ВОДОРОДНЫЕ ИОНЫ

ВОДОРОДНЫЕ ИОНЫ, представляют собой положительно заряженные атомы водорода. Атом водорода состоит из положительного ядра и одного единственного электрона, при потере которого он превращается в В. и., обозначаемый Н'; В. ион, т. о., тождествен с ат. ядром водорода (протоном) и является наименьшей материальной массой, имеющей положительный заряд. Образование свободных В. и. из нейтральных атомов и молекул происходит в газах под влиянием электрического разряда, особенно при низких давлениях (см. Ионизация газов). В. и. легко соединяются с электронами, образуя снова нейтральные атомы. — Ионы в растворах. Электролиты, растворенные в воде или вообще в растворителе с высокой диэлектрической постоянной (см.), подвергаются электролитич.диссоциации,давая одновременно положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Сумма положительных и сумма отрицательных зарядов, образуемых из нейтральных молекул электролита, естественно должны быть равны друг другу. — Кислоты и щелочи. К к-там относятся вещества, дающие при диссоциации в растворе В. и. К-ты отличаются рядом характерных хим. и физ.-хим. свойств. Так, они действуют на металлы с выделением водорода и образованием соответствующих солей, соединяются с щелочами (также давая соли), отличаются кислым вкусом (послужившим причиной их названия) и т. д. Все эти свойства зависят от присутствия общего всем к-там В. и., являются реакциями Н-иона. Напр., при действии на металлы реакция идет след. образом: 2Н' + + 2Ме = 2Ме' + Н₂. Металл в виде ионов идет в раствор, а В. и.' выделяются в виде молекулярного водорода. Чем больше в растворе содержится Н', тем сильнее выражены «кислые» свойства раствора, тем больше его «кислотность». В этом отношении разные к-ты сильно отличаются друг от друга. Т.н. «сильные» кислоты диссоциированы почти нацело, т. р. почти все .\олекулы их распадаются на В. и. и на соответствующие анионы. В слабых же к-тах распадается только часть молекул, при чем степень диссоциации определяется общими законами хим. равновесия («закон действия масс») и выражается следующим уравнением: В этом уравнении [Н"], [А'] и [АН] обозначают соответствующие концентрации В. и., аниона и недиссоциированных молекул кислоты, а к представляет константу, характеризующую силу кислоты и называемую константой диссоциации. Чем она больше, тем кислота сильнее, т.е. тем больше В. ионов при одинаковой концентрации к-ты находится в растворе. Для молочной кислоты к равно 1,5.Ю^-4, для уксусной— l,8.10^-s, для мочевой—1,5.10^_в. Противоположной группой электролитов являются щелочи, свойства к-рых зависят от общего им всем гидроксил-иона ОН'. Щелочность, щелочная реакция раствора определяются кон- центрацией ОН-иона, подобно тому как это имеет место для кислотности и Н-ионов. Благодаря наличию гидроксильных ионов, щелочи реагируют с кислотами, при чем ОН' первых и Н' последних соединяются в молекулы воды, а катион щелочи и анион кислоты образуют соль. Процесс этот называется нейтрализацией; взаимное связывание приводит к исчезновению кислой и щелочной реакций и к образованию нейтрального раствора. Диссоциация воды. Нек-рые вещества обладают способностью выделять как Н', так и ОН' (см. Амфолиты). К ним относится и вода, молекулы к-рой способны распадаться на Н' и ОН'. Поэтому в крайне небольшом количестве оба эти иона находятся (в равном числе) и в совершенно чистой, нейтральной воде, не содержащей ни кислот, ни щелочей. Наличие их может быть совершенно точно установлено путем измерения электропроводности чистой воды. Концентрация обоих ионов воды определяется таким же уравнением диссоциации, как и в случае кислот: [Н-]-[ОН'] , [Н,0] Т. к. в данном случае, в виду весьма слабой' диссоциации воды, концентрация ее недиссоциированных молекул практически не меняется, то это уравнение можно упростить в обычное уравнение диссоциации воды: [Н-] • [ОН']=к_Лв. (2) Константа кд_г, представляющая произведение концентрации Н' и ОН' («ионное произведение» воды), имеет очень малую величину; при 18° она равна 0,7.Ю^-14. В нейтральной воде [Н'] = [ОН']; концентрация каждого из этих ионов равняется приблизительно Ю^-7. Тем же уравнением (2) определяется концентрация Н' и ОН' в кислых и в щелочных растворах. При прибавлении к-ты, т.