Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Вода
Шкала pH: обозначения концентраций ионов Н+ и ОН-

Шкала pH представляет собой удобный способ обозначения истинной концентрации ионов Н⁺ (а следовательно, и ионов ОН^-) в любом водном растворе, кислотность которого лежит в интервале между 1,0 М Н⁺ и 1,0 М ОН^-. Шкала pH составлена на основе ионного произведения воды K_w.

Термин pH определяется выражением

В строго нейтральном растворе, в котором концентрация ионов Н ⁺ составляет 1,0∙10-⁷ М, величина pH при 25°С равна

Значение 7,0 для pH строго нейтрального раствора-это не случайно выбранная цифра; оно получено из численного значения ионного произведения воды при 25°С. Растворы, имеющие pH больше чем 7, являются щелочными, поскольку концентрация ионов ОН^- в таких растворах больше концентрации ионов Н⁺. И наоборот, растворы, имеющие pH меньше 7, - это кислые растворы (табл. 4-2).

Особенно важное значение имеет то обстоятельство, что шкала pH является не арифметической, а логарифмической. Если говорят, что величины pH каких-то двух растворов различаются на одну единицу, то это означает, что концентрация ионов Н⁺ в одном из них в 10 раз больше, чем в другом, хотя мы можем и не знать абсолютные значения pH этих растворов. На рис. 4-9 приведены значения pH для некоторых жидкостей. Заметим, что концентрация ионов Н⁺ в напитке кока-кола (pH 3) или в красном вине (pH)

Дополнение 4-1. Ионное произведение воды

Ионное произведение воды позволяет вычислить концентрацию ионов Н⁺, если известна концентрация ионов ОН^-, и наоборот. Две приведенные ниже задачи иллюстрируют эту возможность.

1. Какова концентрация ионов Н⁺ в 0,1 н. растворе NaOH?

K_w = [H⁺][OH^-].

Решая это уравнение относительно [Н⁺], имеем

2. Какова концентрация ионов ОН в растворе, в котором концентрация ионов Н⁺ равна 0,00013 М?

K_w = [H⁺][OH^-].

Решая это уравнение относительно [ОН], имеем 3,7) приблизительно в 10 000 раз больше, чем в крови.

Таблица 4-2. Шкала pH

Иногда для количественной характеристики основности, т. е. концентрации ионов ОН^- в растворе, используют величину рОН, определяемую выражением

которое аналогично выражению для pH. Например, значение рОН раствора с 0,1 М концентрацией ионов ОН^- равно единице, тогда как значение рОН раствора, в котором ионы ОН^- присутствуют в 10^-7 М концентрации, равно 7,0. Следует запомнить, что величины pH и рОН связаны одна с другой очень простым соотношением:

pH + рОН = 14.

В табл. 4-2 показана эта обратная зависимость между величинами pH и рОН.

Величину pH водного раствора можно приблизительно оценить, используя различные индикаторные красители, такие, как лакмус, фенолфталеин и фенилрот, однако точные измерения pH в химических и клинических лабораториях производят при помощи специальных стеклянных электродов, которые обладают избирательной чувствительностью по отношению к ионам Н⁺, но нечувствительны к ионам Na⁺, К⁺ и другим катионам. В приборе, называемом рН-метром, сигнал от этого электрода усиливается и сравнивается с сигналом, генерируемым раствором, который имеет точно известную величину pH.

Рис. 4-9. Величины pH некоторых жидкостей.

Измерение pH является одной из наиболее важных и часто используемых в биохимии процедур, поскольку от pH зависят очень многие существенные структурные особенности и активность биологических макромолекул, в частности каталитическая активность ферментов. Более того, измерения pH крови и мочи - это рутинные процедуры, постоянно используемые при диагностике заболеваний. Например, у людей, страдающих тяжелой формой диабета, значение pH крови часто снижено по сравнению с нормальной величиной pH 7,4. Такое состояние называется ацидозом. Наоборот, при некоторых других заболеваниях величина pH у больных может быть выше нормы-состояние, называемое алкалозом.