Kwasy, zasady, pH i bufory

Nawet jeśli nigdy nie postawiłeś stopy w laboratorium chemicznym, prawdopodobnie wiesz coś o kwasach i zasadach. Na przykład, czy piłeś sok pomarańczowy lub colę? Jeśli tak, znasz już kilka typowych roztworów kwasowych. A jeśli w kuchni używałeś kiedyś sody oczyszczonej, a nawet białek jaj, znasz też przykładowe zasady${}^1$‍.

Być może zauważyłeś, że kwasowe rzeczy mają zazwyczaj kwaśny smak lub że niektóre podstawowe rzeczy, takie jak mydło lub wybielacz, są śliskie. Ale co to właściwie oznacza, że coś jest kwasowe lub zasadowe? Aby dać ci krótką odpowiedź:

Aby zobaczyć, skąd pochodzi ta definicja, przyjrzyjmy się właściwościom kwasowo-zasadowym samej wody.

Jony wodorowe są spontanicznie generowane w czystej wodzie w wyniku dysocjacji (jonizacji) niewielkiego odsetka cząsteczek wody. Proces ten nazywa się autodysocjacją wody:

${\text{H}}_2$‍$\text{O}$‍ $\text{(c)}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}^{+}$‍ $\text{(aq)}$‍ + ${\text{OH}}^{-}$‍ $\text{(aq)}$‍

Litery w nawiasach oznaczają, że woda jest cieczą (c), a jony znajdują się w roztworze wodnym (aq).

Jak przedstawiono w równaniu, w wyniku dysocjacji powstaje taka sama liczba jonów wodorowych (H${}^{+}$‍) i jonów wodorotlenkowych (OH${}^{-}$‍). Podczas gdy jony wodorotlenkowe mogą występować w roztworze po prostu jako jony wodorotlenkowe, jony wodorowe są przenoszone bezpośrednio na sąsiednią cząsteczkę wody z wytworzeniem jonów hydroniowych (H${}_3$‍O${}^{+}$‍). Tak więc tak naprawdę nie ma jonów H${}^{+}$‍ swobodnie unoszących się w wodzie. Jednak naukowcy wciąż odnoszą się do jonów wodorowych i ich stężenia tak, jakby występowały w tej formie, a nie w postaci jonu hydroniowego - jest to tylko skrót, którego używamy zgodnie z konwencją.

Więc ile cząsteczek wody w dzbanku wypełnionym wodą faktycznie dysocjuje? Stężenie jonów wodorowych wytwarzanych w wyniku dysocjacji w czystej wodzie wynosi 1 × 10${}^{-7}$‍ M (moli na litr wody).

Czy to dużo? Chociaż liczba jonów wodorowych w litrze czystej wody jest duża w stosunku do tego, z czym zwykle mamy styczność (biliardy), liczba wszystkich cząsteczek wody w litrze - zdysocjowanych i niezdysocjowanych - wynosi około 33 436 000 000 000 000 000 000 000 000${}^{2,3}$‍. (Teraz jest o czym myśleć przy następnej szklance wody!) Tak więc, zdysocjowane cząsteczki wody stanowią bardzo mały ułamek wszystkich cząsteczek w dowolnej objętości czystej wody.

Roztwory są klasyfikowane jako kwasowe lub zasadowe na podstawie ich stężenia jonów wodorowych w odniesieniu do czystej wody. Roztwory kwasowe mają wyższe stężenie H${}^{+}$‍ niż woda (wyższe niż 1 × 10${}^{-7}$‍ M), podczas gdy roztwory zasadowe (alkaliczne) mają niższe stężenie H${}^{+}$‍ (niższe niż 1 × 10${}^{-7}$‍ M). Zazwyczaj stężenie jonów wodorowych w roztworze wyraża się w skali pH. pH oblicza się jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych w roztworze:

Nawiasy kwadratowe wokół H${}^{+}$‍ oznaczają po prostu, że mówimy o ich stężeniu. Jeśli wstawisz stężenie jonów wodorowych w wodzie (1 × 10${}^{-7}$‍ M) do tego równania, otrzymasz wartość 7,0 znaną również jako neutralne pH. W ludzkim ciele zarówno krew, jak i cytozol (cytoplazma) wewnątrz komórek mają wartości pH zbliżone do neutralnych (obojętnych).

