Удивительная химия
Шрифт:
Накапайте в небольшую склянку из бесцветного стекла 30 капель нашатырного спирта и добавьте несколько капель раст вора индикатора. Если вы использовали раствор фенолфталеина, жидкость станет малиновой. Добавляйте к ней из той же пипетки уксус, внимательно считая капли и слегка встряхивая раствор, чтобы он хорошо перемешался. Как только индикатор обесцветится (или изменит цвет, если это растительный индикатор), прекратите добавление уксуса: весь нашатырный спирт к этому моменту израсходован. Такую операцию химики называют титрованием. Запишите, сколько капель уксуса у вас ушло на полную нейтрализацию нашатырного спирта (термин «нейтрализация» химики используют, когда говорят, что щелочь полностью прореагировала с кислотой или наоборот — кислота со щелочью; в результате реакции раствор теряет едкие свойства кислоты или щелочи, становится нейтральным, отсюда — название реакции). Если уксуса ушло в 5 раз больше, т. е. 150 капель, значит, нашатырный спирт действительно 10 %-ный. Если уксуса ушло еще больше, то нашатырный спирт более крепкий, а если меньше, то более слабый. Например, если на титрование 30 капель нашатырного спирта пошло 120 капель
Сейчас во многих лабораториях кислотность растворов (значения pH) измеряют электронными индикаторами — рН-метрами. В них нет никакого изменения цвета. Все проще: в раствор погружают небольшой щуп — датчик, и стрелка на приборе сразу указывает на какое-то число; или же это число загорается на табло индикатора, как показано на рис. 4.3. Что же это за число?
При работе с водными растворами (а в неорганической химии именно такие растворы встречаются чаще всего) кислотность или щелочность среды выражают с помощью так называемого водородного показателя pH (читается «пэ-аш»). Эту концепцию, как и сам символ, ввел в 1909 году датский биохимик Сёрен Петер Лауриц Сёренсен (1868–1939), который в том же году обнаружил зависимость активности ферментов от кислотности среды. Кислотность создается заряженными атомами водорода — ионами водорода (обозначение Н+). Используемые обычно в биохимии (да и в химии вообще) небольшие концентрации ионов водорода, например 0,00001 моль/л, выражать таким способом неудобно. В работе, опубликованной в «Биохимическом журнале», Серенсен писал, что концентрацию ионов Н+ удобно записывать «…в форме отрицательной степени 10. Я буду использовать название «показатель водородного иона» и символ pH для численного значения показателя этой степени». То есть для концентрации ионов водорода Серенсен использовал показатель р в выражении 10– р, где буква «р» обозначала «степень», причем на всех основных европейских языках: Potenz по-немецки, power по-английски, puissance по-французски. Теперь вместо концентрации 0,00001 можно-было написать pH = 5. (Математики называют такое число отрицательным десятичным логарифмом.)
Обозначение pH исключительно широко применяется в химии, биологии, медицине, в других отраслях. В телевизионных рекламах показывают, как изменяется pH во рту человека после чистки зубов такой-то пастой или после жевания такой-то резинки… Абсолютно нейтральной среде соответствует значение pH, равное точно 7. Чем раствор более кислый, тем меньше pH, а в присутствии щелочи pH становится больше 7. Так, раствор сильных кислот (соляной, серной, азотной) при концентрации 0,1 моль/л имеет pH = 1. Это соответствует, например, всего 0,36 %-ному раствору соляной кислоты. Полезно взглянуть на таблицу, в которой указаны величины pH некоторых жидкостей (для химических соединений указан pH при концентрации 0,1 моль/л; pH биологических жидкостей может сильно зависеть от состояния организма):
Желудочный сок ***** 1,6
Лимонный сок ***** 2,3
Столовый уксус ***** 3,0
Сок грейпфрута ***** 3,2
Апельсиновый сок ***** 3,6
Сильно газированная вода ***** 3,7
Яблочный сок ***** 3,8
Черный кофе ***** 5,0
Моча ***** 5—8
Раствор борной кислоты ***** 5,3
Молоко ***** 6,7
Дистиллированная вода ***** 7,0
Кровь ***** 7,35-7,45
Слюна ***** 7,4—8
Желчь ***** 7,8–8,6
Вода океанов ***** 7,9–8,4
Питьевая сода ***** 8,3
Раствор аммиака (нашатырный спирт) ***** 11,3
Кальцинированная (стиральная) сода ***** 11,5
Гашеная известь (насыщенный раствор) ***** 12,4
Едкий натр ***** 13,0
Оптимальные значения pH играют исключительно важную роль для нормальной жизнедеятельности организмов. Биохимические процессы в живых организмах протекают при строго определенной кислотности. Биологические катализаторы — ферменты способны работать только в определенных пределах pH, а при выходе за эти пределы их активность может резко снижаться. Например, активность фермента пепсина, который катализирует гидролиз белков и способствует таким образом перевариванию белковой пиши в желудке, максимальна при значениях pH около 2. Поэтому для нормального пищеварения необходимо, чтобы желудочный сок имел довольно низкие значения pH: в норме 1,53—1,67. При язвенной болезни желудка pH понижается в среднем до 1,48, а при язве двенадцатиперстной кишки может доходить даже до 1,05. Точное значение pH желудочного сока определяют путем так называемого интрагастрального исследования (от латинского слова intra — «внутри» и греческого «гастер» — «желудок») или с помощью pH-зонда. Если у человека понижена кислотность, врач может назначить прием с пищей слабого раствора соляной кислоты, а при повышенной кислотности — принимать противокислотные средства, например, гидроксиды магния или
алюминия. Интересно, что если выпить лимонный сок, кислотность желудочного сока… понизится! Действительно, раствор лимонной кислоты лишь разбавит более сильную соляную кислоту, содержащуюся в желудочном соке. Все же пить чистый лимонный сок не следует — он может повредить пищевод.В клетках организма значение pH около 7, во внеклеточной жидкости — 7,4. Нервные окончания, которые находятся вне клеток, очень чувствительны к изменению pH. При механических или термических повреждениях тканей стенки клеток разрушаются и их содержимое попадает на нервные окончания. В результате человек чувствует боль. Скандинавский исследователь Олаф Линдал проделал такой эксперимент: с помощью специального безыгольного шприца человеку впрыскивали под кожу очень тонкую струйку раствора, который не повреждал клетки, но действовал на нервные окончания. Было показано, что боль вызывают именно катионы водорода, причем с уменьшением pH раствора боль усиливается. Аналогично непосредственно «действует на нервы» и муравьиная кислота, содержащаяся в слюне некоторых насекомых, в стебле и листьях крапивы. Разным значением pH тканей объясняется также, почему при одних воспалениях человек чувствует боль (среда кислая), а при других — нет (среда щелочная).
