跳至主要内容

Water, Acids, Bases

Water, Acids, Bases 的關係是一個複雜的系統，可以藉由水開始了解。水是一種 polar molecule，有分正負電荷，可以和電荷相關的 molecule 互相吸引，例如鹽 (NaCl)。而 acids 和 bases 是一種離子物質，可以和水作用，acids 具有細菌分解的能力，而 bases 則是可以和酸還原的能力，可以用來調整 pH 值。這些離子會和水分子產生一個三維的水包圍結構，改變水的特性，例如溶解度、抗壓力等等。

Water​

  • 大多動物甚至細菌都是由水組成
  • 水能夠溶解非常多的 polar 和 charged molecules
  • 水有 cohesion (和自己結合) 還有 adhesion (和其他分子結合) 的特性
  • 水有 high heat capacity, heat of vaporization, ice (less dense than liquid) 等特性
  • 水能有這麼多特性都跟他 polarity 和 hydrogen bonds 有關

Polarity of water molecules​

  • Water molecule 有兩個 hydrogen atom 和一個 oxygen atom
  • 因為 oxygen 有較高 electronegativity, 讓他偏向 hog 兩個 electrons
    • 所以 oxygen end 有 partial negative charge (δ−)(\delta^-)
    • 而兩個 hydrogen end 有 partial positive charge (δ+)(\delta^+)
  • Water molecule 形狀呈下圖樣式，像一個 tetrahedron
Water Molecule Shape
Water Molecule Shape

Hydrogen bonding of water molecules​

Water Molecule Bond
Water Molecule Bond
  • 多虧 polarity，水分子之間非常喜歡互相吸引
    • 微負極的 hydrogen 去和隔壁老王微正極 oxygen 相互吸引
  • 這些吸引關係就是較弱 (weak) 的 hydrogen bonds
  • 水分子還會和其他 polar molecules 相互吸引並變成 ion
    • 有些 polar 物質容易和水作用並溶解於水的稱他們 hydrophilic
      • 例如食鹽 (NaCl)
    • 而 nonpolar 物質不會和水作用且不易溶解的稱他們 hydrophobic
      • 例如己烷 (hexane)

Solvent properties of water​

  • Solvent 指的是某些物質 (e.g., 水) 能將其他物質溶解
    • 而能被溶解的物質就稱 solute
    • 能夠良好將 solvent, solute 一起混合的現象稱 solution
      • 大部分的 life chemistry 皆為 aqueous solutions
  • 水因為 polarity, hydrogen bonds 的關係，是非常好的 solvent
    • 有時又被稱為 "universal solvent"
    • 這樣講有點不對，因為水比較偏向溶解 ions, polar molecules
    • 不易溶解 nonpolar molecules
備註
  • 複習 : Polar 指的是 neutral, uncharged
    • 但 asynmmetric internal distribution of charge
    • 有 partially positive, negative regions
Water NaCl Solution
Water NaCl Solution
  • 從上圖看到，水的 O 帶負電 H 帶正電的 polarity
    • 讓水有辦法和 polar molecules, ions (NaCl) 進行 electrostatic interactions
    • 可以看到正電 Na 被負電 O 圍繞，負電 Cl 則被正電 H 圍繞
  • 當非常多的水分子和 solute 作用於 aqueous solution 時
    • 水和物質間的圍繞，會產生一種叫 hydration shell 的 3D sphere
    • 該 shell 會讓 particles 均勻的分解到水中
  • 所以一些 nonpolar (e.g., oil) 就不會和水產生 hydration shell
    • 也就不會溶解於水中

Cohesion and adhesion​

  • Cohesive, Adhesive forces 對於非常多 water-based process 的 biology 十分重要
    • 例如水往樹上跑 (capillary action)
    • 昆蟲在水面行走 (surface tension)

