Savak, bázisok és pufferek

Nagy az esélye, hogy néhány dolgot még akkor is tudsz a savakról és bázisokról, ha nem jártál még kémialaborban. Például ittál már narancslevet, vagy kólát? Ha igen, akkor bizony ismersz néhány hétköznapi savas oldatot. És ha használtál már a főzés során sütőport vagy tojásfehérjét, akkor bázisokat is ismersz.$^1$start superscript, 1, end superscript

Talán észrevetted, hogy a savas dolgok sokszor savanyúak, a bázikusak, mint a szappan vagy a hipó, pedig általában csúszósak. De mit jelent pontosan, hogy valami savas vagy bázikus? Röviden:

Hogy pontosan megértsük ezt a meghatározást, vizsgáljuk meg a víz sav-bázis tulajdonságait.

A vízmolekulák kis százalékának öndisszociációja miatt tiszta vízben spontán képződnek hidrogénionok. Ezt a folyamatot nevezzük a víz autoprotolízisének, vagy öndisszociációjának.

$\text{H}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text $\text{(f)}$start text, left parenthesis, f, right parenthesis, end text $\rightleftharpoons$\rightleftharpoons $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text + $\text{OH}^-$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript $\text{(aq)}$start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text

A zárójelben lévő betűk csak azt jelölik, hogy a víz folyadék (f), és az ionok vízben oldott (aq) formában vannak jelen.

Az egyenletből látható, hogy azonos mennyiségű hidrogénion (H$^+$start superscript, plus, end superscript) és hidroxidion (OH$^-$start superscript, minus, end superscript) képződik. Míg a hidroxidionok szabadon úszkálhatnak az oldatban, a hidrogénionok közvetlenül egy szomszédos vízmolekulához kapcsolódnak, így alkotva oxóniumionokat (H$_3$start subscript, 3, end subscriptO$^+$start superscript, plus, end superscript). Szóval tényleg nem úszkálnak H$^+$start superscript, plus, end superscript-ionok szabadon a vízben. Azonban a tudósok még mindig a szabad formát használják, ha a hidrogénionokról és koncentrációjukról van szó, és nem az oxóniumion-formát – az előbbi csak egy megszokásból használt rövidítés.

Szóval akkor mennyi vízmolekula disszociál egy kancsó vízben? Tiszta vízben a disszociáció révén keletkező hidrogénionok száma 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M (mól per liter víz).

Ez sok vagy kevés? Bár a hidrogénionok száma egy liter vízben nagynak tűnhet ahhoz képest, hogy általában milyen nagyságrendben gondolkodunk (kvadrilliós nagyságrend), de a vízmolekulák száma – disszociált és nem disszociált – összesen 33,460,000,000,000,000,000,000,000$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript körül mozog. (Lesz mire gondolni, amikor legközelebb megiszol egy pohár vizet!) Szóval a disszociált ionok száma nagyon kis töredéke az összes molekula számának, akármennyi vizet veszünk is alapul.

Az oldatok, kémhatásukat tekintve, savasak vagy bázikusak (illetve semlegesek) lehetnek. A savas oldatok H$^+$start superscript, plus, end superscript koncentrációja magasabb, mint a tiszta vízé (nagyobb, mint 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M), míg a bázikus oldatok H$^+$start superscript, plus, end superscript koncentrációja alacsonyabb (kisebb, mint 1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M). Az oldatok hidrogénion koncentrációját általában a pH-val jellemezzük. A pH számítása során vesszük az oldat hidrogénion koncentrációjának tízes alapú negatív logaritmusát:

A H$^+$start superscript, plus, end superscript körüli szögletes zárójelek csak azt jelentik, hogy az ion koncentrációjáról van szó. Ha a víz hidrogénion koncentrációját (1 × 10$^{-7}$start superscript, minus, 7, end superscript M) behelyettesítjük az egyenletbe, a kapott eredmény 7,0 lesz, ezt tekintjük semleges pH-nak. Az emberi testben a vér és a sejtek belsejében lévő citoszólnak (vizes, kocsonyás anyagnak) is közel semleges pH-ja van.

Ha savat vagy bázist adunk egy vizes oldathoz, a H$^+$start superscript, plus, end superscript koncentráció elmozdul a semleges tartományból. A mi szempontunkból most a sav egy olyan anyag, amely megemeli az oldat hidrogénion koncentrációját, általában azáltal, hogy egy ledisszociált hidrogénionját az oldatnak adja. Ezzel szemben a bázis megemeli a pH-t (csökkenti a H$^+$start superscript, plus, end superscript koncentrációt) hiszen hidroxidiont (OH$^-$start superscript, minus, end superscript-t), vagy más iont, molekulát juttat az oldatba, amely felveszi ezt, és ezáltal eltávolítja onnan a hidrogénionokat. (Ez a sav és bázis fogalmak leegyszerűsített változata, mely biológiai szempontból jól használható. Más sav-bázis definíciókért látogass el a kémia tantárgy oldalára!)

