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课程: 生物 > 单元 3

课程 4: 酸，碱和 pH

酸、碱、pH、和缓冲剂

酸、碱、pH、和缓冲剂

酸性和碱性、质子浓度、pH值表、和缓冲剂。

介绍

即使你从来没有去过化学实验室，你也会知道一两个关于酸和碱的特性。比如，你有没有喝过橙汁或者可乐？如果有，那么你就已经认识了一些酸性液体。又或者如果你在烹饪的时候用过小苏打和蛋白，那么你也就认识了一些碱性液体

^{1}

。

你可能已经注意到，酸性的东西往往会尝起来酸酸的。还有一些日常用品，如肥皂或漂白剂，往往是滑滑的。但是一个东西是酸性和碱性究竟意味着什么呢？这里给出了简单的答案：

相对于纯净水，酸性液体中含有更高浓度的氢离子(H $^{+}$ ‍)。
相对于纯净水，碱性液体中含有较低浓度的氢离子(H $^{+}$ ‍)。

通过了解纯净水本身的酸碱性，这可以让我们认识到酸碱性的定义是怎么来的。

水的自电离

纯净水中一小部分的水分子会自然地分解（离子化），并产生氢离子。这个过程被称为水的自电离：

H_{2}

O

(l)

⇌

H^{+}

(aq)

{OH}^{-}

(aq)

括号中的字母表示水是液体(liquid, l)，而离子溶于水溶液中(aqueous solution, aq)。

如化学方程所示, 水分子的自电离会产生同样数量的氢离子（H

^{+}

）和氢氧离子（OH

^{-}

）。氢氧离子（OH

^{-}

）可以在溶液中漂浮, 但氢离子（H

^{+}

）会直接与邻近的水分子化合形成水合氢离子（H

_{3}

^{+}

）。所以溶液中实际并没有独立的氢离子 (H

^{+}

）存在于水中。然而当要思考氢离子（H

^{+}

）的浓度时，科学家们仍然习惯于将氢离子 (H

^{+}

）视作独立存在于水中的离子，而不会考虑其转化后的水合氢离子（H

_{3}

^{+}

）--这只是我们按照惯例使用的简化认知。

那么，到底在一壶水中有多少水分子会自电离呢？在纯净水中自电离产生的氢离子浓度为 1x10

^{- 7}

M (每升水中的摩尔量)。

摩尔是一个单位，一般用来表示大量的体积非常小的物质，比如说原子和分子。一摩尔物质相当于6.02 x 10

^{23}

个这种物质。摩尔浓度（M）表示一升溶液中有多少溶质（分子、离子等）。

摩尔数（阿佛加德罗数）看似非常随意，但它有一个非常重要的特点，那就是一摩尔单位的元素，它的克数等于它的原子质量。

这到底是多还是少呢？一升水中氢离子的数量比我们能想象数值范围的要大的多（在一千万亿以上），一升水中算上电离的和未电离的水分子大约有33,460,000,000,000,000,000,000,000

^{2, 3}

。（现在你对你的下一杯水是不是有什么不同的看法了？）。尽管如此，自电离的水分子只占了水分子总量非常渺小的一部分。

酸性和碱性

通过比较溶液中氢离子的浓度和纯净水中氢离子的浓度，我们可以将所有溶液分类为酸性和碱性。酸性溶液有比纯净水更高浓度的氢离子H

^{+}

（也就是大于1 × 10

^{- 7}

M），而碱性溶液相对于纯净水，氢离子H

^{+}

的浓度更低（也就是小于1 × 10

^{- 7}

M）。通常情况下，氢离子的浓度可以用pH来表示。pH的可以由计算氢离子浓度的负对数得出。

pH = - l o g_{10}

[H

^{+}

]

我们将H

^{+}

放在中括号里面表示氢离子的浓度。如果我们将纯净水中氢离子的浓度(1 × 10

^{- 7}

M)代入这条公式，我们会得到7.0这个值，也就是我们常说的中性pH。在人体内，血液和细胞中的溶质的pH都非常接近中性。

当在溶液中加入酸性液体或者碱性液体，H

^{+}

的浓度会随之变化。一般来说，酸会增加溶液中氢离子（H

^{+}

）的浓度，因为酸可以自电离出氢离子。相反的，碱会增加溶液中的氢氧离子（OH

^{-}

）或是其它能吸附氢离子的分子和离子，从而提高了溶液的pH值。（在学习生物时，这种简化的对于酸和碱的的定义是非常实用的。你可以参见化学文章里的其它酸碱性的定义。

酸性越强，溶液越容易离解产生氢离子（H

^{+}

)。例如，盐酸（HCl）在水中可以完全离解成氢离子和氯离子，所以它被归类为强酸。而另一方面，番茄汁和醋中的酸，在水中不会完全离解，所以它们被归类为弱酸。同样的，像氢氧化钠这样的强碱也可以在水中完全离解，并释放能吸附H

