【化学关系】6. 酸与碱II：共轭离子和缓冲液

内容概要

平衡：保持平衡的艺术
共轭酸碱与两性分子
强酸与弱酸
弱酸及其共轭碱是很好的缓冲液
结论

你知道么？

我们认为水是中性的，但你知道水既可以作为酸又可以作为碱吗？这是水在我们身体化学中最重要的作用之一。水能提供或接受质子，让我们的体液和组织保持平衡状态，这种特性是人体pH控制系统的关键。酸碱化学对许多其他常见工艺也很重要，例如染织物、生产美容产品、制备药物。

关键概念

根据布朗斯特-劳里（Brønsted-Lowry）的定义，共轭碱是失去质子的酸，共轭酸是带有额外质子的碱。
水是酸碱两性的（amphoteric）。它既可以充当酸，又可以充当碱。它接受一个质子成为水合氢离子（H₃O⁺），或解离成质子和氢氧根离子（OH^-）。
酸的强度取决于其在水中电离的倾向，而不是溶液中酸的浓度
缓冲液是含有弱酸及其共轭碱的溶液，使它们能够在不改变pH值的情况下吸收强酸或强碱。

啊！披萨，还有它可能导致的消化不良啊！

在“酸与碱I：定义、pH值、中和” 模块中，我们研究了抗酸剂如何作为碱，来中和比萨饼的酸性番茄酱和奶酪。抗酸剂含有碳酸钙，碳酸钙解离并释放碳酸根离子（CO₃^2-），它会吸收H⁺离子，降低胃中的酸度，根据下面这个化学式：

化学式1：2H⁺(aq) + CO₃^2-⇾ H₂CO₃

即使不服用抗酸剂，身体也会设法将你的消化系统调整到适当的pH值。身体不断产生二氧化碳，其中一些被呼出，另一些留在血液中，并与水结合产生碳酸。身体如何无论接触什么，都能保持pH值并正常运作，这是怎么做到的？

十九世纪后期，生理学家和化学家对身体内部酸碱平衡问题非常感兴趣，他们希望能够治疗那些平衡机制不起作用的人，这些人的血液中会积聚酸，这种情况也叫“酸中毒”。在试图了解人体如何实现pH平衡的过程中，科学家更全面了解了溶液中酸和碱之间实际发生的情况。这些知识在治疗酸中毒方面继续发挥着重要作用，而酸中毒常见于肾病或糖尿病患者。

平衡：保持平衡的艺术

图2：劳伦斯·亨德森（Lawrence Henderson）对生物化学的兴趣促使他研究碳酸氢盐的解离反应。他确定，参与酸平衡的离子是人体如何保持其稳定的内部pH值的核心。他的生化研究将对酸碱化学做出重大贡献，包括用于计算溶液pH值的Henderon-Hasselbalch方程。

二十世纪初，化学家开始清楚地了解离子（包括酸和碱的离子）在水中的行为。年轻的哈佛生物化学家劳伦斯·亨德森（Lawrence Henderson）将这种新理解应用于生物系统。他知道，酸中毒患者在注射碳酸氢盐时会有所改善，碳酸氢盐是人体能够自然产生的。亨德森研究了碳酸氢盐的平衡和解离反应，在一篇具有里程碑意义的论文中，他的结论是，这些离子和其他弱酸构成了人体的pH控制系统。

亨德森是如何推理的？他知道碳酸在水中解离，释放出质子：

化学式2：H₃CO₃ ⇾ H⁺ + HCO₃^-

当时的研究表明，这个方程式不完全正确，因为它没考虑水。而水实际上在酸碱化学中起着重要作用。在酸性溶液中，水通过接受酸释放的质子而充当“布朗斯特-劳里”所定义的碱（请参阅“酸与碱I：定义、pH值、中和”模块，查看对酸和碱的定义）：

化学式3：H⁺ + H₂O ⇾ H₃O⁺

产生的带正电荷的分子称为水合氢离子（H₃O⁺）。事实上，一杯纯水中也会发生这种形成水合氢离子的反应。因为水是极性的，并且不断与其他水分子进行氢键结合，所以这些分子中的极少数会解离成它们的组成离子，如下式4所示：

化学式4：2H₂O ⇔ H₃O⁺ + OH^-

双向箭头表示反应同时发生在正向（从左到右）和逆向（从右到左）上。换句话说，当一些水分子吸收氢离子变成水合氢并形成氢氧化物（OH^-）时，一些水合氢离子正在失去氢离子变成水。正向反应以与逆向反应速率相同时，达到“平衡”（equilibrium），水的pH值为7.0，我们认为它是中性的。