Minél erősebb a sav, annál könnyebben disszociál, ad le H$^+$start superscript, plus, end superscript iont. Például a sósav (HCl) vízben teljesen disszociál hidrogén- és kloridionokra, így erős savnak tekinthető. A paradicsomlében lévő savak és az ecet viszont nem disszociálnak teljesen vízben, így gyenge savaknak minősülnek. Ugyanígy az erős bázisok, mint a nátrium-hidroxid (NaOH), teljesen disszociálnak vízben, hidroxidionokat (vagy más bázikus ionokat) adva, melyek felveszik a H$^+$start superscript, plus, end superscript iont.

A pH skála segítségével rangsorolhatjuk az oldatokat savasságuk vagy bázikusságuk (lúgosságuk) alapján. Mivel a skála pH értékekre épül, ezért logaritmikus, más szóval ha a pH érték eggyel nő, az tízszeres H$^+$start superscript, plus, end superscript ion koncentráció változásnak felel meg. Általában azt mondjuk, hogy a pH skála 0-tól 14-ig terjed, és a legtöbb oldat valóban ebbe a tartományba esik, de előfordulhat 0 alatti és 14 feletti pH is. 7,0 alatt mindent savasnak, 7,0 felett mindent bázikusnak, avagy lúgosnak hívunk.

Az emberi sejtek pH-ja (6,8) és a vér pH-ja (7,4) egyaránt nagyon közel van a semlegeshez. A szélsőséges pH-értékeket, akár 7,0 felettiek akár alattiak, az élet szempontjából kedvezőtlennek tekintjük. Mindamellett a gyomor belsejében a környezet nagyon savas, pH 1 és 2 közötti. Hogy oldja meg a gyomor ezt a problémát? A válasz: gyorsan cserélődő sejtjei vannak! A gyomorsejtek, főleg azok, amelyek a gyomorsavval és az étellel közvetlenül érintkeznek, folyamatosan elhalnak, és újak veszik át a helyüket. Az ember gyomrának belső rétege például 7-10 naponta teljesen megújul.

A legtöbb élőlénynek, ideértve az embert is, meglehetősen szűk tartományban kell tartani a pH-t az életben maradáshoz. Például az emberi vér pH-jának közvetlenül 7,4 körül kell lennie, elkerülve a magasabb vagy alacsonyabb pH felé történő jelentős eltolódást akkor is, ha a keringésbe savas vagy lúgos vegyület kerül, vagy éppen lép ki onnan.

A pufferek, vagyis a pH-változásnak ellenálló oldatok kulcsszerepet játszanak a biológiai rendszerek közel állandó H$^+$start superscript, plus, end superscript ionkoncentrációjának fenntartásában. Amikor túl sok a H$^+$start superscript, plus, end superscript ion, a puffer felvesz belőlük párat, így emelve a pH-t; amikor meg túl kevés, a puffer a saját H$^+$start superscript, plus, end superscript ionjaiból ad le néhányat, hogy a pH csökkenhessen. Puffereket általában sav-bázis párok alkotnak, ahol a savak és a bázisok egy proton jelenlétében vagy hiányában különböznek egymástól (úgy mondjuk, hogy egy konjugált sav-bázis párt alkotnak).

Például az emberi vér normál pH-ját fenntartó pufferrendszerbe tartozik a szénsav (H$_2$start subscript, 2, end subscriptCO$_3$start subscript, 3, end subscript) és konjugált bázispárja, a bikarbonát ion (HCO$_3$start subscript, 3, end subscript$^-$start superscript, minus, end superscript). Szénsav akkor keletkezik, amikor szén-dioxid lép a véráramba és vízzel elegyedik. A szén-dioxid legnagyobbrészt ebben a formában szállítódik az izmok és a tüdő között, vagyis a keletkezés helyétől odáig, ahol visszaalakul vízzé és CO$_2$start subscript, 2, end subscript-dá, ami szükségtelen anyagként kiürül szervezetből.

Ha túl sok H$^+$start superscript, plus, end superscript ion gyülemlik fel, a fenti egyenlet a jobb irányba tolódik el, a bikarbonát ionok felveszik a H$^+$start superscript, plus, end superscript ionokat, és szénsavat képeznek. Ugyanígy, ha a H$^+$start superscript, plus, end superscript ionkoncentrációja túl alacsonyra csökken, az egyenlet balra tolódik, és a szénsavból bikarbonát keletkezik, H$^+$start superscript, plus, end superscript ionokat adva az oldatnak. E pufferrendszer nélkül olyannyira ingadozna a test pH-ja, hogy az veszélyeztetné az életet.