Acizi, baze, pH și soluții 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 de ouă la gătit, atunci ești familiarizat și cu câteva baze${}^1$‍.

S-ar putea să fi observat că lucrurile acide tind să fie amare sau că unele lucruri bazice, 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 disocierea (ionizarea) unui procent mic de molecule de apă. Acest proces se numește autoionizarea apei:

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

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${}^{+}$‍) și de ioni de hidroxid (OH${}^{-}$‍). 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 învecinată pentru a forma ioni de hidroniu (H${}_3$‍O${}^{+}$‍). Deci, nu există cu adevărat ioni H${}^{+}$‍ care să plutească liberi în apă. Totuși, oamenii de știință vorbesc despre ionii de hidrogen și concentrația lor ca și cum ar pluti liberi, nu în forma de hidroniu — aceasta este doar o prescurtare utilizată prin convenție.

Deci, câte molecule de apă dintr-un urcior de apă chiar se vor separa? Concentrația ionilor de hidrogen, produși de separare în apa pură este de 1 × 10${}^{-7}$‍ 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 — disociate și nedisociate — este de aproximativ 33 460 000 000 000 000 000 000 000${}^{2,3}$‍. (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${}^{+}$‍ mai mare decât apa (mai mare decât 1 × 10${}^{-7}$‍ M), în timp ce soluțiile bazice (alcaline) au concentrația de H${}^{+}$‍ mai mică (mai mică decât 1 × 10${}^{-7}$‍ M). De obicei, concentrația ionilor de hidrogen a unei soluții este exprimată de pH. pH-ul se calculează ca logaritmul negativ al concentrației ionilor de hidrogen ai soluției:

Parantezele pătrate din jurul H${}^{+}$‍ înseamnă că ne referim la concentrația sa. Dacă introduci concentrația ionilor de hidrogen din apă (1 × 10${}^{-7}$‍ 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${}^{+}$‍ se schimbă atunci când se adaugă un acid sau o bază într-o soluție apoasă (pe bază de apă). În ce ne privește, un acid este o substanță care crește concentrația ionilor de hidrogen (H${}^{+}$‍) într-o soluție, de obicei prin cedarea unuia dintre atomii săi de hidrogen prin disociere. O bază, din contră, ridică pH-ul prin producerea hidroxidului (OH${}^{-}$‍) sau a altor ioni sau molecule care preiau ionii de hidrogen și îi elimină din soluție. (Aceasta este o definiție simplificată a acizilor și a bazelor care funcționează în 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 disociază ca să producă H${}^{+}$‍. De exemplu, acidul clorhidric (HCl) se disociază 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 disociază complet în apă și sunt considerați acizi slabi. Asemănător, bazele tari ca hidroxidul de sodiu (NaOH) se disociază complet în apă, eliberând ioni de hidroxid (sau alte tipuri de ioni elementari) care pot absorbi H${}^{+}$‍.

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 de H${}^{+}$‍. Se zice adesea că scara pH variază 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 sub 7,0 este acid și orice pese 7,0 este alcalin sau bazic.

pH-ul din interiorul celulelor umane (6,8) și pH-ul sanguin (7,4) sunt ambele foarte apropiate de cel neutru. Valorile extreme ale pH-ului, fie peste, fie sub 7,0, sunt de obicei considerate ca fiind nefavorabile pentru viață. Totuși, mediul din interiorul stomacului este foarte acid, cu un pH între 1 și 2. Cum rezolvă stomacul 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 sau să scadă semnificativ — 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${}^{+}$‍, în sistemele biologice. Când sunt prea mulți ioni de H${}^{+}$‍, o soluție tampon va absorbi câțiva din ei, aducând pH-ul la valoarea normală; când sunt prea puțini, o soluție tampon va dona câțiva din ionii săi de H${}^{+}$‍ pentru a reduce pH-ul. Soluțiile tampon constau, în mod normal, dintr-o pereche acid-bază, 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${}_2$‍CO${}_3$‍) și baza lui conjugată, ionul de bicarbonat (HCO${}_3$‍${}^{-}$‍). Acidul carbonic se formează atunci când dioxidul de carbon intră în fluxul sanguin și se amestecă cu apa; 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${}_2$‍, care este eliberat ca reziduu).

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