然而，这种反应会受到水中其他成分的影响——向水中添加碱，一些水合氢离子会发生反应而不会形成水。在水中加入酸，就会改变平衡，形成更多的水合氢离子。事实上，水是能够同时充当酸和碱的几种分子之一。这种分子被称为两性分子。

将水的作用添加到式2中，我们可以更全面地了解碳酸溶液中发生的事情：

化学式5：H₂CO₃ + H₂O ⇔ H₃O⁺ + HCO₃^-

因此，水不仅仅是一个旁观者，它参与反应。向溶液中加入酸会使平衡转向产生水合氢离子（H₃O⁺），使溶液呈酸性。所有酸碱反应都是如此。

【考考自己】水既能作为酸，也能作为碱。

a.对

b.错

共轭酸碱与两性分子

让我们更仔细地看看，这如何与碳酸一起发挥作用。化学式5显示，水已经接受了来自碳酸的解离质子。正如我们所看到的，在水中，碳酸根据方程式解离：

碳酸	水	碳酸盐离子	水合氢离子
H2CO3	+ H2O	⇔	HCO3-	+ OH-
酸	酸	共轭碱	共轭酸

表 1：化学式5

在这个反应中（化学式5），碳酸提供质子，水通过接受质子充当碱。由此产生的产物是碳酸失去质子时形成的碳酸氢根离子和水接受质子时形成的水合氢离子。水合氢离子称为水的共轭酸。反应的共轭酸是从提供质子的反应物中接受质子的物质。在这种情况下，水合氢离子能够在另一个反应中作为酸反应，提供它获得的质子。碳酸氢根离子是共轭碱，在初始反应中失去质子的物质，共轭碱能够在另一个化学反应中接受质子。

这种现象总是成对发生。反应中的酸在放弃质子时总是产生共轭碱，而原始碱在接受质子时总是产生共轭酸。这四个部分总是同时存在，无论是水作用于原始酸还是其他化合物。

方程中的双向箭头告诉我们，反应发生在正向和反向两个方向上。在碳酸和水的溶液中，酸和碱分子不断反应形成共轭碱和共轭酸分子，同时，共轭酸和碱分子反应形成原来的酸和碱。

当碱与水混合时，也会发生类似的现象。请记住，水是两性的，能够充当酸和碱，具体取决于条件。让我们看看当我们将碱（在本例中为氨NH₃）放入水中时会发生什么：

氨水

水

铵

离子

氢氧

离子

NH3

+ H2O

⇔

NH4+

+ OH-

碱

酸

共轭酸

共轭碱

表 2：化学式6

在这个反应的正向方向上，水向NH₃提供质子。在相反的方向上，OH^-离子充当共轭碱，因为它可以接受共轭酸NH₄⁺提供的质子。

化学式3和4展示了水的两性。事实上，劳伦斯·亨德森（Lawrence Henderson）在二十世纪早期所写的碳酸氢根离子也是两性的，可以作为酸或碱。换句话说，碳酸氢盐可以接受质子，就像共轭碱在化学式5中的逆反应中所做的那样，或者它可以提供质子，成为碳酸根离子（在此过程中产生水合氢离子）。

图5：碳酸平衡

虽然亨德森在身体如何保持pH平衡的故事中发现了一条核心线索，但直到他阅读了另一位化学家的著作，他才能够确切地解释这一切是如何发生的。

【考考自己】酸在共轭酸碱反应中，当_____一个质子，就产生一种共轭碱。

a.放弃

b.接受

强酸与弱酸

在进一步解释碳酸氢盐如何控制血液pH值之前，我们需要明确强酸和弱酸之间的一些差异。盐酸HCl是一种存在于胃中的强酸，帮助分解食物。它还会分解织物或皮肤，会在织物和皮肤上留下烧伤孔。而碳酸是一种弱酸。把它洒在你的衣服和皮肤上不会产生任何后果，可以把它泵到身体各处。

那么，是什么让一种酸强而另一种酸弱呢？重要的不是总的酸量，而是在水中实际电离（解离成其组成离子）的酸量。

向水中添加盐酸时：

化学式8：HCl ⇾ H⁺ + Cl^-

所有的HCl分子都解离，没有HCl分子残留，只留下H⁺和Cl^-离子。该反应仅发生正向反应（因此化学式中是单向箭头）；所得产物保持解离状态。在水中完全解离的酸被称为强酸。

碳酸溶解在水中则不同：

^{化学式5：}^{H₂CO₃ + H₂O ⇔ H₃O⁺ + HCO₃^-}

虽然一些碳酸解离成离子，但其中一些离子会结合到一起再次形成碳酸。因此，在任何给定时间，溶液中都会有碳酸分子和碳酸氢根离子。这是弱酸的定义，一种在水中不完全解离的酸。在含有弱酸的溶液中，正向和逆向反应总是同时发生，我们在化学式中用双向箭头来体现这一点。

