Khi các cơ chất hoà tan trong nước, chúng phóng thích các ion hydro ( H+ ), proton mang điện tích dương, riêng lẽ. Các hạt mang điện nhỏ bé này có thể gắng kết với các phân tử , vì thế sẽ thay đổi tính chất của chúng. Ví dụ, các hạt proton trong cơn mưa acid có thể làm tổn thưong tới các cây thực vật, và bạn có thể quen với việc quá lượng acide trong dạ dày ảnh hưởng đến tiêu hóa. Trong phần này chúng ta sẽ chỉ tham khảo các tính chất của các chất phóng thích H+ ( gọi là acid ) và những chất nhận H+ ( gọi là kiềm ). Chúng ta sẽ phân biệt acide, kiềm yếu ,mạnh và đưa ra định nghĩa tương đối về nồng độ H+ trong dung dịch : the pH scale – cân độ pH
Acid cho H+, base nhận H+
Nếu acid hydrochloric thêm vao nước, sẽ bị phân ly và phóng thích ion H+và ion Cl- HCl → H+ + Cl-
nếu nồng độ H+ tăng , dung dịch acid. Tương tự như phản ứng đốt cháy propane và oxy ( xem hình 2.15), sự hòa tan HCl tạo các ion là một phản ứng hoàn toàn. HCl sẽ được gọi là môt acide mạnh.
Acid se phóng thích ion H+ trong trong dung dịch. HCl là một acid, như acidesulfuric H2SO4. Một phân tử acid sulfuric bị ion thành 2 H+ và 1 SO42-. Các hợp chất sinh học có chứa các –COOH ( nhóm carboxyl)cũng được gọi là các acid ( như acid acetic CH3COOH và acid pyruvic CH3COCOOH); vì
HCO-OH → -COO - + H+
Không phải tất cả các acid hòa tan hoàn toàn trong nước. ví dụ, acid acetic cộng với nước , phản ứng xảy ra không hoàn toàn nên acid acetic gọi là acid yếu.
Kiềm nhận ion H+. Giống như acid, kiềm cu-‘ng có kiềm mạnh và kiềm yếu. Nếu như sút ( NaOH) thẹm vào nước, nó dẽ bị hòa tan và phân ly, cho ra ion OH- và ion Na+
NaOH → Na+ + OH–
Bởi vì nồng độ pH tăng và ion OH- hấp thụ ion H+ tạo ra phân tử nước.dung dịch gọi là dung dịch baz. Và phản ứng xảy ra hoàn toàn nên NaOH gọi là một baz mạnh. Các baz yếu như : ion bicarbonate HCO3-, có thể chấp nhận ion H+, và trở thành acid carbonic (H2CO3); amonia (NH3) nhận H+ và trở thành NH4+. Nhóm chức amino chấpnhận các ion H+ nên được xem như là các baz.
-NH2 + H+ → - NH3+
Phản ứng acide-base là phản ứng thuận nghịch.
Khi acid acetic hòa tan trong nước, hai phản ứng xảy ra. Đầu tiên, acid acetic tạocácions : CH3COOH → CH3COO- + H+
Sau đó, khi mà ion đã được tạo ra, chúng tái kết hợp lại thành acid acetic:
CH3COO- + H+ → CH3COOH
Cặp phản ứng trên thuận nghịch. Một phản ứng thuận nghịch có thể diễn ra theo hai hướng, từ phải sang trái, hay từ trái sang phải, tùy vào nồng độ chất phản ứngvà sảnphẩm tạo ra. Công thức cho một phản ứng thuận nghịch được thể hiện bằng dấu hai mũi tên:
CH3COOH ↔ CH3COO- + H+
Về nguyên tắc, tất cả các phản ứng hóa học xảy ra hai chiều. Đối với acid và bazơ có hai loại phản ứng hoá học, dựa theo mức độ thuận ngược:
-Sụ ion hóa các acid và base mạnh thì coi như không thuận nghịch. -sự ion hóa các acid và base yếu có phần thuận nghịch.
Nhiều nhóm acid và base trong hệ thống các đại phân tử thì yếu.
Nước là một acid yếu.
Phân tử nước hơi có xu hướng ion hóa thành ion hydroxide OH- và ion hydro H+ nhưng điều này rất có ý nghĩa. Thực ra có hai phân tử nước tham gia quá trình ion hoá này. Một trong hai phân tử sẽ bắt lấy một ion hydro, tạo một ion hydro (H+) và một ion hydronium (H3O+)
Sự ion hoá nước rất quan trọng các sinh vật sống. Dữ kiện này có lẽ gây ngạc nhiên là chỉ có một phân tử nước trong 500 triệu phân tử bị ion hoá ở bát kì thời điểm nào. Chúng ta
sẽ ít b-&t ngờ hơn nếu tập trung vào sự dồi dào nước trong hệthống sinh vật và bản chất phảnứng của ion H+ sản xuát triong quá trình ion hóa.
pH là thước đo nồng độ ion hydro.
