1.4. Ионное произведение воды; шкала рН

Диссоциация воды представляет со­бой равновесный процесс:

Н₂0 Н⁺+ ОН^-.

Константа равновесия этого процесса равна

,

где в квадратных скобках указаны кон­центрации в молях на литр. Величина этой константы равновесия при лю­бой заданной температуре может быть вычислена на основании данных по электропроводности чистой дистиллиро­ванной воды. Концентрация воды в чистой воде очень высока (она равна числу граммов Н₂0 в 1 л, деленному на ее молекулярный вес, т. е. 1000/18 = 55,5 М), а концентрация ионов Н⁺ и ОН^- очень мала (1·10-⁷ М при 25 °С); столь слабая ионизация не мо­жет заметно изменить молярную кон­центрацию воды. Таким образом, выра­жение для константы равновесия может быть упрощено:

55,5·К еq = [Н⁺][ОН^-]

и выражение 55,5·К еq может быть заме­нено на «обобщенную» константу К_w, называемую ионным произведением воды:

К_w = [Н⁺ ОН^-].

Величина К_w при 25 °С равна 1,0·10^-14. В кислом растворе концентра­ция ионов Н⁺ относительно велика, а концентрация ионов ОН^- соответствен­но мала; в щелочном растворе имеет место обратная ситуация.

Величина К_w, или ионное произ­ведение воды, служит основой для шкалы рН (табл.3).

Таблица 3

Шкала рН

Концентрация ионов Н+, М	рН	Концентрация ионов, ОН-, М
1,0	0	10-14
0,1	1	10-13
0,01	2	10-12
0,001	3	10-11
0,0001	4	10-10
0,00001	5	10-9
10-6	6	10-8
10-7	7	10-7
10-8	8	10-6
10-9	9	10-5
10-10	10	10-4
10-11	11	0,001
10-12	12	0,01
10-13	13	0,1
10-14	14	1,0

Таблица 4

Величина рН некоторых жидкостей

Жидкость	рН
Морская вода	7,0 – 7,5
Плазма крови	7,4
Интерстициальная жидкость	7,4
Внутриклеточная жидкость
в мышце	6,1
в печени	6,9
Желудочный сок	1,2 – 3,0
Сок поджелудочной железы	7,8 – 8,0
Слюна	6,35 – 6,85
Коровье молоко	6,6
Моча	5 – 8
Лимонный сок	2,3

1.5. Гидрофобные взаимодействия

Вода способна также диспергиро­вать многие соединения, содержащие неполярные, или гидрофобные, группы, причем образуются мицеллы молеку­лярных размеров при условии, что эти соединения содержат также сильно по­лярные группы. Этот тип «растворе­ния» становится возможным вследствие образования водородных связей, воз­никающих не между молекулами раст­воренного вещества и молекулами ра­створителя, а только между молекулами растворителя. Соединения, содержащие как сильно гидрофобные, так и сильно полярные группы, называются амфипатическими.

Самыми распространенными амфипатическими биомолекулами, склонны­ми к образованию мицелл, являются жирные кислоты и полярные липиды. В качестве примера приведем олеино­вую кислоту, которая представляет со­бой жирную кислоту с длинной цепью. Поскольку ее длинная углеводородная цепь не может раствориться в воде, олеат натрия (мыло) лишь в очень незначи­тельной степени способен образовывать в воде истинные молекулярные раство­ры. Однако он легко диспергирует, об­разуя мицеллы, в которых отрицатель­но заряженные карбоксильные группы обращены к водной фазе, а неполярные, нерастворимые углеводородные цепи спрятаны внутри мицеллярной структу­ры (рис. 5). Такие мицеллы имеют суммарный отрицательный заряд и оста­ются суспендированными благодаря взаимному отталкиванию.

Рис.5. Мицелла олеата натрия

Характерное расположение неполярных групп в молекулах, обра­зующих мицеллы, обусловлено тенден­цией молекул воды к достижению состоя­ния максимальной неупорядоченности, или максимальной энтропии. В этом состоянии для воды характерно огром­ное число межмолекулярных взаимодей­ствий за счет водородных связей. Для внедрения в воду какой-либо неполяр­ной структуры, например углеводород­ной цепи, требуется затрата энергии, так как в этом случае окружающие молекулы воды оказываются вынужденными расположиться несколько более регулярно, чем в случае чистой воды, т.е. иметь меньшую энтропию. Иными словами, мицеллы образуются вследствие того, что молекулам воды больше «нравятся» другие молекулы воды, чем неполярные структуры.