მჟავურობა და ფუძურობა, პროტონის კონცენტრაცია, pH სკალა და ბუფერები.

შესავალი

თუ თქვენ ფეხი არც კი შეგიდგამთ ქიმიის ლაბორატორიაში, შესაძლებელია, რომ 1-2 რამ მაინც იცით ჟავებისა და ფუძეების შესახებ. მაგალითად, ოდესმე დაგილევიათ ფორთოხლის წვენი ან კოლა? თუკი ასეა, თქვენ გცოდნიათ ზოგიერთი მჟავური ხსნარი. და თუ ოდესმე გამოგიყენებიათ საცხობი სოდა ან თუნდაც კვერცხის ცილა ცხობისას, მაშინ თქვენთვის ზოგიერთი ფუძეც ნაცნობია1^1.
შეიძლება შეგინიშნავთ, რომ მჟავურ ნივთიერებებს მომჟაო გემო აქვს, ან ფუძური ნივთიერებები, როგორიცაა საპონი და მათეთრებელი, სრიალაა. მაგრამ სინამდვილეში რას გულისხმობს რაიმეს მჟავურობა ან ფუძურობა? მოკლედ რომ გიპასუხოთ:
  • მჟავურ ხსნარს წყალბადის იონების (H+^+) მაღალი კონცენტრაცია აქვს, უფრო მეტი, ვიდრე ანკარა წყალს.
  • ფუძურ ხსნარს აქვს დაბალი H+^+ კონცენტრაცია, სუფთა წყალზე ნაკლები.
რომ ნახოთ, საიდან მოდის ეს განსაზღვრება, მოდი თვითონ წყლის მჟავურ-ფუძურ თვისებებს გადავხედოთ.

წყლის თვითიონიზაცია

წყალბადის იონები სუფთა წყალში სპონტანურად წარმოიშობა, დაბალ პროცენტიანი წყლის მოლეკულების დისოციაციით (იონიზაციით). ამ პროცესს წყლის თვითიონიზაცია ეწოდება:
H2\text{H}_2O\text{O} (l)\text{(l)} \rightleftharpoons H+\text{H}^+ (aq)\text{(aq)} + OH\text{OH}^- (aq)\text{(aq)}
ფრჩხილებში დაწერილი ასოები ნიშნავს იმას, რომ წყალი არის თხევადი (l), ხოლო იონები არიან წყალხსნარში (aq).
როგორც განტოლებაშია ნაჩვენები, დისოციაციის შედეგად ვიღებთ წყალბადის (H+^+) იონების და ჰიდროქსიდის (OH^-) იონების ტოლ რაოდენობას. ჰიდროქსიდის იონებს შეუძლიათ ხსნარში ტივტივი ჰიდროქსიდის იონების სახით, მაგრამ წყალბადის იონები პირდაპირ გადადის ახლომდებარე წყლის მოლეკულებზე და წარმოქმნის ჰიდრონიუმის იონებს (H3_3O+^+). ამიტომ წყალში თავისუფლად მოტივტივე H+^+ იონებს ვერ ვნახავთ. ამის მიუხედავად, მეცნიერები მაინც მოიხსენიებენ მათ, როგორც წყალბადის იონებს, თითქოს ისინი თავისუფლად ტივტივებდნენ წყალში და არა ჰიდრონიუმის ფორმით - ეს არის უბრალოდ შეთანხმების შედეგად მიღებული შემოკლება.
რამდენი წყლის მოლეკულა დისოცირდება ერთ ლიტრ წყალში? სუფთა წყლის დისოციაციის შედეგად მიღებული წყალბადის იონების კონცენტრაცია არის 1 × 107^{-7} მ (მოლი ერთ ლიტრ წყალში).
ბევრია თუ ცოტა? იმის მიუხედავად, რომ ერთ ლიტრ სუფთა წყალში არსებული წყალბადის იონების რიცხვი ბევრად უფრო დიდია, ვიდრე ჩვენს ყოველდღიურობაში გამოყენებული რიცხვები (კვადრილიონები), ერთ ლიტრ წყალში არსებული ყველა წყლის - დისოცირებული და არადისოცირებული- მოლეკულების რაოდენობა მიახლოებით არის 33,460,000,000,000,000,000,000,0002,3^{2,3}. (შემდეგში ერთი ჭიქა წყლის დალევას რომ დააპირებთ, დაფიქრდებით!) შესაბამისად თვითიონიზირებული წყლის მოლეკულების რაოდენობა წარმოადგენს მხოლოდ მცირე ნაწილს წყლის მოლეკულების ჯამურ წილთან შედარებით.