В очень узких пределах должно оставаться значение pH крови; даже небольшое ее подкисление (ацидоз) или защелачивание (алкалоз) может привести к гибели организма. Ацидоз наблюдается при таких заболеваниях, как бронхит, недостаточность кровообращения, опухоли легких, пневмония, диабет, лихорадка, поражения почек и кишечника. Алкалоз же наблюдается при слишком интенсивном дыхании — гипервентиляции легких (или при вдыхании чистого кислорода), при анемии, отравлении угарным газом, истерии, опухоли мозга, избыточном потреблении питьевой соды или щелочных минеральных вод, приеме мочегонных средств. Интересно, что величина pH артериальной крови в норме должна быть в пределах 7,37—7,45, а венозной — 7,34—7,43. Различные микроорганизмы также весьма чувствительны к кислотности среды. Так, патогенные микробы быстро развиваются в слабощелочной среде, тогда как кислую среду они не выдерживают. Поэтому для консервирования (маринование, соление) продуктов используют, как правило, кислые растворы, добавляя в них уксус или пищевые кислоты. Большое значение имеет правильный подбор pH и для химико-технологических процессов.
Поддерживать нужное значение pH, не давать ему заметно отклоняться в ту или иную сторону при изменении условий удается с помощью так называемых буферных (от английского buff — «смягчать толчки») растворов. Такие растворы часто представляют собой смесь слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли. Подобные растворы обладают способностью «сопротивляться» в определенных пределах (их называют емкостью буфера) изменению pH. Многие природные жидкости обладают буферными свойствами. Примером может служить вода в океане, буферные свойства которой во многом обусловлены растворенным в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами (такие ионы дает, например, питьевая сода). Источником этих ионов, помимо растворенного в воде углекислого газа, являются огромные количества карбоната кальция в виде раковин, меловых и известняковых отложений в океане. Интересно, что фотосинтез планктона — одного из основных поставщиков кислорода в атмосферу — приводит к повышению pH среды. Клеточная жидкость, кровь также являются примерами природных буферных растворов. Так, кровь содержит около 0,025 моль/л углекислого газа, причем его содержание у мужчин примерно на 5 % выше, чем у женщин. Приблизительно такая же концентрация в крови и гидрокарбонат-ионов (их тоже больше у мужчин).
При исследовании почвы pH также является одной из наиболее важных характеристик. Разные почвы могут иметь pH от 4,5 до 10. По значению pH можно судить, в частности, о содержании в почве питательных веществ, а также о том, какие растения могут успешно произрастать на данной почве. Например, рост фасоли, салата, черной смородины задерживается при pH почвы ниже 6,0, капусты — ниже 5,4, яблони — ниже 5,0, картофеля — ниже 4,9. Кислые почвы обычно менее богаты питательными веществами, поскольку хуже удерживают в себе катионы металлов, необходимые растениям. Для раскисления кислых почв используют прием известкования — внесения веществ, постепенно связывающих избыток кислоты. Такими веществами могут служить природные минералы — мел, известняк, доломит, а также известь, шлак с металлургических заводов. Количество внесенного раскислителя зависит от буферной емкости почвы. Например, для известкования глинистой почвы требуется больше раскисляющих веществ, чем для песчаной.
Большое значение имеют измерения pH дождевой воды, которая может оказаться довольно кислой из-за присутствия в ней серной и азотной кислот. Эти кислоты образуются из оксидов азота и серы, которые выбрасываются в атмосферу в виде отходов многочисленных производств. Известно, что кислотные дожди с низким значением pH (менее 5,6) губят растительность, живой мир водоемов. Поэтому постоянно ведется pH-контроль дождевой воды.
Все видели йодную настойку. Кстати, само слово «йод» по традиции пишут через «й» только в нехимических, а также в медицинских текстах. В химических статьях, справочниках, энциклопедиях и учебниках это слово пишется черед «и» — «иод», а старый символ этого элемента «J» в таблице Менделеева уже давно заменили на «I». Настойка — это водно-спиртовый раствор, содержащий, согласно фармацевтическим справочникам, 5 % иода. Но это теоретически. А как на самом деле? Обратите внимание на срок годности настойки, указанный на этикетке. Дело в том, что иод медленно реагирует со спиртом, причем реакция ускоряется на свету (вот почему его, как и многие другие лекарственные средства, надо хранить в темноте). Кроме того, если настойка длительное время стояла в неплотно закрытой посуде, концентрация иода могла измениться как из-за испарения спирта, так и из-за летучести иода.