е. новых Н-ионов, концентрация ОН-ионов воды уменьшается, но произведение обоих ионов остается постоянным;точно так же постоянно это произведение в щелочном растворе. Поэтому во всяком водном растворе концентрации Н' и ОН'являются величинами сопряженными, обратно пропорциональными друг другу. Зная одну из них, можно по уравнению (2) вычислить другую.—В о-дородное число и водородный показатель. Приведенные данные позволяют дать совершенно точное определение и удобную меру реакции водного раствора. Именно, в виду указанной обратной зависимости между концентрацией Н- и ОН-ионов, для характеристики реакции жидкости достаточно указать концентрацию какого-либо одного из этих ионов. Как более подробно указано в ст. Активная реакция, на практике принято указывать концентрацию именно В. ионов. При этом, чтобы избежать неудобных обозначений в виде дроби с большим знаменателем или целого числа с отрицательным показателем, обычно пользуются т. н. водородным показателем, т. е. логарифмом концентрации В. и., при чем логарифм этот (к-рый обычно бывает отрицательным) берется с обратным знаком. Концентрации В. и. выражаются в степенях нормальности (см. Нормальные растворы), при чем концентрация В. и. в полностью диссоциированном нормальном растворе кислоты принята за единицу. Пусть имеется, напр., в 20.000 раз более слабый раствор. В нем концентрация В. и. будет равна Vso.oooj или 0,00005, или 5.Ю^-5. Логарифм этой дроби будет 5,69897, или—4,30103. Последняя величина, взятая с обратным знаком, и будет водородным показателем: рН=4,30 (водородный показатель на практике указывается до второго десятичного знака). Величина водородного показателя даёт единую шкалу для всех значений реакций как кислой, так и щелочной. Различие между той и другой при этом, пожалуй, даже слишком сглаживается. Необходимо помнить положение нейтральной точки при данной t°, чтобы иметь точное представление о степени относительного преобладания гидроксильных или В. и., соответствующей данному значению рН. Между тем, в самой основе понятия реакции лежит не абсолютная концентрация Н- и ОН-ионов, а их соотношение. Поэтому 'недавно была предложена Джирибальдо (Giribaldo), вместо водородного показателя, другая мера реакции, выражающая относительное содержание В. и. и степень отклонения реакции в ту или другую сторону от нейтральности. Для этого может служить логарифм отношения [Н^-] : [ОН'], сокращенно обозначаемый, по предложению Копачевского (Кора-czewski), знаком pR: pR = log [НМ ' [ОН'] При таком способе обозначения нейтральность во всех случаях выражается нулем, кислая реакция—положительными, щелочная—отрицательными значениями pR. Это весьма наглядное обозначение не получило, однако, до настоящего времени широкого распространения. Методы измерения. В течение продолжительного времени для измерения реакции применялся метод титрования. Кислотность раствора выражалась тем количеством щелочи, к-рое необходимо прибавить, чтобы связать все содержащиеся в нем В. и. и получить нейтральный раствор. Подобным же образом для измерения щелочности раствор оттитровывали к-той. Однако, титрование позволяет измерить общее количество содержащейся в растворе к-ты (resp. щелочи), но не дает никакого представления об истинной концентрации свободных, активно действующих Н- и ОН-ионов, об активной реакции (см.) раствора (см. Буферные свойства). Для измерения реакции пригодны лишь те методы, применение которых не нарушает равновесия Н' и ОН'. Основным методом является здесь электрометрический. Он основан на том, что водород, адсорбированный на поверхности благородного металла (обычно платиновая чернь), ведет себя, как металлический водородный электрод, и, будучи погружен в раствор, приобретает электрический заряд, потенциал к-рого зависит от концентрации В. и. в растворе. Измеряя величину этого потенциала, можно точно определить кон- центрацию В. и. и активную реакцию раствора (см. Газовая цепь). Той же цели служит и колориметрический метод, основанный на применении индикаторов. Последние представляют слабые к-ты или щелочи, изменяющие свою окраску при диссоциации. Напр., фенолфталеин является слабой к-той, молекулы которой бесцветны, между тем как свободный анион имеет красный цвет. Диссоциация его определяется тем же уравнением (см. уравнение 1),каки диссоциация других кислот. Достаточно ничтожного количества свободных В. и., чтобы подавить его диссоциацию и обесцветить раствор; напротив, в щелочной среде диссоциация усиливается, и раствор принимает яркокрасный цвет. Т. о., по окраске раствора можно судить об его реакции, а путем колориметрического сравнения с рядом стандартных растворов (см. Буферные свойства) строго определенной реакции доводить это определение до желательной степени точности.