Acizi, baze, pH şi substanțe-tampon

Chiar dacă nu ai fost niciodată într-un laborator de chimie, sunt sanșe să știi câte ceva despre acizi și baze. De exemplu, ai băut vreodată suc de portocale sau cola? Dacă da, știi deja câteva soluții acide comune. Și dacă ai folosit vreodată bicarbonat de sodiu, sau chiar albușul ouălor în gătit, atunci ești familiarizat și cu câteva baze.

S-ar putea să fi observat că lucrurile acide tind să fie amare, sau că alte lucruri de bază, precum săpunul sau înălbitorul tind să fie alunecoase. Dar ce înseamnă cu adevărat ca o substanță să aibă caracter acid sau bazic? Să-ți dăm răspunsul scurt:

Pentru a vedea de unde vine această definiție, haide să ne uităm la proprietățile acid-bazice chiar ale apei.

Ionii de hidrogen sunt generați spontan în apa pură, prin separarea (ionizarea) unui procent mic de molecule de apă. Acest proces se numește autoionizarea apei:

$\text{H}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text $\text{(l)}$start text, left parenthesis, l, right parenthesis, end text $\rightleftharpoons$\rightleftharpoons $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text + $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text

Literele din paranteze înseamnă că apa este lichidă (I) și că ionii sunt într-o soluție apoasă (pe bază de apă) (aq).

Așa cum este reprezentat în ecuație, separarea produce numere egale de ioni de hidrogen (H$^+$start superscript, plus, end superscript) și de ioni de hidroxid (OH$^-$start superscript, minus, end superscript). În timp ce ionii de hidroxid pot pluti în soluții, sub formă de ioni de hidroxid, ionii de hidrogen sunt transferați direct într-o moleculă de apă vecină pentru a forma ioni de hidroniu (H$_3$start subscript, 3, end subscriptO$^+$start superscript, plus, end superscript). Deci, nu există cu adevărat ioni H$^+$start superscript, plus, end superscript care să plutească liberi în apă. Totuși, oamenii de știință se referă la ionii de hidrogen și la concentrația lor ca și cum ei ar pluti liberi, nu în hidroniu- aceasta este doar o prescurtare utilizată prin convenție.

Deci, câte molecule de apă dintr-un ulcior de apă chiar se vor separa? Concentrația ionilor de hidrogen, produși de separare în apa pură este de 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M (moli per litru)

Este acesta mult sau puțin? Cu toate că numărul de ioni de hidrogen dintr-un litru de apă pură este mare la nivelul la care gândim noi de obicei( în cvadralioane), numărul total de molecule de apă dintr-un litru- neseparate sau separate- este de aproximativ 33,460,000,000,000,000,000,000,000$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript (Asta este ceva la care să te gândești când bei următorul pahar de apă!). Deci, moleculele de apă autoionizate sunt o fracțiune foarte mică din totalul moleculelor din orice volum de apă pură.

Soluțiile sunt clasificate ca fiind acizi sau baze, în funcție de concentrația relativă a ionilor de hidrogen față de apa pură. Soluțiile acide au o concentrație de H$^+$start superscript, plus, end superscript mai mare decât apa (mai mare ca 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M), în timp ce soluțiile bazice (alcaline) au concentrația de H$^+$start superscript, plus, end superscript mai mică (mai mică decât 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M). De obicei, concentrația ionilor de hidrogen a unei soluții este exprimată de pH. pH se calculează ca logaritmul negativ al concentrației ionilor de hidrogen ai soluției:

Parantezele pătrate din jurul H$^+$start superscript, plus, end superscript înseamnă că ne referim la concentrația sa. Dacă adaugi concentrația ionului de hidrogen al apei (1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M), în această ecuație, vei obține o valoare de 7.0, care este cunoscută ca ph neutru. În corpul uman, atât sângele, cât și citosolul (o substanță apoasă) din interiorul celulelor au valori pH aproape neutre.

Concentrația H$^+$start superscript, plus, end superscript se schimbă atunci când se adaugă un acid sau o bază într-o soluție apoasă (pe bază de apă). Pentru cunoștințele noastre, un acid este o substanță care crește concentrația ionilor de hidrogen (H$^+$start superscript, plus, end superscript) într-o soluție, de obicei prin cedarea unuia din atomii lui de hidrogen prin separare. O bază, din contră, ridică pH-ul prin producerea hidroxidului (OH$^-$start superscript, minus, end superscript) sau a altor ioni sau molecule care separă ionii de hidrogen și îi elimină din soluție. (Aceasta este o definiție simplificată a acizilor și a bazelor, care ajută la biologie. S-ar putea să vrei să vizitezi secțiunea de chimie ca să vezi alte definiții pentru acizi-baze.)

