Исключительно важную роль в биологических процессах играет вода, являющаяся обязательной составной частью (от 58 до 97%) всех клеток и тканей человека, животных, растений и простейших организмов Вода- это среда, в которой протекают самые разнообразные биохимические процессы.
Вода обладает хорошей растворяющей способностью и вызывает электролитическую диссоциацию многих растворенных в ней веществ.
Процесс диссоциации воды согласно теории Бренстеда протекает по уравнению:
Н 2 0+Н 2 0 Н 3 О + + ОН - ; ΔН дис = +56,5 КДж/моль
Т.е. одна молекула воды отдает, а другая - присоединяет протон, происходит автоионизация воды:
Н 2 0 Н + + ОН - - реакция депротонирования
Н 2 0 + Н + Н 3 О + - реакция протонирования
Константа диссоциации водыпри 298°К, определенная методом электрической проводимости равна:
а(Н +) - активность ионов Н + (для краткости вместо НзО + пишут Н +);
а(ОН -) - активность ионов ОН - ;
а(Н 2 0)- активность воды;
Степень диссоциации воды очень мала, поэтому активность водород - и гидроксид - ионов в чистой воде практически равны их концентрациям. Концентрация воды является постоянной величиной и равна 55,6 моль.
(1000г: 18г/моль= 55,6 моль)
Подставляя в выражение для константы диссоциации Кд(Н 2 0) это значение, а вместо активностей водород - и гидроксид - ионов их концентрации, получают новое выражение:
К(Н 2 0)=С(Н +)×С(ОН -)=10 -14 мол 2 /л 2 при 298К,
Более точно К(Н 2 0)= а(Н +)×а(ОН -)= 10 -14 моль 2 л 2 -
К(Н 2 0) называют ионным произведением воды или константой автоионизации.
В чистой воде или любом водном растворе при постоянной температуре произведение концентраций (активностей) водород - и гидроксид - ионов есть величина постоянная, называемая ионным произведением воды.
Константа К(Н 2 0) зависит от температуры. При повышении температуры она увеличивается, т.к. процесс диссоциации воды - эндотермический. В чистой воде или водных растворах разных веществ при 298К активности (концентрации) водород - и гидроксид - ионов будут составлять:
а(Н +)=а(ОН -)=К(Н 2 0) = 10 -14 =10 -7 моль/л.
В кислых или щелочных растворах эти концентрации уже не будут равны друг другу, но изменяться будут сопряжено: при увеличении одной из них соответственно будет уменьшаться другая и наоборот, например,
а(Н +)=10 -4 , а(ОН -)=10 -10 , их произведение всегда составляет 10 -14
Водородный показатель
Качественно реакцию среды выражают через активность водородных ионов. На практике пользуются не этой величиной, а водородным показателем рН - величиной, численно равной отрицательному десятичному логарифму активности (концентрации) водородных ионов, выраженной в моль/л.
рН= - lga (H + ),
а для разбавленных растворов
рН= - lgC (H + ).
Для чистой воды и нейтральных сред при 298К рН=7; для кислых растворов рН<7, а для щелочных рН>7.
Реакцию среды можно охарактеризовать и гидроксильным показателем:
рОН= - lga (OH - )
или приближенно
рОН= - Ig С(О H - ).
Соответственно в нейтральной среде рОН=рН=7; в кислой среде рОН>7, а в щелочной рОН<7.
Если взять отрицательный десятичный логарифм выражения ионного произведения воды, получим:
рН + рОН=14.
Следовательно, рН и рОН также являются сопряженными величинами. Их сумма для разбавленных водных растворов всегда равна 14. Зная рН, легко вычислить рОН:
рН=14 – рОН
и наоборот:
р OH = 14 - рН.
В растворах различают активную, потенциальную (резервную) и общую кислотность.