— Биологическая роль В. и. Реакция среды, концентрация Н" и ОН' оказывает огромное влияние на жизненные процессы и приобретает поэтому особенный интерес для биологии и медицины. Коллоиды отличаются высокой чувствительностью к действию ионов вообще, гидроксильных и В. и. особенно. Последние, вместе с тем, оказывают наибольшее влияние на хим. вещества, имеющие амфотерный характер (см. Лмфолиты). Построение живого вещества из амфотерных коллоидов (каковыми являются прежде всего белковые тела) объясняет поэтому универсальную зависимость всех живых организмов от концентрации В. и. Эта зависимость выражается прежде всего в том, что жизнь возможна лишь при известных концентрациях В. и., для большинства организмов приближающихся к нейтральности. При чрезмерном увеличении концентрации Н" или ОН' организм погибает. Границы рН, в к-рых возможна жизнь, неодинаковы для разных организмов. Для одних они широки, для других—крайне узки. Величина рН, убивающая один организм, может быть совершенно безвредной или даже оптимальной для другого. Вследствие этого рН приобретает значение одного из важнейших факторов распределения организмов. Так, различные почвы значительно отличаются друг от друга по концентрации В. и.; этими различиями во многих случаях обусловлено предпочтение, оказываемое растениями той или другой почве. Подобным же образом разные естественные водоемы имеют самые различные реакции— от весьма кислых до сильно щелочных. Представителями наиболее кислых водоемов могут служить нек-рые торфяные болота,имеющие рН до 3,5—4,0. Сильно-щелочная реакция (рН = 10,0) наблюдается при сильном развитии водорослей (т. н. «цветение воды»), к-рые при процессах фотосинтеза разлагают углекислоту и подщелачивают воду. Морская вода имеет слабо-щелочную реакцию, чаще всего приближающуюся к рН = 8,0. Влияние рН особенно наглядно обнаруживается у бактерий, так как они сами нередко вырабатывают большие количества щелочных (аммиак) или кислых продуктов (масляная, молочная и другие к-ты), убивающих другие бактериальные формы или приводящих даже к самоотравлению. Это явление было использовано Мечниковым, предложившим применять болгарскую палочку молочнокислого брожения для борьбы с гнилостными бактериями кишечника, живущими при слабо-щелочной реакции. Действие на отдельные биол. процессы. Даже незначительные изменения рН, не выходящие за пределы, допускающие жизнь данного организма, оказывают нередко глубокое влияние на отдельные протекающие в нем зкизненные процессы. Так, активность ферментов достигает максимума при известном рН и б. или м. быстро падает по обе стороны от него. Соответственно этому, сходную зависимость обнаруживает обмен веществ отдельных органов: напр., в изолированной сердечной мышце он понижается в несколько раз при уменьшении рН от 7,35 до 6,6. Другим примером могут служить кровеносные сосуды: их мышечная стенка заметно расслабляется при уменьшении рН крови на 0,2—0,3, сжимаясь при противоположном изменении. Наибольшей известной нам чувствительностью к В. и. отличается дыхательный центр в продолговатом мозгу, заметным образом изменяющий легочное дыхание уже при изменении рН омывающей его крови на 0,01.