Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Тепло духовки способствует разложению внешних молекул, в результате чего образуются сотни новых. Большинство молекул имеют коричневый цвет (как при карамелизации), однако их ароматы отличаются. Поскольку реакция Майяра происходит с участием аминокислот (белков), а не только с углеводами (сахарами), у ароматных молекул чаще всего преобладает «мясной» запах. Благодаря атомам азота аминокислот вкус получается сложнее, чем при карамелизации.

Так как пищевая сода – это слабое основание (слабее каустической соды), химическая реакция между пищевой содой и белками в муке будет протекать не так бурно. Для реакции Майяра будет активировано небольшое количество аминокислот, и именно поэтому крендельки на пищевой соде имеют светлый цвет.

Кислотность основания можно определить с помощью водородного показателя. Возможно, вы знаете его как pH или шкалу pH со значениями от 0 до 14. Это логарифмическая шкала, с помощью которой можно определить, является ли тот или иной продукт осно́вным или кислотным. Когда мы узнаем вид кислоты, мы сможем предсказать, как эта молекула будет вести себя с другими. Если мы говорим о чистящих средствах, то знание этого помогает нам определить, где именно мы будем использовать чистящее средство: на кухне или в ванной.

Нейтральные растворы, например чистая вода, имеют pH 7. У оснований pH всегда выше 7, а у кислот – всегда ниже 7. Чтобы измерить pH раствора, мы можем использовать лакмусовую бумажку или pH-метр. Если окунуть pH-метр в раствор, вы увидите на дисплее число. Лакмусовая бумага, которая является более дешевым методом, просто поменяет свой цвет. Затем вы сможете воспользоваться шкалой pH, где цвет соответствует определенному значению от 0 до 14.

Но что в действительности делает лакмусовая бумажка или pH-метр? Они измеряют концентрацию ионов гидроксония (H₃O⁺) и гидроксид-ионов (OH^-) в растворе. Если pH выше 7, это значит, что содержание гидроксид-ионов (OH^-) выше, чем содержание ионов гидроксония (H₃O⁺), и раствор является основанием. Основания чаще всего встречаются в шампунях, соленых озерах и большинстве средств для уборки.

Как мы уже обсуждали ранее, в зависимости от места, где вы живете, жесткость воды может меняться. Есть несколько исследований, в которых говорится, что употребление обычной чистой воды помогает минимизировать частоту изжоги. В воде таких компаний, как Essentia и AQUAhydrate, содержится большое количество ионов гидроксида, но это не из-за того, что они являются осно́вными. Компании намеренно добавляют минералы в воду, чтобы повысить ее pH. Лично я не переношу вкус водопроводной воды, так что обычно покупаю бутилированную «кислотную», например воду от Dasani и Aquafina. Небольшая пометка: когда питьевая вода достигает желудка, не имеет значения, каково было ее pH… Это только вопрос вкуса!

Конечно, если мы говорим о чистящих средствах, то pH раствора крайне важен. Сильные основания, например гидроксид натрия в Drano, имеют высокое значение pH – около 13 или 14. Именно поэтому в очистителе содержится высокая концентрация ионов. Чем больше в растворе гидроксид-ионов, тем выше будет его pH и тем агрессивнее вещество. Drano действует точно так же, как и лимонная кислота в канализации, только в разы сильнее. Вместо того, чтобы обволакивать минералы, плавно перемещая их по трубам, Drano просто срывает их с труб прямо как молодая девушка с разбитым сердцем срывает фото бывшего со стены.

Пищевая сода и аммиак представляют собой более слабые основания, чем гидроксид натрия. Именно поэтому их значение pH намного меньше, чем у Drano, но намного выше, чем у обычной воды. pH пищевой соды составляет 9, а pH аммиака – 11. Так как шкала pH логарифмическая, существует огромная разница между количеством гидроксид-ионов в растворе аммиака и в растворе гидроксида натрия.

Когда в растворе ионов гидроксония больше, чем ионов гидроксида, раствор считается кислотным. Это означает, что значение pH жидкости будет ниже 7. Примерами таких жидкостей являются уксус, фруктовые соки и томатный сок. Уксусная кислота и лимонная кислота считаются слабыми кислотами, а значение их pH составляет около 3.

Сильные кислоты, например соляная кислота, входящие в состав многих чистящих средств для унитазов, имеют значение pH от 0 до 1. Средства с соляной кислотой работают точно так же, как и другие кислоты, которые мы рассмотрели ранее. Соляная кислота реагирует с пятнами (и бактериями) на грязных унитазах. Она растворяет загрязнения и пятна, разрывая связи внутри молекул. После этого загрязнения легко смываются в канализацию.

Но что случится, если вы возьмете что-то очень кислотное и добавите его к основанию? Давайте представим, что мы решили сделать что-то глупое, например, смешали средство для чистки унитазов (очень кислотную соляную кислоту) с Drano (основание, гидроксид натрия). Когда эти две молекулы встретятся, начнется реакция нейтрализации. Она происходит каждый раз, когда друг с другом взаимодействуют кислота и основание. Свое название реакция получила из-за того, что pH раствора будет близок к 7, что является нейтральным показателем. В нашем примере мы используем сильную кислоту и сильное основание; в ходе химической реакции образуется соленая вода:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

А теперь давайте удалим из нашего уравнения ионы наблюдатели. Они были названы так потому, что они не участвуют в реакции. Мы удаляем их для того, чтобы произошла реакция нейтрализации между сильной кислотой и сильным основанием. Получается следующее уравнение:

H⁺+ OH^—→ H₂O

Выглядит как-то знакомо, правда? При смешении сильной кислоты с сильным основанием они нейтрализуют друг друга; получается раствор, состоящий из воды и небольшого количества соли (NaCl). Только посмотрев на это уравнение, я понимаю, почему многие могли подумать, что смешение средства для чистки унитазов с Drano будет отличной идей. В некоторых вещах вы были правы.

Проблема в том, что в каждом чистящем средстве содержится некоторое количество ПАВ, которые ни в коем случае нельзя смешивать друг с другом. В большинстве реакций нейтрализации получаемый раствор представляет собой не обычную воду. По правде говоря, в процессе реакции между слабой кислотой и слабым основанием образуется два (или более) продукта. Просто подумайте о чем-то обыденном, например: уксус + пищевая сода = вулканическая реакция. Мы уже рассматривали этот процесс ранее. Если мы добавим сильное основание или кислоту, то этот процесс станет по-настоящему опасным.

Вы можете удивиться, узнав, что существуют некоторые продукты, называемые буферами. Буферы представляют собой растворы, состоящие из кислоты и основания. Это не какая-то смесь, которую вы можете приготовить на своей кухне; буфер можно получить при смешении слабого основания и сопряженной кислоты или слабой кислоты и сопряженного основания. Помните, что эти молекулы называются сопряженными кислотно-основными парами из-за того, что различие их молекулярных форм заключается лишь в одном протоне. Прямо сейчас в вашем теле есть несколько естественных буферных систем, например фосфатный буфер, поддерживающий нормальный уровень pH в ваших почках и моче.

Буферы играют огромную роль в регулировании pH нашей крови. Для этого организм использует углекислый газ, который мы выдыхаем, и совмещает его с водой. Продуктом реакции становится угольная кислота (H₂CO₃). Рассмотрим пример:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Как только образуется угольная кислота, она освобождает один протон, после чего образуется ион гидрокарбоната (HCO₃^—):

H₂CO₃ ↔ H⁺+ HCO₃^—

В сочетании с предыдущей реакцией эта становится основой гидрокарбонатной буферной системы, поддерживающей в нашей крови pH 7,4.

Например, если вы сделаете что-то, из-за чего в крови повысится концентрация ионов водорода (Н⁺) (например, при тренировке), то pH естественным образов снизится (не забывайте, что кислоты имеют низкие значения pH). Когда это случается, на мгновение образуется угольная кислота, которая снова распадается на углекислый газ и воду:

H₂CO₃ ↔ CO₂ + H₂O

Затем углекислый газ выталкивается из капилляров в легкие, где газ выдыхается. В ходе этого процесса pH крови возвращается обратно к 7,4.

Если pH становится слишком высоким, это значит, что в плазме крови содержится слишком много ионов гидрокарбоната. Ион гидрокарбоната – это сопряженное основание, а значит, что у него будет высокий pH. В таком случае наше тело реагирует естественным образом: частота нашего дыхания изменяется, чтобы организм мог вернуть углекислый газ из легких в кровоток. Попадая туда, он быстро превращается в угольную кислоту, снижающую pH до нормального уровня.

Буферные растворы – это весьма мощный инструмент в лаборатории, поскольку они устойчивы к незначительным изменениям pH. Именно поэтому они считаются идеальными чистящими средствами для бассейна или джакузи – по правде говоря, я надеюсь, что у меня когда-нибудь будет свой бассейн и джакузи. А сейчас давайте притворимся, что у нас они есть. Чтобы уничтожить бактерии и различные микроорганизмы, при этом не изменяя pH воды, мы будем использовать буфер. Наиболее распространенным буфером является раствор из хлорноватистой кислоты и иона гипохлорита (слабой кислоты и сопряженного основания).

Идеальный буфер должен содержать 50 % слабой кислоты и 50 % сопряженного основания (или 50 % хлорноватистой кислоты (HClO) и 50 % иона гипохлорита (OCl^-)). Если соблюсти рецептуру, то буфер будет поддерживать pH воды на отметке 7,52. Это означает, что, если в буфер добавить немного кислоты или основания, pH буфера практически не изменится.

Давайте рассмотрим этот процесс на примере джакузи. Если в воду с буфером попадет инородный предмет слабокислой среды, то основной компонент буфера вступит в реакцию с кислотой, нейтрализуя «угрозу». В данном случае это означает, что ионы гипохлорита (OCl^-) вступят в реакцию с ионами гидроксония (H₃O⁺) в кислоте (акация/мимоза). Когда вся кислота будет нейтрализована, ожидается, что значение pH снизится, но будет близким к 7,5.

Но если в джакузи попадет инородный предмет щелочной среды (мыло для рук), то основной компонент буфера ничего не сможет сделать, чтобы минимизировать изменение pH. Кислотная часть буфера вступит в реакцию с основанием, пытаясь нейтрализовать его. В данном случае хлорноватистая кислота (HClO) вступит в реакцию с ионами гидроксида (OH^-) из основания (мыла для рук). Ожидается, что во время этого процесса pH немного изменится, но в конце концов pH воды будет близким к значению 7,5.