Л6. ПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ РАВНОВЕСИЯ И ПРОЦЕССЫ.
Согласно теории электролитической диссоциации Аррениуса кислотой является любое вещество в состав, которого входит ион водорода, основанием – гидроксид ион. Но в органической и биологической химии для оценки кислотности и основности используютпротолитическую теорию кислот и оснований Бренстеда – Лоури (1923г.).По теории понятия кислотность и основность связаны с переносом протона.
Кислотойявляется любая частица, способная отдать ион водорода.
NH4+ → H+ + NH30 HCl → H+ + Cl-
Основаниемявляется любая частица, способная принять ион водорода.
H2O + H+ → H3O+ NO3- + H+→ HNO3
По теории кислота и основание должны находиться в сопряженной системе, т.е. кислота не может существовать без основания.
HA + B = A- + BH+
кислота + основание = сопряженное основание + сопряженная кислота
Из этого уравнения следует: кислота и основание образуют кислотно-основные пары. Чем сильнее кислота, тем слабее будет сопряженное с ней основание и наоборот.
Количественная характеристика кислот и оснований по теории Бренстеда – Лоури.
Пример 1:..
СН3СООН + НОН ↔ СН3СОО-+ Н3О+
кислота основание сопряж. основание сопряж. кислота
Поскольку этот процесс обратим, то он характеризуется равновесием:
Кс= [СН3СОО-]·[Н3О+] / [СН3СООН]·[НОН]
Кс· [Н2О] = [СН3СОО-]·[Н3О+] / [СН3СООН]
Ка = [СН3СОО-]·[Н+] / [СН3СООН] –константа кислотности
Чем больше константа кислотности, тем сильнее кислота, например: Ка (СН3СООН) = 1,75·10-5; Ка (Н2СО3) = 4,7·10-7.
Так как величины констант кислотности очень малы, то удобнее использовать не абсолютные значения констант кислотности, а их отрицательные логарифмы – показатели кислотности - рКа.
рКа= -lgКа
рКа(СН3СООН) = -lg1,75·10-5= 4,76
рКа(Н2СО3) = -lg4,7·10-7= 6,33
Чем больше показатель кислотности, тем слабее кислота и наоборот.
Пример 2:..
NH3+HOH↔NH4++OH-
основание кислота сопряж. кислота сопряж. основание
Кс= [NH4+]·[ОH-] / [NН3]·[НОН]
Кс· [НОН] = [NH4+]·[ОH-] / [NН3]
Кв= [NH4+]·[ОH-] / [NН3] –константа основности.
Чем выше константа основности, тем сильнее основание. Так как величины констант основности очень малы, то удобнее использовать не абсолютные значения констант основности, а их отрицательные логарифмы – показатели основности – рКв.
рКв= -lgКв
Чем меньше показатель основности, тем сильнее основание и наоборот.
Диссоциация воды. Ионное произведение воды.
..
НОН + НОН = ОН-+ Н3О+
кислота основание сопряж. основание сопряж. кислота
Вода по данной теории может быть как кислотой, так и основанием. Если процесс равновесный, то мы можем охарактеризовать его константой диссоциации – Кд.
Кд= [ОН-]·[Н3О+] / [НОН]·[НОН] = [ОН-]·[Н+] / [НОН]
Кд · [НОН] = [ОН-]·[Н+]
Кw = [ОН-]·[Н+] = 1·10-14 моль/л –ионное произведение воды.
В воде [H+] = [ОН-] = 1·10-7 моль/л; 10-1÷ 10-5– кислая среда, 10-5÷ 10-7– слабокислая среда, 10-7– нейтральная среда, 10-7÷ 10-9– слабощелочная среда, 10-9÷ 10-14– щелочная среда.
На практике чаще пользуются не абсолютным значением ионного произведения воды, а отрицательным логарифмом равновесной концентрации ионов водорода или гидроксид ионов.
рН = -lg[H+]; рОН = -lg[ОН-]
рН + рОН = 14
Для водных растворов рН = 1 ÷ 5 – кислая среда; рН = 5 ÷ 7 – слабокислая среда; рН = 7 – нейтральная среда; рН = 7 ÷ 9 – слабощелочная среда; рН = 9 ÷ 14 – щелочная среда.
Показатель кислотности для слабых кислот и оснований высчитывается по формулам:
рНслабой кислоты = ½ рКа– ½lgС(fэ)кислоты
рНслабого основания = 14 – ½ рКв+ ½lgС(fэ)основание
Внутренняя среда организма характеризуется постоянством концентрации ионов водорода. Это явление называют изогидрия. Например: рН крови = 7,1 ÷ 7,2; желудочного сока = 0,9 ÷ 1,1; пузырной желчи = 5,4 ÷ 6,9; грудного молока = 6,6 ÷ 6,8; слезной жидкости = 7,4. Изменения рН приводит к нарушению деятельности ферментов, регуляции осмотического давления и может приводить даже к гибели клеток. Сдвиг рН в кислую сторону, называетсяацидоз, а в щелочную –алкалоз.Так при сахарном диабете (кетоацидоз) наблюдается ацидоз, а при потери кислоты в случае неукротимой рвоты - алкалоз. Постоянство рН внутренних сред организма поддерживается работой почек, легких, печени – физиологический механизм, но основную роль играет химический механизм – за счет буферных систем.