Активная кислотность измеряется активностью (концентрацией) водород-ионов в растворе и определяет рН раствора. В растворах сильных кислот и оснований рН зависит от концентрации кислотыили основания, и активность ионов Н + и ОН - может быть рассчитана по формулам:
а(Н + )= C(l/z кислота)×α каж.; рН= - lg а(Н + )
a(ОН - )=C(l/z основание)×α каж.; рН= - lg а(ОН - )
рН= - lgC(l/z кислота) – для предельно разбавленных растворов сильных кислот
рОН= - lgC(l/z основание) - для предельно разбавленных растворов оснований
Потенциальная кислотность измеряется количеством водород-ионов, связанных в молекулахкислоты, т.е. представляет собой «запас» недиссоциированных молекул кислоты.
Общая кислотность - сумма активной и потенциальной кислотностей, которая определяется аналитической концентрацией кислоты и устанавливается титрованием
Одним из удивительных свойств живых организмов является кислотно-основной
гомеостаз - постоянство рН биологических жидкостей, тканей и организмов. В таблице 1 представлены значения рН некоторых биологических объектов.
Таблица 1
Из данных таблицы видно, что рН различных жидкостей в организме человека изменяется в довольно широких пределах в зависимости от местонахождения. КРОВЬ, как и другие биологические жидкости, стремится сохранить постоянное значение водородного показателя, значения которого представлены в таблице 2
Таблица 2
Изменения рН от указанных величин всего на 0,3 в сторону увеличения или уменьшения приводит к изменению обмена ферментативных процессов, что у человека вызывает тяжелое болезненное состояние. Изменение рН всего на 0,4 уже несовместимо с жизнью. Исследователи установили, что в регуляции кислотно-щелочного равновесия участвуют следующие буферные системы крови: гемоглобиновая, бикарбонатная, белковая и фосфатная. Доля каждой системы в буферной емкости представлена в таблице 3.
Таблица 3
Все буферные системы организма по механизму действия едины, т.к. состоят они из слабой кислоты: угольной, дигидрофосфорной (дигидрофосфат-ион), белковой, гемоглабиновый (оксогемоглобиновой) и солей этих кислот, в основном натриевых, обладающих свойствами слабых оснований. Но так как по быстроте ответной реакции бикарбонатная система в организме не имеет себе равных, то способность сохранять постоянство среды в организме рассмотрим с помощью этой системы.
Очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает некоторой измеримой электропроводностью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на водородныеи гидроксильные ионы:
H2O ⇄ H + OH’
По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и ионов гидроксила в воде. Она оказывается равной 10 -7 г -ион /л.
Применяя к диссоциации воды закон действия масс, можно написать:
Перепишем это уравнение следующим образом:
[ОН’] = [Н 2 O] K
Так как воды очень мала, концентрацию недиссоциированных молекул Н 2 О не только в воде, но и во всяком разбавленном водном растворе можно считать величиной постоянной. Поэтому, заменив [Н 2 O] K новой константой КН 2 О, будем иметь:
[Н] [ОН’] = К H2O
Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций водородных и гидроксильных ионов есть величина постоянная. Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Численное значение ее нетрудно получить, подставив в последнее уравнение концентрации водородных и гидроксильных ионов
К H2O = 10 -7 10 -7 = 10 -14
Растворы, в которых концентрация водородных и концентрация гидроксильных ионов одинаковы и равны каждая 10 —7 г-ион/л, называются нейтральными растворами. В кислых растворах больше концентрация водородных ионов, в щелочных - концентрация гидроксильных ионов. Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций H и ОН’-ионов должно оставаться постоянным.
Если, например, к чистой воде прибавить столько кислоты, чтобы концентрация водородных ионов повысилась до 10 -3 , концентрация гидроксильных ионов должна будет понизиться так, чтобы произведение [Н ] [ОН’] осталось равным 10 -14 . Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксильных ионов будет:
10 -14: 10 -3 = 10 -11
Наоборот, если прибавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксильных ионов, например, до 10 -5 , концентрация водородных ионов станет равна:
10 -14: 10 -5 = 10 -9
Вы читаете, статья на тему Диссоциация воды
Чистая вода плохо проводит электрический ток, но всё же обладает измеримой электропроводностью, которая объясняется частичной диссоциацией молекул Н 2 О на ионы водорода и гидроксид-ионы:
Н 2 О Н + + ОН –
По величине электропроводности чистой воды можно вычислить концентрацию в ней ионов Н + и ОН – . При 25 о С она равна 10 –7 моль/л.