— рН тканей и жидкостей организма. В организме встречаются жидкости с весьма различными рН. Это относится прежде всего к пищеварительным сокам, для к-рых у человека установлены след. средние значения: рН слюны = 6,0—7,0; рН желудочного сока = 1,7—2,0; рН кишечного со-ка = 7,0—8,0. Эти рН в точности соответствуют оптимуму действия содержащихся в соответствующих соках ферментов. Сколько-нибудь значительное изменение рН этих соков нарушило бы или сделало бы совершенно невозможным действие данных ферментов. В пат. условиях подобные нарушения особенно наблюдаются на желудочном соке. В противоположность пестроте концентраций В. и., наблюдаемых в пищеварительных соках, кровь отличается изумительным постоянством своей реакции. Ее рН равняется 7,3—-7,5 и даже при большинстве лат. состояний не выходит из этих пределов. Это значение остается неизменным, несмотря на то, что в кровь непрерывно поступают из тканей кислые продукты обмена веществ и что кровь, в свою очередь, служит материалом для выработки секретов и экскретов самого различного рН. Постоянство концентрации В. и. в крови, имеющее крайне важное значение для жизнедеятельности организма, поддерживается при помощи целого "ряда в высшей степени совершенных регулирующих механизмов. Первым из них является самый хим. состав крови, ее буферные свойства, благодаря которым она даже вне организма, in vitro, стойко удерживает свою первоначальную реакцию. Еще более точным регулятором является в организме дыхательный аппарат (см. Дыхание), благодаря к-рому всякое нарушение реакции крови быстро компенсируется путем соответствующего изменения содержания углекислоты. В то время как легкие удаляют из крови С0₂, нелетучие к-ты выводятся почками. Моча имеет поэтому кислую (и мало-постоянную) реакцию; у человека ее рН лежит обычно между 5 и 7. Тканевой сок в покоящемся, хорошо снабжаемом кровью органе имеет нейтральную или слабощелочную реакцию, приближающуюся к реакции крови. При мышечной работе водородный показатель понижается, и при сильном мышечном утомлении реакция в мышце оказывается слабо-кислой (рН = 6,6—6,7). Еще большее местное подкисление, местный ацидоз (см.), наступает при воспалении (см.). При остром воспалительном процессе Шаде (Schade) наблюдал кислую реакцию (до рН = = 6,0 при фурункуле). Расширение сосудов и гиперемия воспаленного участка, точно так же, как и болевые ощущения, являются непосредственным результатом пат. повышения концентрации В. и.—Внутриклеточная реакция. С особенными трудностями связано измерение рН внутри живой клетки. Большинство методов требует предварительного убивания или повреждения клетки, что приводит к значительному изменению (увеличению) первоначальной концентрации В. и. Только в самое последнее время путем микроинъекции индикаторов, а также введения микро-электродов в живую клетку (см. МиНрургия) в нек-рых случаях удалось измерить господствующую в последней реакцию. Она, повидимому, близка к нейтральности, обнаруживая при этом все же локальные различия, в частности, между протоплазмой и ядром. Нужно, однако, помнить, что все учение о водородном показателе основано, как указано выше, на постоянстве ионного произведения воды (уравнение 2) и, следовательно, применимо лишь к водным растворам. Поэтому и приведенные данные относятся только к водным фазам клетки. Относительно концентрации гидроксильных и В. и. в не-водных средах, играющих, вероятно, весьма существенную роль в жизни клетки, имеются пока лишь весьма скудные данные. Лит.: Рубинштейн Д., Введение в физико-химическую биологию, М., 1925; К о р а с z e w-s k i \V., Les ions d 'hydrogene, P., 1926; M i с h a e-1 i s L., Die Wasserstoffionenkonzentration, B. I, Berlin, 1922; Legendre R., La concentration des ions d'hydrosene de l'eau de mer, P., 1925; Reiss P., Le pll interieur cellulaire, P., 1926. Д. Рубинштейн.

Смотрите также:

ВОДОРОСЛИ (Algae), нередкое в обще-ж и т и и наименование всяких водяных растений (в том числе и цветковых), а в наук е—лишь нек-рых групп низших растений, именно тех, к-рые содержат хлоро-фил ...
ВОДОСНАБЖЕНИЕ. I. Водоснабжение населенных мест. Цель и назначение водоснабжения. В.—организованное и регулярное доставление массовому потребителю воды установл. качества и в определенном количестве, обеспечивающем с той или иной полнотой потребности данного ...
ВОДОСТОКИ, искусственные сооружения, служащие для отвода загрязненных вод-фекальных, хозяйственных, промышленных, атмосферных и грунтовых. Обычно В. представляют собой систему трубопроводов различных форм и размеров, в зависимости от количества отводимой жидкости, по ...
ВОДОХРАНИЛИЩА, искусственные сооружения, которые служат для собирания и хранения воды. В частных случаях, при малых размерах, они называются прудами, но обычно под термином В. понимаются преимущественно вместилища большой емкости для ...
ВОДЫ ГОРЬКИЕ, ЖЕЛЕЗНЫЕ, ИЗВЕСТКОВЫЕ ит. д., см. Минеральные источники.