Буферы: управление pH. Нейтрализаторы кислот
Буферы, или, как их иногда называют, буферные растворы, поддерживают значение pH раствора постоянным при добавлении кислот или оснований. Очевидно, в буферном растворе должно быть нечто, вступающее в реакцию с кислотой, т.е. должна быть щелочь. А в буферном растворе, вступающем в реакцию со щелочью, должно содержаться нечто другое — кислота. Существует два основных вида буферов:
S смеси слабых кислот и оснований;
S амфотерные компоненты.
Смесями слабых кислот и оснований могут быть кислотно-основные пары, причем как сопряженные (например, H2CO3/HCO3-), так и несопряженные (NH4+/CH3COO-). (Более подробно о сопряженных кислотно-основных парах шла речь в разделе «Дайте мне тот протон: кислотно-основные реакции Бренстеда – Лоури» ранее в главе.)
Буферы: управление pH
В организме человека более распространенными являются сопряженные кислотно-основные пары. Например, постоянное значение pH в крови поддерживает пара H2CO3/HCO3-. При изменении значения pH крови возможны потенциально опасные ситуации. Например, если человек усиленно тренируется, то из мускулов в кровь выделяется молочная кислота. И когда концентрация HCO3- недостаточна, чтобы нейтрализовать эту кислоту, то pH крови снижается и у человека развивается ацидоз3. С другой стороны, при учащенном дыхании человек выдыхает слишком много диоксида углерода. При этом концентрация угольной кислоты в крови уменьшается, а pH крови увеличивается. Это состояние, которое называется алкалозом, может иметь очень серьезные последствия.
Роль буфера также могут выполнять амфотерные компоненты, вступая в реакцию с кислотой или основанием. (Более подробно амфотерные вещества рассматривались в разделе «Амфотерная вода» ранее в главе.) Амфотерными компонентами, нейтрализующими как кислоты, так и основания, являются ионы HCO3- и HPO4-2. Оба эти иона также играют важную роль для поддержания постоянного значения pH крови.
Кислоты с «плохой» репутацией: что такое кислотные дожди
За последние несколько лет кислотные дожди стали огромной проблемой для окружающей среды. Естественная дождевая вода имеет слабокислую среду (ее pH равен примерно 5,6), так как, взаимодействуя с углекислым газом атмосферы, образует угольную кислоту. Впрочем, когда о кислотных дождях упоминают в печати, то обычно имеют в виду значения pH в диапазоне от 3 до 3,5. Существует две основные причины образования кислотных дождей: промышленное загрязнение окружающей среды и выхлопные газы автомобилей. В двигателях внутреннего сгорания автомобилей азот воздуха окисляется и образует несколько оксидов. Эти оксиды азота, попадая в атмосферу, вступают в реакцию с водяным паром и образуют азотную кислоту (HNO3).
При сжигании на тепловых электростанциях топлива, содержащего серу (например, угля и нефти), образуются оксиды серы. При попадании в атмосферу эти оксиды взаимодействуют с водяным паром и образуют серную и сернистую кислоты (H2SO4 и H2SO3). Кроме того, при работе тепловых электростанций также образуются оксиды азота.
Эти кислоты вместе с дождем попадают на землю и вызывают множество проблем. Например, кислотные дожди растворяют карбонат кальция, содержащийся в мраморных статуях и монументах. Кислоты существенно снижают pH озерной воды, что приводит к гибели рыбы. Из-за кислотных дождей целые леса становятся низкорослыми или вовсе гибнут. Вступая в реакцию с металлами, содержащимися в автомобилях и зданиях, кислоты вызывают их коррозию.
Промышленный контроль сыграл определенную роль в частичном решении этой проблемы, тем не менее она остается одним из главных вопросов защиты окружающей среды. (Более подробно о кислотных дождях речь идет в главе 18, «Кхе-кхе! Ап-чхи! Загрязнение воздуха».)
Нейтрализаторы кислот
Зайдите в аптеку или бакалейный магазин и обратите внимание на ряды полок, заполненных нейтрализаторами кислот. Они показывают кислотно-основную химию в действии!
Желудок человека выделяет соляную кислоту, чтобы в процессе пищеварения активизировать некоторые энзимы (биологические катализаторы). Однако иногда желудок производит слишком много кислоты или она устремляется вверх по пищеводу (что вызывает изжогу). В этом случае излишек кислоты нужно нейтрализовать с помощью, как вы уже догадались, основания. Препараты оснований, которые используются для нейтрализации этой кислоты, называются нейтрализаторами кислот (антикислотами). К активным ингредиентам нейтрализаторов кислот относятся следующие соединения:
Избыточное содержание кислотных анионов в крови и других тканях. — Пргимеч. ред.
I
S бикарбонаты — NaHCO3 и KHCO3;
S карбонаты — CaCO3 и MgCO3;
^ гидроксиды — A1(OH)3 и Mg(OH)2.
Выбрать » подходящий» нейтрализатор кислоты, как правило, довольно сложно. Конечно, определенную роль играет стоимость препарата, однако следует также учитывать и химическую природу оснований. Например, гипертоникам не следует употреблять нейтрализаторы кислот, содержащие бикарбонат натрия, потому что ион натрия обычно повышает кровяное давление. А вот людям, страдающим недостатком кальция в костях, или остеопорозом, наоборот, необходимо принимать препараты, содержащие карбонат кальция. Следует отметить, что, если карбонат кальция и гидроксид алюминия принимать в больших количествах, это может затруднить работу кишечника. С другой стороны, большие дозы карбоната магния в сочетании с гидроксидом магния могут выступать в роли слабительного. Так что, выбирая нейтрализатор кислоты, следует тщательно все проанализировать!