Թթուներ, հիմքեր, pH և բուֆերներ

Նույնիսկ եթե երբևէ քիմիայի լաբորատորիա ոտք չես դրել, հնարավոր է, որ մեկ-երկու բան գիտես թթուների և հիմքերի մասին։ Օրինակ՝ երբևէ նարնջի հյութ կամ կոլա խմե՞լ ես։ Եթե այո, ապա արդեն իսկ գիտես մի քանի հիմնական թթվային լուծույթների մասին։ Եվ եթե երբևէ օգտագործել ես կերակրի սոդա կամ նույնիսկ ձվի սպիտակուց՝ ինչ-որ բան պատրաստելու համար, ուրեմն որոշ հիմքերի նույնպես ծանոթ ես։

Հավանաբար նկատել ես, որ թթվային բաները սովորաբար թթու համ ունեն, կամ որոշ հիմնային բաներ, ինչպես օճառը կամ սպիտակեցուցիչը, սովորաբար լպրծուն են։ Բայց ի՞նչ է իրականում նշանակում, երբ ինչ-որ բան լինում է թթվային կամ հիմնային։ Կարճ պատասխանենք.

Որպեսզի տեսնենք, թե որտեղից է այս սահմանման հիմքը, ուսումնասիրենք ջրի թթվահիմնային հատկությունները։

Ջրածնի իոններն ինքնաբերաբար առաջանում են մաքուր ջրում' քիչ տոկոսով ջրի մոլեկուլների դիսոցման (իոնացման) հետևանքով: Այս գործընթացը կոչվում է ջրի ինքնաիոնացում:

${\text{H}}_2$‍$\text{O}$‍ $\text{(հ)}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}^{+}$‍ $\text{(լ-թ)}$‍ + ${\text{OH}}^{-}$‍ $\text{(լ-թ)}$‍

Փակագծերում եղած տառերը պարզապես նշանակում են, որ ջուրը հեղուկ է (հ), և որ իոնները ջրային լուծույթում են (լ-թ):

Ինչպես ցույց է տրված հավասարման մեջ, դիսոցումը հավասար քանակով ջրածնի (H${}^{+}$‍) իոններ և հիդրoքսիդ (OH${}^{-}$‍) իոններ է առաջացնում: Հիդրօքսիդ իոնները կարող են ազատ շարժվել լուծույթում, մինչդեռ ջրածնի իոնները միանգամից փոխանցվում են ջրի հարևան մոլեկուլին և առաջացնում հիդրոնիումի իոններ (H${}_3$‍O${}^{+}$‍)։ Այսպիսով՝ ջրում ազատ լողացող H${}^{+}$‍ իոններ չկան։ Սակայն գիտնականները, միևնույնն է, ջրածնի իոններին և դրանց կոնցենտրացիային վերաբերվում են այնպես, ասես դրանք ազատ լողում են լուծույթում, այլ ոչ թե հիդրոնիումի կազմում են։ Հարմարության համար մենք էլ այդպես կվարվենք։

Այսպիսով՝ ջրով լի գրաֆինի մեջ քանի՞ մոլեկուլ իսկապես կդիսոցվի: Մաքուր ջրում դիսոցման հետևանքով առաջացած ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան 1 × 10${}^{-7}$‍ Մ է (մոլ յուրաքանչյուր լիտրում)

Սա շա՞տ է, թե՞ քիչ: Չնայած ջրածնի իոնների քանակը մեկ լիտր մաքուր ջրում մեծ է այն մասշտաբով, որ մենք սովորաբար մտածում ենք (քվադրիլիոններով), ջրի դիսոցված և չդիսոցված մոլեկուլների ընդհանուր քանակը մեկ լիտրում մոտավորապես 33 460 000 000 000 000 000 000 000${}^{2,3}$‍ է: (Հիմա հաջորդ մեկ բաժակ ջուրը խմելիս մտածելու բան կունենաս): Այսպիսով՝ ինքնաիոնացված ջրի մոլեկուլները ցանկացած ծավալի մաքուր ջրում բոլոր մոլեկուլների մի փոքր մասն են կազմում:

