Кислоты и основания

Некоторые вещества, называемые кислотами, выделяют ионы водорода - по сути, протоны - при растворении в воде. Другие вещества, называемые основаниями, принимают протоны, когда они находятся в растворе с водой. Протоны обладают высокой реакционной способностью и могут вызвать повреждение органических веществ. В целом, концентрация протонов в водной среде оказывает большое влияние на организмы и должна жестко регулироваться.

В этом разделе будут рассмотрены кислоты, основания и шкала pH.

Кислоты

Когда кислоты растворяются в воде, они ионизируются и высвобождают ионы H⁺ (протоны). Сильная кислота, например, соляная кислота (HCl), полностью диссоциирует на ионы H⁺ и Cl⁻. Слабая кислота, например, уксусная кислота (CH₃COOH), напротив, диссоциирует не полностью, поскольку значительная часть исходной молекулы не будет ионизирована. Чем выше концентрация H⁺, тем выше кислотность.

Основания

Если кислоты являются донорами H⁺, то основания, по сути, являются акцепторами H⁺. В растворе такое сильное основание, как гидроксид натрия (NaOH), полностью диссоциирует на ионы Na⁺ и OH⁻. Образующиеся ионы OH⁻ (гидроксид) соединяются с протонами и образуют молекулы воды. Аммиак (NH₃) - еще одно основание, которое принимает протоны с образованием аммония (NH₄⁺). Это слабое основание, поскольку только определенный процент молекул аммиака в растворе принимает протоны. Чем выше способность принимать H⁺, тем сильнее основание.

Шкала pH

Кислотность или основность раствора измеряется по шкале pH, которая варьируется от 0 до 14. Наибольшая кислотность достигается при pH 0, а растворы с меньшей кислотностью имеют более высокие значения pH. Нейтральный раствор, например, чистая вода, имеет pH 7, а более высокие значения pH указывают на основность, которая достигает максимума при pH 14. На рисунке показаны некоторые примеры растворов с их диапазоном pH. Шкала pH основана на концентрации ионов H⁺ и является логарифмической, поэтому, скажем, при pH 4 концентрация H⁺ в 10 раз выше, чем при pH 5.

Буферные системы

Поскольку изменения концентрации протонов могут иметь большое биохимическое воздействие, организмы используют буферы для поддержания постоянного уровня pH. Буферные системы обычно состоят из слабой кислоты и соответствующего ей (сопряженного) основания. pH крови человека (7,4) регулируется изображенной здесь бикарбонатной буферной системой, состоящей из угольной кислоты и ее сопряженного основания бикарбонита. Дополнительные протоны поглощаются в результате смещения баланса реакций в сторону угольной кислоты и образования углекислого газа и воды, что предотвращает изменение pH.