^{+}

的氢氧根离子（或者其他碱性离子）

pH值

pH值可以对不同的溶液根据其酸性或碱性（碱度）进行排序。因为使用pH值作为排列的参数，所以pH值每增减1，对应着H

^{+}

的浓度增减十倍。pH值的范围一般在0到14之间，且大多数溶液都在这个范围内。不过pH值是可以大于0或者小于14的。任何pH值低于7.0的溶液都是酸性的，任何pH值高于7.0的溶液都是碱性的。

人体中的细胞内部（6.8）和血液（7.4）的pH都非常接近中性。而极端的pH值无论是高于7.0还是低于7.0都被认为不适合生命生存。但是，在人的胃里，pH值则在1到2之间。胃为什么不会被强酸破坏呢？答案是：它含有一次性的细胞！胃细胞，尤其是那些直接与胃酸或食物接触的胃细胞会不断地死亡并被新细胞代替。实际上，人们胃内表面的细胞每七到十天就会完全更换一次。

缓冲

包括人类在内的大多数生物需要将pH值保持在一个狭小的范围中才能生存。比如说，人的血液必须保持在pH值7.4左右，并且即使是在酸性或碱性物进入血液时，也要防止突然大幅度的上升或者下降。

缓冲溶液 （Buffers）是一种可以防止pH变化的溶液，也是维持生物系统中稳定pH的关键。当H

^{+}

过多时，缓冲溶液可以吸收过多的H

^{+}

，从而提升pH回到原始值。当H

^{+}

不足时，缓冲溶液可以释放H

^{+}

，从而降低pH值。缓冲溶液通常由一对酸和碱构成，其酸和碱可以随着溶液中氢离子的变化而变化（共轭酸碱对）。

例如，保持人体血液pH值的缓冲溶液是碳酸（H

_{2}

_{3}

）和它的共轭碱碳酸氢盐离子（HCO

_{3}

^{-}

）。当二氧化碳进入血液并且溶解于水中时会形成碳酸，这是二氧化碳在肌肉（产生二氧化碳）和肺（分离水和CO

_{2}

，再将二氧化碳排出体外）之间移动的一种主要方式。

如果溶液中的H

^{+}

离子增多，上面的化学式就会倾向于向右反应。碳酸氢盐离子会吸收H

^{+}

形成碳酸。同样的，如果H

^{+}

浓度太低，上面的化学式就会倾向于向左反应，碳酸就会分解成碳酸氢盐离子并释放H

^{+}

在溶液中。如果身体里没有缓冲溶液，那么身体内的pH值就会大幅波动并且危及到人的生存。

引用

这篇文章源自 “Water,” by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Download the original article for free at http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:7/Biology.

这篇文章的授权号是CC BY-NC-SA 4.0 。

参考文献：

Acids and bases. (2015). In Your Mother Was a Chemist. Retrieved from http://kitchenscience.sci-toys.com/acids.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Acidic and basic conditions affect living organisms. In Campbell Biology (10th ed., p. 51). San Francisco, CA: Pearson.
Brindza, P. (n.d.). How many atoms are in the human head? In Jefferson lab. Retrieved from http://education.jlab.org/qa/mathatom_03.html.

其他参考文献

Buffers. (n.d.) Retrieved July 6, 2015 from UC Davis ChemWiki: http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Acids_and_Bases/Buffers.

Lower, S. and Kahlon, A. (n.d.) The hydronium ion. Retrieved May 29, 2016 from UC Davids ChemWiki: http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Physical_Chemistry/Acids_and_Bases/Aqueous_Solutions/The_Hydronium_Ion.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Acids and bases. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 29-30). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Acidic and basic conditions affect living organisms. In Campbell biology (10th ed., pp. 51-53). San Francisco, CA: Pearson.

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wei yu
发布于 1 年前。直接链接到 wei yu 的帖子 “如果说一摩尔单位的元素它的克数等于它的原子质量...”
如果说一摩尔单位的元素它的克数等于它的原子质量那么就意味着不同的元素它的一摩尔单位所代表的克数也是不同的所以摩尔只是一个计数单位而不是重量单位请问是这样吗？
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