Для реакций, протекающих в организме, большое значение имеет активная реакция среды.
Под активной реакцией среды понимают концентрацию в растворе ионов водорода или ионов гидроксила.
Многие вещества (электролиты) в водном растворе распадаются на ионы. В зависимости от природы электролита степень распада (диссоциации) различна. Чистая вода является очень слабым электролитом, диссоциирующим на ионы водорода и гидроксила:
Количество ионов водорода и гидроксила в чистой воде ничтожно и составляет 0,0000001 г.
Кислоты в водных растворах диссоциируют на ион водорода и соответствующий анион:
а основания - на ион гидроксила и соответствующий катион:
Если в растворе концентрация ионов водорода равна концентрации ионов гидроксила ([Н+]=[ОН-]), реакция нейтральная; если концентрация ионов водорода меньше, чем концентрация ионов гидроксила ((ОН ]), реакция кислая.
При одинаковой нормальности растворов уксусной и соляной кислот активная реакция в растворе уксусной кислоты меньше, чем в растворе соляной кислоты, так как уксусная кислота диссоциирует слабее, чем соляная, вследствие чего ионов водорода в растворе уксусной кислоты меньше, чем в растворе соляной кислоты.
Таким образом, нейтральная реакция среды характеризуется равенством концентраций ионов Н+ и OH- в растворе, кислая - преобладанием ионов водорода над ионами гидроксила, щелочная - преобладанием ионов гидроксила над ионами водорода. С увеличением концентрации ионов водорода в растворе уменьшается концентрация ионов гидроксила, и наоборот. Даже в очень кислых растворах всегда имеется ничтожное количество ионов гидроксила и в очень щелочных - ионов водорода. Поэтому активную реакцию среды можно охарактеризовать содержанием ионов водорода или содержанием ионов гидроксила. Принято активную реакцию среды выражать через концентрацию ионов водорода, которая для воды равна 1*10в-7. Чтобы не оперировать в практической работе с такими неудобными числовыми значениями, активную реакцию среды большей частью выражают через водородный показатель pH.
Водородный показатель - это логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком:
Изменения pH в области от 0 до 7 характеризуют кислую, при pH 7 нейтральную и pH от 7 до 14 щелочную реакцию.
Различные химические процессы протекают неодинаково, в зависимости от того, будет ли реакция среды кислой, нейтральной или щелочной. Так же обстоит дело и с процессами, протекающими в клетках живого организма, и здесь реакция среды играет большую роль. Это подтверждается тем, что постоянство реакции крови и тканевых жидкостей, например лимфы, поддерживается с большой точностью, несмотря на то, что вещества, образующиеся в тканях в процессе обмена, стремятся ее нарушить.
Свойства белков проявляются в строгой зависимости от характера реакции среды. Особенно важно значение активной реакции среды для ферментативных процессов.
Реакция среды крови и других тканей и органов слабощелочная, близкая к нейтральной. В крови постоянство pH поддерживается в очень узких пределах (7,3-7,4). Сдвиг pH в кислую или щелочную сторону является результатом каких-либо нарушений, происходящих в организме.
Постоянство pH крови поддерживается путем химической регуляции буферными системами, имеющимися в крови, и удалением конечных продуктов обмена легкими и почками. Легкие удаляют кислые продукты - углекислоту, почки - фосфаты и аммиак, последний в основном после превращения в мочевину.
Под буферным действием понимают способность раствора сопротивляться изменениям pH, которые должны были бы произойти вследствие добавления кислоты или щелочи.
Буферные системы крови и тканевых жидкостей могут поддерживать постоянный pH при образовании кислот и оснований, освобождающихся в процессе обмена.
Из буферных систем наибольшее значение в организме имеют белки, а также минеральные соединения - бикарбонаты и фосфаты натрия и калия. Буферными системами крови являются: кароонатная - H2CO3/NaHCO3, фосфатная NaH2PO4/NaHPO4 и белковая белок-кислота/белок-соль.
В организме при взаимодействии бикарбоната натрия NaHCO3 с выделившейся в процессе обмена фосфорной кислотой образуется угольная кислота:
Угольная кислота, являясь очень нестойкой, быстро распадается и выводится из организма вместе с выдыхаемым воздухом в виде воды и углекислого газа. Таким образом обеспечивается постоянство pH крови. Так же противодействуют изменениям pH соли фосфорной кислоты. Например, при взаимодействии молочной кислоты с двузамещенным фосфорнокислым натрием образуется натриевая соль молочной кислоты и однозамещенный фосфорнокислый натрий:
Аммиак, образующийся в процессе обмена оснований, связывается со свободной угольной кислотой, в результате чего образуется бикарбонат аммония:
Важнейшим буферным веществом цельной крови является белок гемоглобин, который благодаря кислотным свойствам может связывать основания и образовывать соли, например Na-гемоглобин.
Буферную способность крови можно показать на следующем примере: чтобы сдвинуть pH сыворотки крови в щелочную сторону до pH 8,2, нужно добавить щелочи в 70 раз больше, чем к воде, а чтобы сдвинуть pH крови до 4,4, нужно добавить к крови в 327 раз больше соляной кислоты, чем к воде.