Thuật ngữ acidic và basic liên quan tới dung dịch. Dung dịch acide hay baz là tùy thuộc vào mối liên quan nồng độ của ion H+ và ion OH-. Từ ngữ acid và baz đề cập tới các hởp chất và các ion. Một hợp chất hay ion acid cho H+, và hợp chất,ion baz nhận H+
Làm thế nào chúng ta phânbiệt được dung dịch acid hay dung dịch baz ?
Đầu tiên, nhìn vào nồng độ ion H+ của dung dịch tương phản. Nồng độ diễ tả ở nồng độ mol, số lượng mol của hợp chất trong một lít dung dịch. ( trang 28 ). Nước tinh khiết , nồng độ ion H+ là 10-7 mol/lit. Trong 1M acid hydrochloric, nồng độ ion H+ là 1M ; trong 1M dung dịch sút, nồng độ H+ là 10-14 Bời vì thang giá trị khá rộng, nồng độ ion H+ là thước đo không thíchhợp. Để đơn giản hơn, người ta dùng nồng độ logarithm, vì nồng độ loga giảm thang giá trị.
Chúng ta chỉ ra dung dịch acid hay baz bằng độ pH. Giá trị pH địnhnghĩa giá trị âm logarithm của nồng độ ion hydro trong 1 lit dung dịch ( nồng độ mol ). Trong ký hiệu hoá học, nồng độ mol thường được biểu thị trong dấu ngoặc đơn. Ví dụ [H+] biểu thị nồng độ mol của ion H+ .
Công thức pH : pH = - log 10[H+]
Khi nồng độ H+ của nước tinhkhiết là 10 -7)M, nồng độ pH của nó là pH = - log(10-7)= -(- 7) hay 7 . Logarít âm càng nhỏ nghĩa là số càng lớn. Giá trị pH thấp nghĩa là nồng độ ion H+ cao hay là tính acid càng lớn.
Trong 1M HCl, nồng độ H+ là 1M, vì thế pH là giá trị loga âm của 1 (-log10 ) bằng 0. pH của 1M NaOH là giá trị âm của loga 10-14 bằng 14.
Một dung dịch pH nhỏ hơn 7 mang tính acid, chứa nhiều ion H+ hơn là ion OH- ; một dung dịch pH 7 trung tinh ; dung dịch pH lớn hơn 7 là baz.
Xem hình 2.18 hiển thị các giá trị pH của vài chất thông thường.
Dung dịch đệm hạn chế tối thiểu sự thay đổi pH
Một số sinh vật , có lẽ có cả các sinh vật đầu tiên sống và thích ứng trơng những môi trường có pH cực đoan. Tuy nhiên đa số sinh vật kiểm soát pH của các khoang riêng biệt bên trong tế bào của chúng. Ví dụ pH bình thường của tế bào hồng cầu người là 7,4 và chỉ cần sai khác 1/10 của một đơn vị pH cũng có thể gây chết. Việc kiểm soát pH thực hiện được là nhờ dung dịch đệm : là một hỗ hợp các chất hoá học có thể duy trì pH tương đối ổn định ngay khi thêm hay bớt một lượng acid hay base đáng kể.
HCO3- + H+ ↔ H2CO3
Nếu như 1 baz thêm vào, phản ứng cần dảo ngược. Vài acid carbonic ion hóa sản xuất ion bicarbonate và nhiều ion H+ . Bằng cách nay , dung dịch đệm giảm được ảnh hưởng của việc thêm hay bớt acid hay baz trện pH. Ở máu , hệ thống dung dịch đệm qua trọng trong việc ngăn ngừa nhữ thay đổi có ý nghĩa trong pH có thể ngăn cản chức năng vận chuyển O2 đến các mô và cơ quan. Một lượng thêm acid hay baz gây nên sựthay đổi nhỏ pH trong dung dịch đệm hơn là trong dung dịch không đệm ( xem hình 2.19 )
Dung dịch đệm minh họa nguyên tắc hóa học chính trong phản ứng thuận nghịch gọi là qui luật khối lương chất ( law of mass action ) . Sự thêm một chất phản ứng ở một chiều của hệ thống thuận ngươc sẽ đưa đến phản ứng theo chiều sử dụng các phức hợp. Trong trường này , thêm môt acid đưa đấn phản ứng theo 1 chiếu, thêm 1 baz theo chiều phản ứng ngược lại.