storinka.click
Вода как электролит. Водородный показатель (pH)
Материал параграфа поможет вам:
характеризовать электролитическую диссоциацию воды;
выяснить, что такое водородный показатель (pH); определять приблизительные значения pH растворов с помощью универсального индикатора.
Вода как электролит. Результаты опытов свидетельствуют о том, что чистая вода (например, дистиллированная, в которой нет растворенных электролитов) имеет незначительную электропроводность. Это обусловлено наличием в воде очень малых количеств ионов Н + и ОН“. Такие ионы образуются вследствие разрыва одной из полярных ковалентных связей в молекуле Н20 (§ 2). Следовательно, вода —
электролит. Она диссоциирует согласно уравнению
Вода является очень слабым электролитом. При температуре 25 °С лишь одна ее молекула из каждых 555 миллионов молекул распадается на ионы. Степень электролитической диссоциации воды равна
Вычислим количество вещества катионов Гидрогена в 1 л чистой воды. Для этого сначала определяем количество вещества воды в 1 л (или в 1000 г):
Теперь воспользуемся одной из формул для степени диссоциации электролита (§ 8):
Таким образом, в 1 л воды содержится 10“ 7 моль ионов Н + . Другими словами, молярная концентрация катионов Гидрогена в воде составляет 10 _7 моль/л. Так как молекула воды диссоциирует на один ион Н + и один ион ОН“, то молярная концентрация гидроксид-ионов также равна 10“ 7 моль/л.
Молярную концентрацию обозначают латинской буквой с.
Водородный показатель. Если значение молярной концентрации катионов Гидрогена записать в таком виде:
то число т является водородным показателем. Его сокращенное обозначение — pH (читается «пэ-аш»).
Поскольку в чистой воде с(Н + ) = 10“ 7 моль/л, то pH воды равен 7. Для воды и любого водного раствора с таким значением pH используют термин «нейтральная среда».
В растворе кислоты содержится больше катионов Гидрогена, чем в воде, т. е. с(Н + ) > > 10“ 7 моль/л. Значения молярной концентрации ионов Н + в растворах кислот могут составлять, например, 1(Г 6 ; 1(Г 4 ; ПГ 1 моль/л. Им отвечают значения pH 6, 4, 1.
Растворы щелочей содержат меньше катионов Гидрогена, чем чистая вода, но больше ионов ОН“. Возможными для таких растворов являются, например, значения молярной концентрации ионов Н + 10 -8 ; Ю“ 10 ; 10“ 13 моль/л. Соответствующие значения pH: 8, 10, 13.
Таким образом, для растворов кислот pH 7. Термины, используемые для характеристики таких растворов, — «кислая среда», «щелочная среда».
Экспериментальное определение pH растворов. В 7 и 8 классах вы определяли наличие кислоты или щелочи в растворе с помощью индикаторов — лакмуса, фенолфталеина, метилоранжа, а также универсальной индикаторной бумаги. В отличие от первых трех индикаторов универсальный индикатор позволяет определить приблизительное значение pH раствора (рис. 25).
Полоски универсальной индикаторной бумаги со шкалой pH на упаковке
Каким должен быть цвет универсальной индикаторной бумаги в чистой воде? Какую окраску может приобретать этот индикатор в растворах кислот, щелочей?
ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 1 Обнаружение ионов Гидрогена и гидроксид-ионов в растворе. Определение приблизительного значения pH воды, щелочных и кислых растворов с помощью универсального индикатора
Вам выдан штатив с пробирками, в которых находятся вода (водопроводная или дистиллированная), разбавленные хлоридная кислота и раствор натрий гидроксида, а также растворы уксусной кислоты, хозяйственного мыла.
В вашем распоряжении — полоски универсальной индикаторной бумаги, шкала pH, стеклянная палочка, стакан с водой, небольшие листы фильтровальной бумаги.
Для определения значения pH каждой жидкости погрузите в нее стеклянную палочку и нанесите с ее помощью каплю жидкости на полоску универсальной индикаторной бумаги. Сравните цвет индикатора после действия на него исследуемой жидкости с цветной шкалой pH и запишите значение водородного показателя этой жидкости.
Перед определением pH другой жидкости промойте стеклянную палочку водой и вытрите ее фильтровальной бумагой.
Результаты опыта запишите в таблицу:
В химических лабораториях для измерения pH используют приборы — pH-метры (рис. 26). Они дают возможность определить водородный показатель с точностью до 0,01.
На кислую, щелочную или нейтральную среду указывает значение pH на экране прибора (рис. 26)?
Значения водородного показателя для большинства растворов, встречающихся в природе, меньше 7 или почти равны этому числу (табл. 1).
Средние значения водородного показателя для некоторых жидкостей
Существенное отклонение значений pH некоторых биологических жидкостей в организме человека от значений, приведенных в таблице, вызывает заболевание или является его результатом. Людям с повышенной кислот-
ностью желудочного сока рекомендуют пить минеральную воду с меньшей концентрацией ионов Н + (т. е. с более высоким pH), а людям с пониженной кислотностью — «более кислую» воду (с низшим pH). Многие жидкие косметические средства имеют pH = 5,5. Соответствующее содержание в них катионов Н + является оптимальным для нашей кожи.
На промышленных предприятиях осуществляют контроль значений pH некоторых пищевых продуктов и косметических средств. Если, например, свежее молоко имеет более низкое значение водородного показателя, чем предусмотрено стандартом, его не направляют в торговую сеть, а используют для производства кисломолочной продукции.
В сельском хозяйстве кислотность почвенного раствора является одним из основных факторов, влияющих на урожай. Так, картофель лучше всего растет на слабокислых почвах (pH » 5), а свекла — на нейтральных (pH » 7).
Вода — очень слабый электролит. Незначительная часть ее молекул диссоциирует с образованием катионов Гидрогена и гидроксид-ионов. Концентрация каждого иона в чистой воде составляет 10 -7 моль/л.
Содержание ионов Н + в воде и водных растворах характеризуют с помощью водородного показателя (pH). Значение pH чистой воды равно 7, раствора кислоты — меньше 7, а раствора щелочи — больше 7.
Приблизительные значения водородного показателя растворов определяют с помощью универсального индикатора.
Природные растворы и биологические жидкости имеют различные значения pH.
64. Охарактеризуйте электролитическую диссоциацию воды.
65. Сколько ионов Н + и ионов ОН» содержится в одной капле воды объемом 0,1 мл?
66. Вычислите массовые доли ионов Н + и ОН» в воде.
67. Что такое водородный показатель?
68. Найдите соответствие.
1. Раствор натрий А. Количество ионов Н + а) pH > 7
хлорида в воде больше, чем ионов ОН»
2. Раствор углекислого Б. Количества ионов Н + б) pH +
69. В каком из растворов концентрация катионов Гидрогена бо́льшая — с pH = 6 или pH = 8? Во сколько раз?
70. Какое преимущество имеет универсальный индикатор по сравнению с лакмусом или метилоранжем при определении среды водных растворов?
71. Почему водородный показатель чистой дождевой воды, собранной над территорией, где нет населенных пунктов и промышленных объектов, равен 5,6, а не 7,0?
72. Раствор, содержащий 6 г натрий гидроксида, смешали с раствором, содержащим 6,3 г нитратной кислоты. Значение pH образовавшейся жидкости:
Источник
Избранные вопросы молекулярной патологии для клинических ординаторов 2020
Вода и электролиты
1. Вода — универсальный биологический растворитель
Растворителем, в котором работают почти все известные живые системы, служит окись водорода, или вода (H 2O). В молекуле воды атом кислорода соединен с двумя атомами водорода одинарными ковалентными связями. Чтобы понять, почему это важно и на что это влияет, нам придется ввести несколько дополнительных понятий из общей химии.
Электроотрицательность — сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Это понятие ввел Лайнус Полинг (Linus Carl Pauling). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним на шкале электроотрицательности следует кислород. Иными словами, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора (который в биологической химии практически не встречается). Запомним этот факт.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующие ее электроны никуда не смещены (в рамках старинной планетарной модели атома можно сказать, что они находятся точно посредине между атомами, как на картинке). Такая ковалентная связь называется неполярной.
Если ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого выше электроотрицательность. Такая связь называется полярной. При очень большой разнице в электроотрицательности она может даже стать ионной — это случится, если один атом полностью “отберет” у другого общую пару электронов.
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — типичный пример ковалентной полярной связи. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на кислороде возникает маленький отрицательный заряд, а на водороде маленький положительный; эти заряды принято обозначать буквой δ (“дельта”).
Связи кислорода с водородом или углеродом (H-O или C-O) — всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде. В то же время связь между углеродом и водородом (C-H) считается неполярной: разница в электроотрицательности между этими элементами так мала, что смещение электронов незаметно. Например, молекулы углеводородов в силу этого полностью неполярны, они не несут никаких частичных зарядов ни на каких атомах.
При наличии полярных связей между водородом и кислородом частичные заряды на этих атомах (отрицательные на кислороде и положительные на водороде) притягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Эти связи гораздо слабее ковалентных, но могут давать сильный эффект, если их много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды очень высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Строго говоря, водородная связь может образоваться не только с кислородом, но и с другими электроотрицательными атомами (например, с азотом или фтором).
Любые заряженные частицы в водном растворе гидратируются, то есть окружаются молекулами воды — конечно, по-разному ориентированными в зависимости от того, положительная это частица или отрицательная. Любые ионы, растворенные в воде, на самом деле присутствуют там в гидратированном состоянии, то есть с водной оболочкой. На картинке для примера показана растворенная поваренная соль (NaCl) — образец чисто ионного вещества.
Полярные молекулы (а тем более ионы) хорошо взаимодействуют с водой, образуя с ней водородные связи и (или) подвергаясь гидратации. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными. Неполярные молекулы взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Такие вещества плохо растворяются в воде и называются гидрофобными. Типичные гидрофобные вещества — углеводороды. Типичные гидрофильные вещества — спирты, такие как этанол или показанный на картинке глицерин. Вообще кислородсодержащие соединения углерода, как правило, гидрофильны, если только в них нет совсем уж огромных углеводородных радикалов.
Могут ли подойти для жизни другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, двуокись углерода (CO 2) при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, становится жидкостью и представляет собой хороший гидрофильный растворитель, в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микроорганизмы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море обнаружено целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии (Inagaki et al., 2006).
Некоторые исследователи предполагают, что океаны жидкой двуокиси углерода могут существовать на планетах-“суперземлях” с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли (Budisa, Schulze-Makuch, 2014). На картинке — художественное изображение планеты GJ1214b в созвездии Змееносца.
На крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH 4), этана (C 2H 6) и пропана (C 3H 8). Это гидрофобный растворитель, в котором тоже иногда предполагают существование жизни, хотя прямых подтверждений тому пока нет. На картине — пейзаж Титана. Жидкой воды на поверхности Титана нет, там слишком холодно.
Аммиак (NH 3) — гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом, и напоминающий воду по физико-химическим свойствам. На более холодных планетах, чем Земля, аммиак находится в жидком состоянии и вполне может быть средой для жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами (на картинке художественное изображение такой планеты). Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть сомнения, то углеродную жизнь в неводном растворителе представить гораздо легче.
Можно придумать и другие экзотические варианты — например, океан из плавиковой кислоты (HF) на планете, описанной в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи”. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…” Возвращаясь к земной биохимии, будем помнить, что она — не единственная теоретически возможная.
Источник