Լուծույթները, ըստ ջրածնի իոնների կոնցենտրացիայի, լինում են թթվային և հիմնային՝ համեմատած մաքուր ջրի հետ: Թթվային լուծույթներն ունեն ավելի բարձր H${}^{+}$‍ կոնցենտրացիա, քան ջուրը (1 × 10${}^{-7}$‍ Մ-ից բարձր), մինչդեռ հիմնային (ալկալիական) լուծույթներն ունեն ավելի ցածր H${}^{+}$‍ կոնցենտրացիա (1 × 10${}^{-7}$‍ Մ-ից ցածր): Որպես կանոն՝ լուծույթում ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան արտահայտվում է pH-ով: pH-ը հաշվում են որպես լուծույթում ջրածնի իոնների կոնցենտրացիայի բացասական լոգարիթմ։

H${}^{+}$‍-ի կողքի քառակուսի փակագծերը պարզապես նշանակում են, որ մենք նկատի ունենք դրա կոնցենտրացիան: Եթե դու ջրի ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան (1 × 10${}^{-7}$‍ M) տեղադրես այս հավասարման մեջ, ապա կստանաս 7,0 արժեքը, որը հայտնի է նաև որպես չեզոք pH։ Մարդու օրգանիզմում և՛ արյունը, և՛ ցիտոսոլը բջիջների ներսում ունեն չեզոքին մոտ pH արժեքներ:

H${}^{+}$‍-ի կոնցենտրացիան չեզոքից շեղվում է, երբ ջրային լուծույթին թթու կամ հիմք է ավելացվում: Թթուն նյութ է, որը բարձրացնում է լուծույթում ջրածնի իոնների (H${}^{+}$‍) կոնցենտրացիան՝ դիսոցման հետևանքով տալով իր ջրածնի ատոմներից մեկը: Հիմքը, հակառակ դրան, բարձրացնում է pH-ը՝ տրամադրելով հիդրօքսիդ (OH${}^{-}$‍) կամ այլ իոն կամ մոլեկուլ, որոնք հավաքում են ջրածնի իոնները և հեռացնում լուծույթից: (Սա հիմքերի և թթուների պարզեցված սահմանումն է, որը լավ է աշխատում կենսաբանության մասին մտածելիս): Հնարավոր է, որ ցանկանաս գնալ քիմիայի բաժին՝ այլ թթվահիմնային սահմանումներ տեսնելու համար):

Ինչքան թթուն ուժեղ է, այնքան ավելի պատրաստակամորեն է դիսոցվում՝ առաջացնելով H${}^{+}$‍: Օրինակ՝ քլորաջրածնական թթուն (HCl) ամբողջովին դիսոցվում է ջրածին և քլորիդ իոնների, երբ այն դնում ենք ջրի մեջ, հետևաբար այն ուժեղ թթու է համարվում: Լոլիկի հյութի կամ քացախի մեջ եղած թթուները, մյուս կողմից, ամբողջովին չեն դիսոցվում ջրում և համարվում են թույլ թթուներ: Նույն ձևով, ուժեղ հիմքերը, ինչպես, օրինակ՝ նատրիումի հիդրօքսիդը (NaOH), ամբողջապես դիսոցվում է ջրում՝ արտազատելով հիդրօքսիդ իոններ (կամ այլ տիպի հիմնային իոններ), որոնք կարող են կլանել H${}^{+}$‍-ը:

pH-ի սանդղակն օգտագործվում է լուծույթներն ըստ թթվայնության կամ հիմնայնության (ալկալիական) դասակարգելու համար: Քանի որ սանդղակը հիմնված է pH-ի արժեքների վրա, այն լոգարիթմական է, այսինքն՝ 1 միավոր pH-ի փոփոխությունը համապատասխանում է H${}^{+}$‍-ի իոնների կոնցետրացիայի տասնապատիկ փոփոխությանը: Սովորաբար pH-ի սանդղակը փոփոխվում է 0-ից մինչև 14, և շատ լուծույթներ այդ տիրույթում են, չնայած հնարավոր է նաև 0-ից ցածր կամ 14-ից բարձր pH ունենալը: 7,0-ից ցածր որևէ լուծույթ թթվային է, իսկ 7,0-ից բարձրը՝ ալկալիական կամ հիմնային:

