є вуглекислотно-бікарбонатна система. Вугільна кислота дисоціює оборотно у водних розчині, виділяючи бікарбонатні іони і протони, Н+. Хімічна рівновага між вугільною кислотою, слабкою кислотою та бікарбонатним іоном, слабкою основою, протистоїть зміщенню рН вправо або вліво, коли іони H+ додаються або видаляються з розчину:

H2CO3 (падіння рН) ↔ Н+HCO3- (підвищення рН)

У міру підвищення рН і стає більш лужним, рівновага зміщується вправо, змушуючи більше вугільної кислоти дисоціювати. Аналогічно, коли рН починає падати, рівновага зміщується вліво, оскільки більше бікарбонатних іонів починають зв'язуватися з протонами. Міцні підстави замінюються слабкою основою, бікарбонатним іоном. Протони виділяються сильними кислотами і зв'язуються в слабких кислотах, вугільній кислоті. В результаті зміни рН набагато менше, ніж були б за відсутності системи буферизації.

Переглянути питання

Які властивості води роблять її важливою для життя?
Що таке кислоти і основи?
Визначте буфер.

Розділ Вікторина

___________ є найбільш поширеною і важливою неорганічною сполукою на землі.
1. Сіль
2. Вода
3. Бікарбонат
4. Кисень
A (n) ___________ можна визначити як речовину, яка дисоціює на один або кілька іонів водню (H+) і один або кілька негативних іонів (аніонів) кислоту також називають донором протона (H+).
1. База
2. Буфер
3. Кислота
4. Сіль
___________ додають в розчини або в природне середовище для запобігання зміни рН.
1. База
2. Буфер
3. Кислота
4. Сіль
___________ мають гіркий смак, відчувають слизькість, є протонними акцепторами. Вони забирають іони водню в вимірних кількостях.
1. Основи
2. Буфери
3. Кислоти
4. Солі
При змішуванні кислот і підстав вони вступають в реакцію один з одним в реакціях витіснення з утворенням води і a (n) ___________.
1. База
2. Буфер
3. Кислота
4. Сіль
Живильні речовини розкладаються шляхом додавання ___________ до кожної хімічної зв'язку, яка порушується.
1. А сіль
2. Вода
3. Бікарбонат
4. Кисень
НСл + NaOH → NaCl + Н ₂ О: ___________ є основою.
1. NaOH
2. HCl
3. NaCl
4. Н ₂ О
HCl + NaOH → NaCl + Н ₂ О: ___________ є кислотою.
1. NaOH
2. HCl
3. NaCl
4. Н ₂ О
HCl + NaOH → NaCl + Н ₂ О: ___________ - це сіль.
1. NaOH
2. HCl
3. NaCl
4. Н ₂ О
___________ системою, що сприяє підтримці рН у водних розчинами, є вуглекислотно-бікарбонатна система.
1. Підстава
2. Буфер
3. Кислота
4. А сіль