Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Например, если вы сделаете что-то, из-за чего в крови повысится концентрация ионов водорода (Н⁺) (например, при тренировке), то pH естественным образов снизится (не забывайте, что кислоты имеют низкие значения pH). Когда это случается, на мгновение образуется угольная кислота, которая снова распадается на углекислый газ и воду:

H₂CO₃ ↔ CO₂ + H₂O

Затем углекислый газ выталкивается из капилляров в легкие, где газ выдыхается. В ходе этого процесса pH крови возвращается обратно к 7,4.

Если pH становится слишком высоким, это значит, что в плазме крови содержится слишком много ионов гидрокарбоната. Ион гидрокарбоната – это сопряженное основание, а значит, что у него будет высокий pH. В таком случае наше тело реагирует естественным образом: частота нашего дыхания изменяется, чтобы организм мог вернуть углекислый газ из легких в кровоток. Попадая туда, он быстро превращается в угольную кислоту, снижающую pH до нормального уровня.

Буферные растворы – это весьма мощный инструмент в лаборатории, поскольку они устойчивы к незначительным изменениям pH. Именно поэтому они считаются идеальными чистящими средствами для бассейна или джакузи – по правде говоря, я надеюсь, что у меня когда-нибудь будет свой бассейн и джакузи. А сейчас давайте притворимся, что у нас они есть. Чтобы уничтожить бактерии и различные микроорганизмы, при этом не изменяя pH воды, мы будем использовать буфер. Наиболее распространенным буфером является раствор из хлорноватистой кислоты и иона гипохлорита (слабой кислоты и сопряженного основания).

Идеальный буфер должен содержать 50 % слабой кислоты и 50 % сопряженного основания (или 50 % хлорноватистой кислоты (HClO) и 50 % иона гипохлорита (OCl^-)). Если соблюсти рецептуру, то буфер будет поддерживать pH воды на отметке 7,52. Это означает, что, если в буфер добавить немного кислоты или основания, pH буфера практически не изменится.

Давайте рассмотрим этот процесс на примере джакузи. Если в воду с буфером попадет инородный предмет слабокислой среды, то основной компонент буфера вступит в реакцию с кислотой, нейтрализуя «угрозу». В данном случае это означает, что ионы гипохлорита (OCl^-) вступят в реакцию с ионами гидроксония (H₃O⁺) в кислоте (акация/мимоза). Когда вся кислота будет нейтрализована, ожидается, что значение pH снизится, но будет близким к 7,5.

Но если в джакузи попадет инородный предмет щелочной среды (мыло для рук), то основной компонент буфера ничего не сможет сделать, чтобы минимизировать изменение pH. Кислотная часть буфера вступит в реакцию с основанием, пытаясь нейтрализовать его. В данном случае хлорноватистая кислота (HClO) вступит в реакцию с ионами гидроксида (OH^-) из основания (мыла для рук). Ожидается, что во время этого процесса pH немного изменится, но в конце концов pH воды будет близким к значению 7,5.

А теперь давайте представим, что на ваш задний двор пробрался саботажник и вылил в джакузи тонну белизны. Если бы произошла такая ситуация, то хлорноватистая кислота в воде продолжала бы взаимодействовать с гипохлоритом натрия до тех пор, пока вся хлорноватистая кислота не израсходуется. Когда это случится, pH воды начнет резко увеличиваться со значения 7,52 до 12 или выше.

С другой стороны, если этот козел добавит в ваше джакузи аккумуляторную кислоту, то ионы гипохлорита будут вступать в реакцию с кислотой до тех пор, пока не останется ни одного иона гипохлорита. В таком случае pH воды резко упадет со значения 7,52 до 2 или ниже. Если с вашей джакузи произойдет любая из этих ситуаций, то оно будет выглядеть грязным, из-за чего вам придется добавить в воду много буфера (ну, или купить новое джакузи).

Я понимаю, что это логично, но буферы – это не волшебная таблетка. Они не могут противостоять большому количеству кислых или осно́вных инородных веществ, а хорошо справляются только с небольшим количеством молекул. И это приводит нас к концепции буферных емкостей. Как я уже упоминала ранее, у идеального буфера соотношение слабой кислоты и сопряженного основания (или слабого основания и сопряженной кислоты) составляет 1:1. При таком соотношении буфер может справиться с большим количеством кислоты или основания.

Буферы продолжают справляться со своими задачами до тех пор, пока соотношение кислот и оснований остается в диапазоне от 1:1 до 1:10. Но если соотношение состава будет больше или меньше указанного диапазона, то буферы перестанут работать и pH воды резко изменится, как только в воду попадут очередные кислоты или основания. Обычно это очевидно: потому что вода меняет свой цвет, а иногда у нее появляется неприятный запах. Все это – верный признак того, что пришло время очистить воду в вашем джакузи или бассейне.