С помощью указанных индикаторов вы можете провести опыты по количественному определению разных кислотных и щелочных растворов. Например, если в вашей аптечке есть слабый раствор нашатырного спирта, попробуйте определить его концентрацию. Для этого воспользуйтесь уксусом, концентрацию которого вы уже определили. Кроме того, надо знать, в каких соотношениях реагируют эти вещества. Нашатырный спирт — это водный раствор аммиака, бесцветного газа с очень резким запахом. Если аммиака в воде растворено много (например, 25 %), то такой раствор «ударяет в нос» и «ест глаза», с ним мы работать не будем. В аптечном нашатырном спирте аммиака намного меньше — примерно 10 %; его применяют для возбуждения центральной нервной системы при обморочных состояниях. Добавляют нашатырный спирт и в некоторые средства для мытья стекол. Если склянка с нашатырным спиртом закрыта неплотно, то газообразный аммиак медленно улетучивается из раствора, так что в конце концов в ней остается чистая вода. Тем более интересно узнать, насколько крепок нашатырный спирт из вашей аптечки.
Один моль аммиака (17 г) реагируете одним молем уксусной кислоты (60 г). В 100 г 10 %-ного нашатырного спирта содержится 10 г аммиака или Юг: 17 г/моль = 0,59 моль, а в 100 г 7%-ного уксуса содержится 7 г уксусной кислоты или 7 г:60 г/моль = 0,12 моль. Таким образом, при равных объемах число молей аммиака в 10 %-ном нашатырном спирте примерно в 5 раз больше числа молей уксусной кислоты в 7 %-ном уксусе. Значит, при указанной крепости растворов один объем нашатырного спирта будет полностью реагировать примерно с 5 объемами уксуса. Проверим это экспериментально.
Накапайте в небольшую склянку из бесцветного стекла 30 капель нашатырного спирта и добавьте несколько капель раст вора индикатора. Если вы использовали раствор фенолфталеина, жидкость станет малиновой. Добавляйте к ней из той же пипетки уксус, внимательно считая капли и слегка встряхивая раствор, чтобы он хорошо перемешался. Как только индикатор обесцветится (или изменит цвет, если это растительный индикатор), прекратите добавление уксуса: весь нашатырный спирт к этому моменту израсходован. Такую операцию химики называют титрованием. Запишите, сколько капель уксуса у вас ушло на полную нейтрализацию нашатырного спирта (термин «нейтрализация» химики используют, когда говорят, что щелочь полностью прореагировала с кислотой или наоборот — кислота со щелочью; в результате реакции раствор теряет едкие свойства кислоты или щелочи, становится нейтральным, отсюда — название реакции). Если уксуса ушло в 5 раз больше, т. е. 150 капель, значит, нашатырный спирт действительно 10 %-ный. Если уксуса ушло еще больше, то нашатырный спирт более крепкий, а если меньше, то более слабый. Например, если на титрование 30 капель нашатырного спирта пошло 120 капель уксуса, то раствор аммиака имеет концентрацию (120 / 150) х 10 % = 8 %. Если же, положим, натитрование ушло 180 капель, то крепость нашатырного спирта равна (180/ 150) х 10 % = 12 %.
Рис. 4.3. Электронные индикаторы. анализирующие реакцию среды. Табло на верхнем индикаторе показывает слабокислую реакцию (рН=5,90, примерно такую кислотность имеет обычная вода, в которой растворен углекислый газ из воздуха), на среднем — практически нейтральную реакцию (pH = 7,01), на нижнем — сильнощелочную (pH = 10)
Сейчас во многих лабораториях кислотность растворов (значения pH) измеряют электронными индикаторами — рН-метрами. В них нет никакого изменения цвета. Все проще: в раствор погружают небольшой щуп — датчик, и стрелка на приборе сразу указывает на какое-то число; или же это число загорается на табло индикатора, как показано на рис. 4.3. Что же это за число?
При работе с водными растворами (а в неорганической химии именно такие растворы встречаются чаще всего) кислотность или щелочность среды выражают с помощью так называемого водородного показателя pH (читается «пэ-аш»). Эту концепцию, как и сам символ, ввел в 1909 году датский биохимик Сёрен Петер Лауриц Сёренсен (1868–1939), который в том же году обнаружил зависимость активности ферментов от кислотности среды. Кислотность создается заряженными атомами водорода — ионами водорода (обозначение Н+). Используемые обычно в биохимии (да и в химии вообще) небольшие концентрации ионов водорода, например 0,00001 моль/л, выражать таким способом неудобно. В работе, опубликованной в «Биохимическом журнале», Серенсен писал, что концентрацию ионов Н+ удобно записывать «…в форме отрицательной степени 10. Я буду использовать название «показатель водородного иона» и символ pH для численного значения показателя этой степени». То есть для концентрации ионов водорода Серенсен использовал показатель р в выражении 10-р, где буква «р» обозначала «степень», причем на всех основных европейских языках: Potenz по-немецки, power по-английски, puissance по-французски. Теперь вместо концентрации 0,00001 можно-было написать pH = 5. (Математики называют такое число отрицательным десятичным логарифмом.)