这些强与弱的定义也适用于碱。NaOH（氢氧化钠）是一种强碱，在水中完全解离：

化学式9：NaOH ⇾ Na⁺ + OH^-

溶液中没有NaOH分子，只留下离子。氨（NH₃）则是一种弱碱：

化学式6：NH₃ + H₂O ⇔ OH^- and NH₄^-

在任何给定的时刻，一些氨分子不带电，而另一些则从水中吸收质子成为离子。

弱酸及其共轭碱是很好的缓冲液

大约在亨德森研究碳酸氢盐系统的同时，丹麦化学家索伦·索伦森（Sören Sörenson）正在研究一个概念，该概念可以解释碳酸氢盐如何发挥其魔力。索伦森对“酶”这种生物分子感兴趣，这种蛋白质分子可以催化生物的化学反应。索伦森注意到，酶在非常小的pH值范围内效果最好。他研究蛋白质如何维持在这个范围，这项研究让他写了一篇论文，提出了今天著名的pH值。

这篇论文发表于亨德森研究碳酸氢盐几个月后。除了描述pH值外，索伦森的论文还解释了他所做的一些实验，以探究身体如何维持酶所需的狭窄pH值范围。如果他在水中加入弱酸，pH值就会下降。这并不奇怪。但是，索伦森发现，如果他加入同样的弱酸及其钠盐（弱酸与钠离子结合），pH值几乎没有变化。通过这种方式，他有效地在溶液中添加了更多的共轭碱，并发现它稳定了氢离子浓度。我们可以通过观察相关的离子来解释原因。

我们已经知道碳酸根据这个化学式解离：

化学式5：H₂CO₃ + H₂O ⇔ H₃O⁺ + HCO₃^-

碳酸氢钠（这是小苏打的化学名称）以这种方式解离：

化学式10：NaHCO₃ ⇾ Na⁺ + HCO₃^-

请注意，碳酸氢钠反应只向前发展，不涉及水合氢离子，因为它实际上不是酸碱反应，只是固体的溶解。添加碳酸氢钠的净效应实际上是添加额外的碳酸氢根离子，换句话说，就是碳酸的共轭碱。

如果在该溶液中添加碳酸（或任何其他酸），额外的碳酸氢根离子可用于吸收酸性质子，从而最大限度地减少pH值的变化。如果没有这些额外的碳酸氢根离子，来自添加的酸的H⁺将被释放到溶液中，直到系统达到平衡，具有更高的[H⁺]。正因为小苏打带来的额外碳酸氢盐吸收了这些H⁺，形成了更多的碳酸，同时保持了稳定的pH值。

索伦森将这一过程描述为“缓冲”，并将弱酸加共轭碱的溶液称为缓冲液。他把它比作在火车上加减震器。减震器中的弹簧可吸收列车的上下弹跳，使乘客乘坐更平稳。同样，弱酸的共轭碱充当“质子吸收剂”，能够吸收新质子的添加并将pH值保持在一定范围。使用弱碱及其共轭酸的缓冲液以相同的方式工作。

图6：碳酸平衡

亨德森读到索伦森对这个概念的描述后，他对碳酸氢盐系统如何维持血液pH值进行了解释：血液中的碳酸氢根离子能够吸收多余的质子。事实上，体内的所有液体中都含有碳酸氢根离子。在本模块的开头，我们了解到，身体总是会产生二氧化碳作为新陈代谢的废物，其中一些与水结合产生碳酸。当碳酸与细胞和体液中的水结合时，它就会解离。平衡是这样工作的：

化学式11：CO₂ + H₂O ⇔ H₂CO₃ ⇔ HCO₃^- + H⁺

肾脏调节血液中碳酸氢盐的浓度，确保这些离子始终足够。理解肾脏这种作用，我们就能解释为什么患有肾脏疾病和糖尿病的人容易发生酸中毒。如果肾脏功能不正常，它们就无法保留碳酸氢根离子，因此身体会失去一些缓冲能力。

【考考自己】一种___酸在溶剂中不总完全分解为离子。

a.强

b.弱

结论

碳酸氢盐缓冲系统优美地展现了酸碱化学的潜力。强酸和强碱在水中完全解离，会引起灼伤并腐蚀金属。然而，弱酸可以产生宽泛的pH值，在任何需要pH值接近中间值的系统中都很重要。把弱酸与其共轭碱结合，可以产生缓冲液，以减轻来自溶液中其他酸或反应的额外质子的影响。这种缓冲能力对于任何需要保持稳定pH值的过程的成功至关重要，例如染色织物、制造药物、抵消洗发水和婴儿化妆水中的酸度、防止比萨饼带来的酸中毒。

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