Константа диссоциации Н 2 О рассчитывается следующим образом:
Перепишем это уравнение:
Следует подчеркнуть, что данная формула содержит равновесные концентрации молекул Н 2 О, ионов Н + и ОН – , которые установились на момент наступления равновесия в реакции диссоциации Н 2 О.
Но, поскольку степень диссоциации Н 2 О очень мала, можно считать, что концентрация недиссоциированных молекул Н 2 О в момент наступления равновесия практически равна общей начальной концентрации воды, т.е. 55,56 моль/дм 3 (1 дм 3 Н 2 О содержит 1000 г Н 2 О или 1000: 18 ≈ 55,56 (молей). В разбавленных водных растворах можно считать, что концентрация Н 2 О будет такой же. Поэтому, заменив в уравнении (42) произведение двух постоянных величин новой константой (или K W ), будем иметь:
Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение молярных концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная. Она называется иначе ионным произведением воды .
В чистой воде при 25 о С .
Поэтому для указанной температуры:
При увеличении температуры значении возрастает. При 100 о С оно достигает 5,5 ∙ 10 –13 (рис. 34).
Рис. 34. Зависимость константы диссоциации воды K w
от температуры t(°С)
Растворы, в которых концентрации ионов Н + и ОН – одинаковы, называются нейтральными растворами . В кислых растворах больше содержится ионов водорода, а в щелочных – гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция среды в растворе, произведение молярных концентраций ионов Н + и ОН – останется постоянным.
Если, например, к чистой Н 2 О добавить некоторое количество кислоты и концентрация ионов Н + при этом увеличится до 10 -4 моль/дм 3 , то концентрация ионов ОН – , соответственно, понизится так, что произведение останется равным 10 -14 . Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет равна 10 -14: 10 -4 = 10 -10 моль/дм 3 . Этот пример показывает, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому реакцию раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов Н + :
нейтральный раствор ®
кислый раствор ®
щелочной раствор ®
На практике для количественной характеристики кислотности или щёлочности раствора используют не молярную концентрацию в нём ионов Н + , а её отрицательный десятичный логарифм. Эта величина называется водородным показателем и обозначается через рН :
рН = –lg
Например, если , то рН = 2; если , то рН = 10. В нейтральном растворе рН = 7. В кислых растворах рН < 7 (и тем меньше, чем «кислее» раствор, т.е., чем больше в нём концентрация ионов Н +). В щёлочных растворах рН > 7 (и тем больше, чем «щелочнее» раствор, т.е., чем меньше в нём концентрация ионов Н +).
Для измерения рН раствора существуют различные методы. Очень удобно приблизительно оценивать реакцию раствора с помощью специальных реактивов, называемых кислотно-основными индикаторами . Окраска этих веществ в растворе меняется в зависимости от концентрации в нём ионов Н + . Характеристика некоторых наиболее распространённых индикаторов представлена в таблице 12.
Таблица 12. Важнейшие кислотно-основные индикаторы
Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электрической проводимостью, которая объясняется небольшой диссоциацией воды на ионы водорода и гидроксид-ионы:
По величине электрической проводимости чистой воды можно вычислить концентрацию ионов водорода и гидроксид-ионов в воде. При она равна моль/л.
Напишем выражение для константы диссоциации воды:
Перепишем это уравнение следующим образом:
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул в воде практически равно общей концентрации воды, т. е. 55,55 моль/л (1 л. содержит 1000 г. воды, т. е. моль). В разбавленных водных растворах концентрацию зоды можно считать такой же. Поэтому, заменив в последнем уравнении произведение новой константой будем иметь:
Полученное уравнение показывает, что для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентрата ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная, Эта постоянная величина называется ионным произведением воды. Численное значение ее нетрудно получить, подставив в последнее уравнение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов. В чистой воде при моль/л. Поэтому для указанной температуры:
Растворы, в которых концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. При , как уже сказано, в нейтральных растворах концентрация как ионов водорода, так и гидроксид-ионов равна моль/л. В кислых растзорах больше концентрация ионов водорода, в щелочных - концентрация гидроксид-ионов. Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов остается постоянным.
