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:

К_с= [СН₃СОО^-]·[Н₃О⁺] / [СН₃СООН]·[НОН]

К_с· [Н₂О] = [СН₃СОО^-]·[Н₃О⁺] / [СН₃СООН]

К_а = [СН₃СОО^-]·[Н⁺] / [СН₃СООН] –константа кислотности

Чем больше константа кислотности, тем сильнее кислота, например: К_а (СН₃СООН) = 1,75·10^-5; К_а (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 - рК_а.

рК_а= -lgК_а

рК_а(СН₃СООН) = -lg1,75·10^-5= 4,76

рК_а(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

К_с= [NH₄⁺]·[ОH^-] / [NН₃]·[НОН]

К_с· [НОН] = [NH₄⁺]·[ОH^-] / [NН₃]

К_в= [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 – рК_в.

рК_в= -lgК_в

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 – К_д.

К_д= [ОН^-]·[Н₃О⁺] / [НОН]·[НОН] = [ОН^-]·[Н⁺] / [НОН]

К_д · [НОН] = [ОН^-]·[Н⁺]

К_w = [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:

рН_{слабой кислоты} = ½ рК_а– ½lgС(f_э)_{кислоты}

рН_{слабого основания} = 14 – ½ рК_в+ ½lgС(f_э)_{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.