Kyseliny, zásady, pH a pufry

Možná jsi zatím nebyl/a v chemické laboratoři, je ale velmi pravděpodobné, že už o kyselinách a zásadách i tak něco víš. Máš například rád/a ovocnou šťávu nebo kolu? Pokud ano, znáš už běžně dostupné roztoky kyselin. A pokud jsi při vaření někdy potřeboval/a prášek do pečiva, pak už se setkal/a i se zásadou ${}^1$‍.

Možná sis všiml/a, že kyselé věci se poznají svou chutí, nebo že některé zásady, jako je mýdlo nebo bělidlo, bývají kluzké. Co to ale vlastně znamená, že něco má být kyselé nebo zásadité? Pojďme si to stručně shrnout:

Abychom zjistili, odkud tato definice pochází, podívejme se na vlastnosti samotné vody z pohledu kyselin a zásad.

Vodíkové ionty se spontánně vytvářejí v čisté vodě rozkladem (ionizací) malého procenta molekul vody. Tento proces se nazývá autoionizace vody:

${\text{H}}_2$‍$\text{O}$‍ $\text{(l)}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}^{+}$‍ $\text{(aq)}$‍ + ${\text{OH}}^{-}$‍ $\text{(aq)}$‍

Písmena v závorkách nám říkají, že voda je kapalná (l) a že ionty jsou ve vodném roztoku (aq).

Jak ukazuje rovnice, po rozkladu se vytváří stejný počet vodíkových iontů (H${}^{+}$‍) jako hydroxidových (OH${}^{-}$‍). Zatímco hydroxidové anionty mohou být v roztoku samostatně jako takové, vodíkové ionty se navážou na další molekuly vody, čímž vytvoří oxoniové kationty (H${}_3$‍O${}^{+}$‍). Ve vodě se tedy samostatné H${}^{+}$‍ ionty nevyskytují. Vědci však často odkazují na vodíkové ionty a na jejich koncentraci, jako by byly samostatné, ne v podobě oxonia – je to jen určitá zkratka, kterou používáme na základě dohody.

Jak velké množství molekul vody v nádobě s vodou tedy skutečně ionizuje? Koncentrace vodíkových iontů produkovaných rozkladem čisté vody je 1 · 10${}^{-7}$‍ M (molů na litr vody).

Je to hodně nebo málo? Ačkoliv je počet vodíkových iontů v litru čisté vody velký z pohledu čísel, se kterými se běžně setkáváme (jsou to kvadriliony), celkový počet molekul vody v litru – rozložených i nerozložených – je asi 33 460 000 000 000 000 000 000 000 000.${}^{2,3}$‍ (Teď máš nad čím přemýšlet, až si natočíš další sklenici vody!). Ionty vzniknuté po rozkladu molekul vody jsou tedy velmi nepatrným zlomkem z celkového počtu molekul v jakémkoli objemu čisté vody.

O roztocích říkáme, že jsou kyselé nebo zásadité na základě toho, jakou mají koncentraci vodíkových kationtů v porovnání s čistou vodou. Kyselé roztoky mají vyšší koncentraci H${}^{+}$‍ než voda (více než 1 · 10${}^{-7}$‍ M), zatímco zásadité (bazické) roztoky mají nižší koncentraci H${}^{+}$‍ (méně než 1 · 10${}^{-7}$‍ M). Koncentrace vodíkových iontů v roztoku se obvykle vyjadřuje pomocí takzvaného pH. pH se počítá jako záporně vzatý logaritmus koncentrace vodíku v roztoku:

Hranaté závorky kolem H${}^{+}$‍ jen znamenají, že odkazujeme na koncentraci tohoto iontu. Pokud do této rovnice dosadíme koncentraci vodíkových iontů (1 · 10${}^{-7}$‍ M), dostaneme hodnotu 7,0, také známou jako neutrální pH. V lidském těle má jak krev, tak i cytosol (roztok tvořící obsah buňky) hodnotu pH, která je blízko neutrální hodnotě.

Koncentrace H${}^{+}$‍ se od neutrální hodnoty posune, když k vodnému roztoku přidáme kyselinu nebo zásadu. Kyselina je pro naše účely látka, která zvyšuje koncentraci vodíkových iontů (H${}^{+}$‍) v roztoku, obvykle darováním jednoho ze svých vodíkových atomů. Naproti tomu zásada zvyšuje pH poskytnutím hydroxidového aniontu (OH${}^{-}$‍) nebo jiného iontu či molekuly, které na sebe dokáží vázat vodík, který tak odstraní z roztoku. (Jedná se o zjednodušenou definici kyselin a zásad, která dobře funguje pro počáteční pochopení myšlenky. Pokud se chceš vrhnout na pokročilou sekci, najdeš v ní další definice kyselin a zásad.)