Если, например, к чистой воде добавить столько кислоты, чтобы концентрация ионов водорода повысилась до моль/л, то концентрация гидроксид-ионов понизится так, что произведение останется равным . Следовательно, в этом растворе концентрация гидроксид-ионов будет:
Наоборот, если добавить к воде щелочи и тем повысить концентрацию гидроксид-ионов, например, до моль/л, то концентрация ионов водорода составит:
Эти примеры показывают, что если концентрация ионов водорода в водном растворе известна, то тем самым определена и концентрация гидроксид-ионов. Поэтому как степень кислотности, так и степень щелочности раствора можно количественно охарактеризовать концентрацией ионов водорода:
Кислотность или щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Последняя величина называется водородным показателем и обозначается через :
Например, если моль/л, то ; если моль/л, то и т. д. Отсюда ясно, что в нейтральном растворе ( моль/л) . В кислых растворах и тем меньше, чем кислее раствор. Наоборот, в щелочных растворах и тем больше, чем больше щелочность раствора.
Чистая вода, хоть и плохо (по сравнению с растворами электролитов), но может проводить электрический ток. Это вызвано способностью молекулы воды распадаться (диссоциировать) на два иона которые и являются проводниками электрического тока в чистой воде (ниже под диссоциацией подразумевается электролитическая диссоциация - распад на ионы):
Водородный показатель (рН) величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в растворах. Водородный показатель обозначается рН. Водородный показатель численно равен отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр: pH=-lg[ H+ ] Если [ H+ ]>10-7моль/л, [ OH-]<10-7моль/л -среда кислая; рН<7.Если [ H+ ]<10-7 моль/л, [ OH-]>10-7моль/л -среда щелочная; рН>7. Гидролиз солей - это химическое взаимодействие ионов соли с ионами воды, приводящее к образованию слабого электролита. 1). Гидролиз не возможенСоль, образованная сильным основанием и сильной кислотой (KBr , NaCl , NaNO3 ), гидролизу подвергаться не будет, так как в этом случае слабый электролит не образуется.рН таких растворов = 7. Реакция среды остается нейтральной. 2). Гидролиз по катиону (в реакцию с водой вступает только катион). В соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой
(FeCl2 , NH4Cl , Al2(SO4)3 ,MgSO4 )
гидролизу подвергается катион:
FeCl2 + HOH <=>Fe(OH)Cl + HCl Fe2+ + 2Cl- + H+ + OH- <=> FeOH+ + 2Cl- + Н+
В результате гидролиза образуется слабый электролит, ион H+ и другие ионы. рН раствора < 7 (раствор приобретает кислую реакцию). 3). Гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион). Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой
(КClO , K2SiO3 , Na2CO3 ,CH3COONa )
подвергается гидролизу по аниону, в результате чего образуется слабый электролит, гидроксид-ион ОН- и другие ионы.
K2SiO3 + НОH <=>KHSiO3 + KОН 2K+ +SiO32- + Н+ + ОH-<=> НSiO3- + 2K+ + ОН-
рН таких растворов > 7 (раствор приобретает щелочную реакцию).4). Совместный гидролиз (в реакцию с водой вступает и катион и анион). Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой
(СН 3СООNН 4 , (NН 4)2СО 3 , Al2S3 ),
гидролизуется и по катиону, и по аниону. В результате образуются малодиссоциирующие основание и кислота. рН растворов таких солей зависит от относительной силы кислоты и основания. Мерой силы кислоты и основания является константа диссоциации соответствующего реактива. Реакция среды этих растворов может быть нейтральной, слабокислой или слабощелочной:
Al2S3 + 6H2O =>2Al(OH)3v+ 3H2S^
Гидролиз - процесс обратимый. Гидролиз протекает необратимо, если в результате реакции образуется нерастворимое основание и (или) летучая кислота