Обозначение pH исключительно широко применяется в химии, биологии, медицине, в других отраслях. В телевизионных рекламах показывают, как изменяется pH во рту человека после чистки зубов такой-то пастой или после жевания такой-то резинки… Абсолютно нейтральной среде соответствует значение pH, равное точно 7. Чем раствор более кислый, тем меньше pH, а в присутствии щелочи pH становится больше 7. Так, раствор сильных кислот (соляной, серной, азотной) при концентрации 0,1 моль/л имеет pH = 1. Это соответствует, например, всего 0,36 %-ному раствору соляной кислоты. Полезно взглянуть на таблицу, в которой указаны величины pH некоторых жидкостей (для химических соединений указан pH при концентрации 0,1 моль/л; pH биологических жидкостей может сильно зависеть от состояния организма):
Желудочный сок ***** 1,6
Лимонный сок ***** 2,3
Столовый уксус ***** 3,0
Сок грейпфрута ***** 3,2
Апельсиновый сок ***** 3,6
Сильно газированная вода ***** 3,7
Яблочный сок ***** 3,8
Черный кофе ***** 5,0
Моча ***** 5—8
Раствор борной кислоты ***** 5,3
Молоко ***** 6,7
Дистиллированная вода ***** 7,0
Кровь ***** 7,35-7,45
Слюна ***** 7,4—8
Желчь ***** 7,8–8,6
Вода океанов ***** 7,9–8,4
Питьевая сода ***** 8,3
Раствор аммиака (нашатырный спирт) ***** 11,3
Кальцинированная (стиральная) сода ***** 11,5
Гашеная известь (насыщенный раствор) ***** 12,4
Едкий натр ***** 13,0
Оптимальные значения pH играют исключительно важную роль для нормальной жизнедеятельности организмов. Биохимические процессы в живых организмах протекают при строго определенной кислотности. Биологические катализаторы — ферменты способны работать только в определенных пределах pH, а при выходе за эти пределы их активность может резко снижаться. Например, активность фермента пепсина, который катализирует гидролиз белков и способствует таким образом перевариванию белковой пиши в желудке, максимальна при значениях pH около 2. Поэтому для нормального пищеварения необходимо, чтобы желудочный сок имел довольно низкие значения pH: в норме 1,53—1,67. При язвенной болезни желудка pH понижается в среднем до 1,48, а при язве двенадцатиперстной кишки может доходить даже до 1,05. Точное значение pH желудочного сока определяют путем так называемого интрагастрального исследования (от латинского слова intra — «внутри» и греческого «гастер» — «желудок») или с помощью pH-зонда. Если у человека понижена кислотность, врач может назначить прием с пищей слабого раствора соляной кислоты, а при повышенной кислотности — принимать противокислотные средства, например, гидроксиды магния или алюминия. Интересно, что если выпить лимонный сок, кислотность желудочного сока… понизится! Действительно, раствор лимонной кислоты лишь разбавит более сильную соляную кислоту, содержащуюся в желудочном соке. Все же пить чистый лимонный сок не следует — он может повредить пищевод.
В клетках организма значение pH около 7, во внеклеточной жидкости — 7,4. Нервные окончания, которые находятся вне клеток, очень чувствительны к изменению pH. При механических или термических повреждениях тканей стенки клеток разрушаются и их содержимое попадает на нервные окончания. В результате человек чувствует боль. Скандинавский исследователь Олаф Линдал проделал такой эксперимент: с помощью специального безыгольного шприца человеку впрыскивали под кожу очень тонкую струйку раствора, который не повреждал клетки, но действовал на нервные окончания. Было показано, что боль вызывают именно катионы водорода, причем с уменьшением pH раствора боль усиливается. Аналогично непосредственно «действует на нервы» и муравьиная кислота, содержащаяся в слюне некоторых насекомых, в стебле и листьях крапивы. Разным значением pH тканей объясняется также, почему при одних воспалениях человек чувствует боль (среда кислая), а при других — нет (среда щелочная).