მჟავები და ფუძეები

ხსნარები მიეკუთვნებიან მჟავებს ან ფუძეებს იქიდან გამომდინარე, თუ რა არის მათში არსებული წყალბადის იონების კონცენტრაცია წყალთან შედარებით. მჟავეებში H+^+ იონების კონცენტრაცი უფრო მაღალია ვიდრე წყალში (მეტი ვიდრე 1 × 107^{-7} M), ხოლო ფუძე (ტუტე) ხსნარებს წყალთან შედარებით დაბალი H+^+ კონცენტრაცია აქვთ (ნაკლები ვიდრე 1 × 107^{-7} M). ჩვეულებრივ, წყალბადის იონების კონცენტრაცია ხსნარში გამოისახება pH-ის სახით. pH-ის გამოითვლება, როგორც ხსნარში არსებული წყალბადის იონების კონცენტრაციის უარყოფითი ლოგარითმი:
pH =log10\text{pH =} -log_{10}[H\text{[H}+^+]\text]
H+^+-ის გარშემო არსებული კვადრატული ფრხილები ნიშნავს, რომ კონცენტრაციაზე ვსაუბრობთ. თუ თქვენ ჩასვამთ წყლის წყალბადის იონების კონცენტრაციას (1 × 107^{-7} მ) ამ განტოლებაში, მიიღებთ 7.0-ის ტოლ მნიშვნელობას, რომელსაც ჩვენ ვეძახით ნეიტრალურ pH-ს. ადამიანის სხეულში, სისხლსა და უჯრედის შიგნით არსებულ ციტოზოლში pH-ის მნიშვნელობა მიახლოებულია ნეიტრალურთან.
H+^+ კონცენტრაცია სცდება ნეიტრალურს, როდესაც წყალხსნარში ვამატებთ მჟავას ან ფუძეს. ჩვენთვის მჟავა არის ნივთიერება, რომელიც ხსნარში არსებულ (H+^+) იონების რაოდენობას ზრდის, რადგან დისოციაციისას იგი გასცემს თავის წყალბადის ატომებს. ფუძე გასცემს ჰიდროქსიდის (OH^-) იონებს ან სხვა იონებს ან მოლეკულებს, რომლებიც იტაცებს წყალბადის იონებს და აშორებს მათ ხსნარიდან, რითაც ზრდის pH-ს. (ეს არის მჟავების და ფუძეების მარტივი ახსნა, რომელიც გამოსადეგია ბიოლოგის განხილვისას. შეგიძლიათ, გაეცნოთ ქიმიის განყოფილებას მჟაავების და ფუძეების სხვანაირი განმარტებების სანახავად.)
რაც უფრო ძლიერია მჟავა, მით უფრო ადვილად დისოცირდება იგი H+^+-ის წარმოსაქმნელად. მაგალითად, ქლორწყალბადმჟავა (HCl) სრულიად დისოცირდება წყალბადად და ქლორად წყალში მოთავსებისას, ამიტომ, იგი ძლიერ მჟავად ითვლება. პომიდვრის წვენი ან ძმარი არ დისოცირდება სრულად წყალში მოხვედრისას, ამიტომ, ისინი სუსტ მჟავებად ითვლებიან. მსგავსად, ძლიერი ფუძეები, როგორიცაა ნატრიუმის ჰიდროქსიდი (NaOH), სრულიად დისოცირდებიან წყალში, რითაც ათავისუფლებენ ჰიდროქსიდის იონებს (ან სხვა სახის ფუძე იონებს), რომლებიც შთანთქავენ H+^+-ს.