Cu cât acidul este mai tare, cu atât mai ușor se separă ca să producă H$^+$start superscript, plus, end superscript. De exemplu, acidul clorhidric (HCl) se separă complet în ioni de hidrogen și clor când e plasat în apă, așa că, este considerat un acid tare. Acizii din sucul de roșii sau oțet, pe de altă parte, nu se separă complet în apă și sunt considerați acizi slabi. Asemănător, bazele tari ca hidroxidul de sodiu (NaOH) se separă complet în apă, eliberând ioni de hidroxid (sau alte tipuri de ioni elementari) care pot absoarbe H$^+$start superscript, plus, end superscript.

Scara ph este folosită pentru a clasifica substanțele în funcție de aciditate sau bazicitate (alcalinitate). Fiindcă scara este bazată pe valori pH, este logaritmică, însemnând că o modificare de 1 unitate pH corespunde unei modificări înzecite a concentrației de ioni H$^+$start superscript, plus, end superscript. Scara pH variază de obicei între 0 și 14, și cele mai multe soluții se încadrează în acest interval, chiar dacă e posibil să se atingă un pH sub 0 sau peste 14. Orice mai puțin decât 7.0 este acid, și orice pese 7.0 este alcalin sau bazic.

pH-ul din interiorul celulele umane (6.8) și pH-ul sanguin (7.4) sunt ambele foarte apropiate de cel neutru. Valorile pH-ului extrem, fie deasupra sau sub 7.0, sunt de obicei considerate ca fiind nefavorabile pentru viață. Totuși, mediul din interiorul stomacului este foarte acid, cu un pH de la 1 până la 2. Cum se descurcă stomacul cu această problemă? Răspunsul: celule de unică folosință! Celulele stomacului, în special cele care intră în contact direct cu acidului stomacal sau cu mâncarea, mor încontinuu și sunt înlocuite de altele noi. De fapt, căptușeala stomacului uman este înlocuită complet la fiecare 7, până la 10 zile.

Majoritatea organismelor, inclusiv oamenii, trebuie să mențină un pH într-un interval destul de restrâns pentru a supraviețui. De exemplu, sângele uman trebuie să-și mențină pH-ul în jurul valorii de 7.4 și să evite să crească mult sau să descrească- chiar dacă substanțele acide sau bazice intră sau părăsesc fluxul sanguin.

Soluțiile tampon, soluții care pot rezista modificărilor din pH, sunt cheia pentru a menține o concentrație stabilă a ionilor de H$^+$start superscript, plus, end superscript, în sistemele biologice. Când sunt prea mulți ioni de H$^+$start superscript, plus, end superscript, o soluție tampon va absoarbe câțiva din ei, aducând pH-ul la valoarea normală; când sunt prea puțini, o soluție tampon va dona câțiva din ionii săi de H$^+$start superscript, plus, end superscript pentru a reduce pH-ul. Soluțiile tampon constau, în mod normal, dintr-o pereche acid-bazică, cu acidul și baza fiind diferiți prin prezența sau absența unui proton. (o pereche conjugată acid-bază)

De exemplu, una din soluțiile tampon care mențin pH-ul sângelui uman implică acid carbonic (H$_2$start subscript, 2, end subscriptCO$_3$start subscript, 3, end subscript) și baza lui conjugată, ionul de bicarbonat (HCO$_3$start subscript, 3, end subscript$^-$start superscript, minus, end superscript). Acidul carbonic este format atunci când dioxidul de carbon intră în fluxul sanguin și se amestecă cu apa, și este forma principală în care dioxidul de carbon este transportat în sângele dintre mușchi (unde este produs) și plămâni (unde este transformat în apă și CO$_2$start subscript, 2, end subscript, care este eliberat ca un reziduu)

Dacă se acumulează prea mulți ioni de H$^+$start superscript, plus, end superscript, ecuația de deasupra va fi împinsă spre dreapta și ionii de bicarbonat o să absoarbă H$^+$start superscript, plus, end superscript pentru a forma acid carbonic. Asemănător, când concentrația de H$^+$start superscript, plus, end superscript scade prea mult, ecuația va fi împinsă spre stânga și acidul carbonic se va transforma în bicarbonat, cedând ioni de H$^+$start superscript, plus, end superscript soluției. Fără acest sistem al soluțiilor tampon, pH-ul corpului uman ar fluctua destul cât să pună supraviețuirea în pericol.