Stężenie H${}^{+}$‍ zmienia się z neutralnego (obojętnego), gdy kwas lub zasada są dodawane do roztworu wodnego. Najprościej mówiąc, kwas jest substancją, która zwiększa stężenie jonów wodorowych (H${}^{+}$‍) w roztworze, zwykle poprzez oddanie jednego ze swoich atomów wodoru na drodze dysocjacji. Natomiast zasada podnosi pH, dostarczając jon wodorotlenkowy (OH${}^{-}$‍) lub inny jon lub cząsteczkę, która wychwytuje jony wodorowe i usuwa je z roztworu. (Jest to uproszczona definicja kwasów i zasad, która dobrze sprawdza się w zagadnieniach biologii. Możesz odwiedzić sekcję chemii, aby poznać inne definicje kwasów i zasad.)

Im mocniejszy kwas, tym łatwiej dysocjuje, w wyniku czego powstają jony H${}^{+}$‍. Na przykład kwas chlorowodorowy (HCl) całkowicie dysocjuje w wodzie na jony wodorowe i chlorkowe, dlatego uważa się go za silny kwas. Z kolei kwasy w soku pomidorowym lub occie nie dysocjują całkowicie w wodzie i są uważane za słabe kwasy. Podobnie silne zasady, takie jak wodorotlenek sodu (NaOH), całkowicie dysocjują w wodzie, uwalniając jony wodorotlenkowe (lub inne rodzaje jonów), które mogą wiązać H${}^{+}$‍.

Skala pH służy do uszeregowania roztworów pod względem kwasowości lub zasadowości. Ponieważ skala oparta jest na wartościach pH, jest logarytmiczna, co oznacza, że zmiana o 1 jednostkę pH odpowiada dziesięciokrotnej zmianie stężenia jonów H${}^{+}$‍. Skali pH często używa się w zakresie od 0 do 14 i większość roztworów mieści się w tym zakresie, chociaż możliwe jest uzyskanie pH poniżej 0 lub powyżej 14. Wszystko poniżej pH 7,0 jest kwaśne, a wszystko powyżej pH 7,0 jest zasadowe (alkaliczne) .

pH wewnątrz komórek ludzkich (6,8) i pH krwi (7,4) są bardzo zbliżone do obojętnego. Ekstremalne wartości pH, powyżej lub poniżej 7,0, są zwykle uważane za niekorzystne dla życia. Jednak środowisko w twoim żołądku jest bardzo kwaśne, o pH od 1 do 2. Jak żołądek radzi sobie z tym problemem? Odpowiedź: komórki "jednorazowe"! Komórki żołądka, szczególnie te, które mają bezpośredni kontakt z kwasem żołądkowym i pokarmem, nieustannie umierają i zastępowane są nowymi. W rzeczywistości powierzchnia ludzkiego żołądka jest całkowicie wymieniana co około siedem do dziesięciu dni.

Większość organizmów, w tym ludzi, musi utrzymać pH w dość wąskim zakresie, aby przeżyć. Na przykład ludzka krew musi utrzymywać swoje pH na poziomie około 7,4 i unikać jego zmiany do znacznie wyższych lub niższych wartości - nawet jeśli kwasowe lub zasadowe substancje dostaną się do krwioobiegu lub opuszczą go.

Bufory, roztwory odporne na zmiany pH, są kluczowe dla utrzymania stabilnego stężenia jonów H${}^{+}$‍ w układach biologicznych. Kiedy jest zbyt wiele jonów H${}^{+}$‍, bufor zwiąże część z nich, przywracając odpowiednie pH; a gdy jest ich za mało, bufor przekaże niektóre własne jony H${}^{+}$‍ w celu obniżenia pH. Bufory zazwyczaj składają się z pary kwas-zasada, przy czym kwas i zasada różnią się obecnością lub nieobecnością protonu (sprzężona para kwas-zasada).

Na przykład jeden z buforów utrzymujących pH ludzkiej krwi obejmuje kwas węglowy (H${}_2$‍CO${}_3$‍) i jego sprzężoną zasadę, jon wodorowęglanowy (HCO${}_3$‍${}^{-}$‍). Kwas węglowy powstaje, gdy dwutlenek węgla dostaje się do krwiobiegu i miesza się z wodą, i jest główną formą, w której dwutlenek węgla przemieszcza się we krwi między mięśniami (tam, gdzie jest wytwarzany) i płucami (gdzie jest przekształcany z powrotem w wodę i CO${}_2$‍, który jest uwalniany jako produkt uboczny).

Jeśli nagromadzi się zbyt wiele jonów H${}^{+}$‍, powyższe równanie zostanie przesunięte w prawo, a jony wodorowęglanowe zwiążą H${}^{+}$‍, tworząc kwas węglowy. Podobnie, jeśli stężenie H${}^{+}$‍ spadnie zbyt nisko, równanie zostanie przesunięte w lewo, a kwas węglowy zamieni się w wodorowęglan, przekazując jony H${}^{+}$‍ do roztworu. Bez tego systemu buforowego, pH ciała zmieniałoby się na tyle, by zagrozić przetrwaniu.