Из курса химии каждый из нас помнит формулы хотя бы нескольких молекул. Даже если вы не знаете самих принципов химии, то наверняка у вас в памяти отложилась одна символическая запись - Н2О, обозначающая, что молекула воды состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода. Но такая молекула является химически неактивной, то есть не может вступать в реакции с другими веществами. Этот процесс возможен лишь при распаде молекул на ионы.
Не все, но определенная часть молекул воды диссоциирует на положительно заряженный катион Н+ и анион с отрицательным зарядом ОН-. Такое разделение и соединение в полную молекулу происходит постоянно, одна часть молекул распадается на ионы, а другая в это время соединяется воедино. В химически чистой воде при комнатной температуре 1/10 000 000 часть от общего числа молекул постоянно находится в диссоциированном состоянии.
Доля диссоциированных молекул может увеличиваться или уменьшаться. Колебания температуры на это явление не воздействуют, по крайней мере в пределах комнатной температуры число молекул остается прежним. Зато добавки других веществ, растворяемых в воде, сильно влияют на количество частиц.
Воздействие, оказанное на степень диссоциации, может быть троякое:
- Растворенное вещество не изменяет долю диссоциированных молекул. Например, вы можете растворить в воде кухонную соль (NaCl), которая продиссоциирует на ионы Na+ и С1-. Доля ионов Н+ и ОН-, составляющих воду, при этом не изменится.
- Растворенное вещество увеличивает концентрацию ионов Н+. Например, молекулы фосфорной кислоты Н2РО3 также продиссоциируют на два иона Н+ и один РО3-. А значит, количество ионов Н+ в растворе воды и фосфорной кислоты станет больше, в то время как число ионов ОН- не изменится.
- Растворенное вещество увеличивает концентрацию ионов ОН-. Например, молекулы едкого натрия (NaOH) образуют ионы Na+ и ОН-. В этом случае концентрация ионов Н+ не изменится, а ионов ОН- в растворе станет больше.
На этом можно окончить насыщенный сложными терминами пролог и сделать основные выводы. Избыток Н+ придает воде кислотные свойства, а избыток ОН- - щелочные. Там, где доля диссоциированных молекул не изменилась, вода имеет нейтральные свойства. В целом, подобная характеристика воды называется активной реакцией.
Чтобы оценить активную реакцию в цифрах, применяют так называемый водородный показатель. Он равен антилогарифму ионов Н+ в растворе, то есть для химически чистой воды antilog (1/10 000 000) = 7. Для тех, кто не очень дружит с математикой и не знает, что такое антилогарифм, обращаю внимание на количество нолей в доле диссоциированных молекул воды - оно совпадает с величиной водородного показателя. Сокращенно величину водородного показателя нейтральной воды записывают как рН 7. Сокращение рН означает pondus hydrogenii, что переводится с латинского языка как "водородный показатель".
В самом общем смысле при рН 7 вода обладает нейтральными свойствами, при рН 7 - щелочная. Для более точного указания свойств воду называют:
- рН 1-3 - сильнокислой;
- рН 3-5 - кислой;
- рН 5-7 - слабокислой;
- рН 7 - нейтральной;
- рН 7-9 - слабощелочной;
- рН 9-11 - щелочной;
- рН 11-14 - сильнощелочной.
В приведенном выше примере список различных веществ, изменяющих водородный показатель, далеко не исчерпан. Все они, независимо от химического состава, оказывают влияние на эту величину. Понижают ее (или, иными словами, подкисляют воду) кислоты и их соли. Повышению водородного показателя способствует наличие в воде щелочей или щелочных солей. Часть веществ не изменяет величину водородного показателя - это нейтральные вещества.
В аквариумной практике давно применяются несколько веществ, способных повлиять на активную реакцию. Например, снижение величины рН производят с помощью кислого отвара торфа. Такое же действие имеет растворенный в воде углекислый газ. При разведении аквариумных рыбок нередко используют и ортофосфорную кислоту. Повышение величины водородного показателя производят с помощью раствора питьевой соды (Nа2НСОз). Как вы понимаете, подкислить или подщелочить воду можно любым веществом, обладающим соответствующими свойствами, но для использования в аквариуме оно не должно быть ядовитым. Поэтому приведенный список применяемых в аквариумистике веществ можно считать исчерпанным.
Нередко, говоря о водородном показателе воды, аквариумисты употребляют термины "кислотность" или "щелочность". При этом они применяют их так, будто увеличение кислотности - это то же самое, что снижение водородного показателя, и наоборот. На самом же деле это ошибка. Кислотностью называют количество кислотных остатков в воде и измеряют в мг/л, а это значит, что одна и та же кислотность может соответствовать различным значениям водородного показателя, смотря какой именно силой обладает этот кислотный остаток. Например, в одной пробе в одинаковой концентрации растворена угольная кислота, а в другой - соляная. Так как кислотные свойства соляной кислоты в сотни раз сильнее, чем угольной, то водородный показатель в растворе соляной кислоты будет намного ниже, а кислотность растворов станет при этом одинаковой. То же самое можно сказать и о щелочности. Эти термины в аквариумной практике лучше не использовать вообще.
И. Шереметьев