Մարդու բջիջների pH-ը (6,8) և արյան pH-ը (7,4) շատ մոտ են չեզոք լինելուն: pH-ի ծայրահեղ արժեքները, որոնք բարձր կամ ցածր են 7,0-ից, սովորաբար կյանքի համար անբարենպաստ են համարվում: Սակայն քո ստամոքսում միջավայրը ուժեղ թթվային է՝ pH-ը 1 կամ 2 է: Ինչպե՞ս է ստամոքսը լուծում այս խնդիրը: Պատասխանն է՝ մեկանգամյա օգտագործման բջիջների միջոցով: Ստամոքսի բջիջները, մասնավորապես նրանք, որոնք ուղղակիորեն կապված են ստամոքսահյութի և սննդի հետ, անընդհատ մահանում և փոխարինվում են նոր բջիջներով: Իրականում մարդու ստամոքսը ներսից պատող շերտն ամբողջովին փոխարինվում է յուրաքանչյուր 7-10 օրը մեկ:

Օրգանիզմների մեծամասնությունը, ներառյալ մարդը, պետք է pH-ը պահպանեն բավականին նեղ միջակայքում, որպեսզի կարողանան գոյատևել: Օրինակ՝ մարդու արյունը պետք է իր pH-ը պահի 7,4-ի սահմանում և խուսափի այն զգալիորեն բարձրացնելուց կամ ցածրացնելուց, նույնիսկ եթե թթվային կամ հիմնային նյութեր են մտնում շրջանառվող արյան մեջ կամ հեռանում դրանից:

Բուֆերները լուծույթներ են, որոնք կարող են դիմակայել pH-ի փոփոխություններին, չափազանց կարևոր են H${}^{+}$‍ իոնների կոնցենտրացիան կենսաբանական համակարգերում հաստատուն պահելու համար: Երբ ունենք չափազանց շատ H${}^{+}$‍ իոններ, բուֆերը կկլանի դրանց որոշ մասը՝ վերականգնելով նախկին pH-ը: Իսկ երբ դրանց թիվը փոքր է, բուֆերը իր սեփական H${}^{+}$‍ իոնների որոշ մասը կտրամադրի՝ pH-ն իջեցնելու համար: Բուֆերները սովորաբար կազմված են թթու-հիմք զույգից՝ պրոտոնի առկայությամբ կամ բացակայությամբ տարբերվող թթվից և հիմքից (զուգորդված թթու-հիմք զույգ):

Օրինակ՝ մարդու արյան pH-ը պահպանող բուֆերներից մեկը պարունակում է ածխաթթու (H${}_2$‍CO${}_3$‍) և դրա զուգորդված հիմքը՝ երկկարբոնատ իոն (HCO${}_3$‍${}^{-}$‍): Ածխաթթուն առաջանում է, երբ ածխածնի երկօքսիդը (ածխաթթու գազ) մտնում է արյան շրջանառություն և միանում է ջրի հետ․ սա այն հիմնական ձևն է, որով ածխաթթու գազը ճանապարհորդում է արյան մեջ՝ մկանների (որտեղ այն առաջանում է) և թոքերի (որտեղ այն կրկին փոխակերպվում է ջրի և CO${}_2$‍-ի) միջև, որն էլ արտազատվում է որպես կողմնակի արգասիք:

Եթե չափազանց շատ H${}^{+}$‍ իոններ կուտակվեն, վերևում բերված հավասարումը կշեղվի դեպի աջ, և երկկարբոնատ իոնները կկլանեն H${}^{+}$‍-ները՝ ածխաթթու առաջացնելու համար: Նույն կերպ, եթե H${}^{+}$‍-ի կոնցենտրացիան չափազանց ցածր լինի, հավասարումը կշեղվի դեպի ձախ, և ածխաթթուն կվերածվի երկկարբոնատի՝ լուծույթին տրամադրելով իր H${}^{+}$‍ իոնները: Առանց այս բուֆերային համակարգի մարմնի pH-ը բավականաչափ կտատանվեր՝ վտանգի ենթարկելով կյանքը: