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生物系统中缓冲液的制备和使用指南(1)水的电离

更新时间:2023-08-25   点击次数:823次

首先,在我们开始讨论缓冲剂及其如何控制氢离子浓度之前,有必要简要解释一下水的作用以及弱酸和弱碱的平衡常数。

 

一、水的电离

水占大多数生物质量的70%左右。所有的生物反应都发生在水介质中。细胞结构和功能的各个方面都与水的物理和化学性质相适应。因此,我们有必要了解水及其电离产物的一些基本性质,即H+和OH-。可以说,H+和OH-会影响细胞内所有生物大分子的结构、组装和性质。

水是极性溶剂,能溶解大多数带电分子。水通过削弱阳离子和阴离子的静电相互作用来水合和稳定它们,从而溶解大多数盐(如下图)。

图片1.png


容易溶于水的化合物被称为亲水化合物。

非极性化合物,如氯仿和醚,不与水以任何有利的方式相互作用,被称为疏水化合物。

一些生物大分子,如蛋白质、某些维生素、类固醇和磷脂,都包含极性区和非极性区。它们被称为两亲分子。两亲分子的亲水区域以能够与水分子很大程度相互作用的方式排列,其疏水区域则聚集在一起,以尽可能小的程度暴露在水环境中。

水分子经过可逆电离生成H+和OH-,如下式所示。

图片2.png

水在平衡状态下的离子化程度是相当小的,由下面的方程给出,其中Keq是平衡常数。

图片3.png

25℃时,纯水的浓度为55.6 M (1000÷18;水分子量18.0)。因此,我们可以将上式改写为:

图片4.png

对于纯水,通过电导率实验测得在25℃下Keq值为1.8×10^-16 M。

因此,

图片5.png

水的离子积[H+][OH -]在25℃时始终等于1.0×10^-14 M2。当[H+]和[OH -]等量存在时,溶液的pH值为中性。

因为H+和OH -的总浓度是恒定的,一个离子的增加被另一个离子浓度的减少所补偿。这就形成了pH值的基础。

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