pH სკალა

pH სკალა გამოიყენება ხსნარების შესაფასებლად მჟავიანობისა ან ფუძიანობის (ტუტიანობის) მხრივ. სკალა დაფუძვნებულია pH მნიშვნელობებზე, რომელიც ლოგარითმულია, რის გამოც ცვლილება 1pH-ში ასახავს H+^+-ის კონცენტრაციის ათჯერად ცვლას. pH სკალა არის 0-დან 14-მე და ხსნარების უმეტესობა ამ ზღვრებში ხვდება, თუმცა შესაძლოა pH 0-ზე ქვევით ჩავიდეს ან 14-ზე ზევით. ყველაფერი რაც 7.0-ზე დაბლაა მჟავაა, ხოლო 7.0-ზე მაღლა - ფუძე.
pH ადამიანის უჯრედებში (6.8) და სისხლში (7.4) ძალიან ახლოს არის ნეიტრალურთან. pH-ის ექსტრემალური მნიშვნელობები, 7.0-ზე მაღალი ან დაბალი, ითველა სიცოცხლისთვის არახელსაყრელად. თუმცა თქვენს კუჭში ძალიან მჟავა გარემოა, pH 1-დან 2-მდე. როგორ წყვეტს კუჭი ამ საკითხს? პასუხია: ცვლადი უჯრედები! კუჭის უჯრედები, განსაკუთრებით ისინი, რომლებიც უშუალო შეხებაში არიან მჟავა გარემოსთან, ძალიან ხშირად კვდებიან და ინაცვლებიან ახალი უჯრედებით. რეალურად, კუჭის ზედაპირი სრულიად იცვლება ყოველ 7-10 დღეში.

ბუფერები

ორგანიზმების უმეტესობისათვის, მათ შორის ადამიანებისათვის, pH-ის შენარჩუნება ვიწრო ზღვრებსშ არის გადარჩენის აუცილებელი პირობა. მაგალითად, ადამიანის სისხლის pH უნდა იყოს მიახლოებით 7.4 და არ უნდა იზრდებოდეს ან მცირდებოდეს, მაშინაც კი, როდესაც სისხლში მოხვდება მჟავა ან ფუძე ნივთიერება.
ბუფერები ხსნარებია, რომლებსაც შეუძლიათ pH-ის ცვლილების ატანა, მათ დიდი როლი უკავიათ ბიოლოგიურ სისტემებში სტაბილური H+^+ იონური კონცენტრაციების შენარჩუნებაში. როდესაც მოცემულია ზედმეტად ბევრი H+^+ იონი, ბუფერი შთანთქავს მათ და აწევს pH-ს; როდესაც ზედმეტაც ცოტაა ბუფერი გასცემს გარკვეული რაოდენობით H+^+ იონებს, pH-ის შესამცირებლად. ბუფერი ჩვეულებრივ შესდგება მჟავა-ფუძე წყვილისგან, მჟვები და ფუძეები იცვლება პროტონების არსებობისას ან არარსებობისას (შერწყმული ფუძე-მჟავა წყვილი).
მაგალითად, ერთ-ერთი ბუფერი, რომელიც აკონტროლებს pH-ს ადამიანის სისხლში, შეიცავს ნახშირმჟავას (H2_2CO3_3) და მის შესაფერის ფუძეს, ბიკარბონატის იონს (HCO3_3^-). ნახშირმჟავა წარმოიქმნება, როდესაც ნახშიროჟანგი ხვდება სისხლში და უერთდება წყალს. ეს არის ძირითადი ფორმა, რომლითაც ნახშიროჟანგი გადააადგილდება სისხლში კუნთებს (სადაც იგი წარმოიქმნება) და ფილტვებს შორის (სადაც იგი გარდაიქმნება CO2_2-ად და გამოიყოფა, როგორც ნარჩენი პროდუქტი).
თუ ძალიან ბევრი H+^+ იონი წარმოიქმნება, რეაქციის ტოლობა გადაინაცვლებს მარჯვნივ და ბიკარბონატის იონები შთანთქავენ H+^+ ნახშირმჟავიდან. მსგავსად, თუ H+^+-ის კონცენტრაცია ძალიან დაეცემა რეაქციის ტოლობა გადაიხრება მარცხნივ და ნახშირმჟავა გარდაიქმნება ბიკარბონატში და გასცემს H+^+ იონებს ხსნარში. ამ ბუფერული სისტემის გარეშე სხეულის pH-ის ცვალებადობა სიცოცხლიათვის საშიში იქნებოდა.
იტვირთება