Čím silnější je kyselina, tím snadněji se rozkládá (disociuje), čím dává vzniknout H${}^{+}$‍. Například kyselina chlorovodíková (HCl) se při smíchání s vodou zcela rozloží na vodíkové kationtu a chloridové anionty, takže patří mezi silné kyseliny. Na druhé straně kyseliny nacházející se v rajčatové šťávě nebo v octu nejsou ve vodě zcela rozloženy a považují se za slabé kyseliny. Podobně silné báze, jako je hydroxid sodný (NaOH), se zcela rozkládají ve vodě a uvolňují hydroxidové ionty (nebo jiné typy základních iontů), které mohou navázat H${}^{+}$‍.

Stupnice pH se používá k zařazování roztoků z hlediska kyselosti nebo zásaditosti (bazicity). Protože stupnice je založena na hodnotách pH, je logaritmická, což znamená, že změna jednotky pH odpovídá desetinásobné změně koncentrace iontů H${}^{+}$‍. Často se říká, že stupnice pH se pohybuje od 0 do 14 a většina roztoků spadá do tohoto rozmezí, ačkoli je možné dosáhnout hodnoty pH nižší než 0 nebo vyšší než 14. Cokoli pod 7,0 je kyselé a cokoliv nad 7,0 je zásadité nebo se také můžeme setkat s označením bazické.

pH uvnitř lidských buněk (6,8) a pH krve (7,0 ) je velmi blízko k neutrálním hodnotám pH. Extrémní hodnoty pH, které jsou vyšší nebo nižší než 7,0, jsou obvykle považovány za nepříznivé pro život. Nicméně prostředí uvnitř našeho žaludku je velmi kyselé, s pH 1 až 2. Jak to žaludek zvládá? Odpovědí jsou jednorázové buňky! Žaludeční buňky, zejména ty, které přicházejí do přímého styku s kyselinou a potravinami, neustále umírají a jsou nahrazovány novými. Ve skutečnosti je stélka lidského žaludku zcela nahrazena každých sedm až deset dní.

Většina organismů, včetně toho lidského, musí udržovat pH v poměrně úzkém rozmezí, aby přežily. Například lidská krev musí udržovat pH kolem 7,0 a vyhnout se výraznějším posunům k vyšším nebo nižším hodnotám – i když do krevního řečiště vstupují nebo jej opouštějí kyselé nebo zásadité látky.

Pufry, roztoky, která dokáží odolat změnám pH, jsou klíčem k udržení stabilní koncentrace iontů H${}^{+}$‍ v biologických systémech. Když je v roztoku příliš mnoho H${}^{+}$‍ iontů, pufr některé z nich absorbuje, čímž se vrátí hodnota pH nahoru, a když je jich příliš málo, pufrační kapacita daruje některé z vlastních iontů H${}^{+}$‍ ke snížení pH. Pufry obvykle sestávají z páru kyseliny a zásady, které se liší o jeden proton (konjugované páry).

Například jeden z pufrů, který udržuje pH lidské krve u neutrální hodnoty, obsahuje kyselinu uhličitou (H${}_2$‍CO${}_3$‍) a její konjugovanou bázi, hydrogenuhličitanový ion (HCO${}_3$‍${}^{-}$‍). Kyselina uhličitá se vytváří při vstupu oxidu uhličitého do krevního oběhu a slučuje se s vodou, a je hlavní formou, v níž je oxid uhličitý transportován krví mezi svaly (tam, kde je generován) a plícemi (kde se přeměňuje zpět na vodu a CO${}_2$‍, který se uvolňuje jako odpadní produkt).

Pokud se vytvoří příliš mnoho iontů H${}^{+}$‍, výše uvedená rovnice bude posunutá doprava, a uhličitanové ionty absorbují H${}^{+}$‍ a vytvoří kyselinu uhličitou. Podobně pokud je koncentrace H${}^{+}$‍ příliš nízká, rovnice bude posunuta doleva a kyselina uhličitá se promění v uhličitanový anion, čímž do roztoku uvolní H$+$‍ ionty. Bez tohoto ochranného systému by pH v těle kolísalo natolik, že by ohrozilo přežití.