Cohesion of water​

  • 水分子之間會互相吸引，稱為 cohesion
    • 這是因為水分子間的 hydrogen bonds
    • 常見例子是水向下滴時的水滴狀
  • 另一個例子是 surface tension
    • 想像容器的最上方的水，因為上方就是空氣 (N2)(\text{N}_2)
    • 空氣沒辦法和水吸引，所以最上方的水分子只能互相吸引
    • 所以他們的 hydrogen bond 比下方的水還要強
Water Surface Tension
Water Surface Tension

Adhesion of water​

  • Water 雖有強大的 cohesion 特性，但在特定情況也會去貼近其他 molecules
    • 這種去和其他 molecules 互相吸引的特性稱為 adhesion
    • 例如玻璃杯中上緣的水，會呈現 concave meniscus 的特性
    • 因為水分子被兩側玻璃中的分子吸引 (polar of glass is greater than water)
  • 另一個例子是 capillary action
    • 水分子被玻璃管吸引，並且往上爬
Water Surface Tension
Water Surface Tension

Temperature and state changes in water​

  • 水分子中的 Hydrogen bonds 造成了許多的現象
    • effectiveness of evaporative cooling
    • low density of ice
    • temperature changes, freezing, vaporization

Solid, liquid, and gas​

  • 水在三種狀態下都有獨特的 chemical characteristics
    • 這和 hydrogen bond 有非常大的關係
    • 水的三種形態的特徵跟生物學息息相關
  • 當水在液態時
    • Hydrogen bonds 被重複組成又分開
    • 原因是來自 heat 造成的 energy of motion (kinetic energy)
  • 當溫度變高 (boiled)
    • kinetic energy 將 hydrogen bonds 完全破壞
    • 使 water molecules 逃到空氣中
    • 這就是我們看到的 water vapor, steam
  • 當溫度變低 (freeze)
    • water molecules 透過 hydrogen bonding 成結晶的形狀
    • 也是因為幾乎沒有 heat energy 能破壞 hydrogen bonds 了
    • 這些因素讓 ice 跟 liquid water 比起來較不密集 (less dense)
Ice Molecule
Ice Molecule

Density of ice and water​

  • 水在固態時，分子間的距離會被推的更遠
    • 也就是當水結冰時 water 會 expand
  • 水以外的 liquid 因為溫度下降，所以 molecules 就不會被 kinetic energy 破壞
    • 這時候固化 (solid)，變得比 liquid 更加 pack tightly, greater density
  • 水是例外，在固化時，將有 lower density
    • 因為 ice less dense 的特性，所以讓他能夠浮在 liquid water 上
Water Expansion
Water Expansion
  • 因為 freeze 會讓體積變大，所以物質的內容物將會衝破表層
    • e.g., soda bottle cracking in the freezer

Heat capacity of water​

  • 要讓水的溫度上升需要大量的 heat
    • 要用來破壞 hydrogen bonds
  • 我們稱水有非常高的 specific heat capacity
    • 這個 capacity 就是計算物質 1 克需要多少 heat 來升上 1 度
    • 而要把 1g 水升 1 度所需的 heat 又稱作 calorie
  • 因為水有 high specific heat capacity
    • 水能讓溫度的變化最小化
    • water's capacity is five times greater than sand
    • land cools faster than sea after sunset
    • warm-boolded animals distribute heat through their bodies

Heat of vaporization of water​

  • 水同樣需要大量 heat 讓水蒸發
    • 我們稱水同樣有非常高的 heat of vaporization
    • 1g 的水變成氣體所需的 heat
    • 通常 water's heat of vaporization 在 540 cal/g at 100 °C
  • 水分子離開的表面會變得 cooler
    • 這個現象稱作 evaporative cooling
    • 因為最高的 kinetic energy 消失在蒸發中，原本的水分子能量變少溫度變低
  • 所以人類的汗有 99% 的水，在蒸發時會降溫身體，保持溫度平衡

Acids, bases, and pH​

  • 我們都知道酸和鹼，但到底要怎麼真正定義他們倆，以下是簡短答案
    • 酸 : 高濃度的 hydrogen ions (H+)(\text{H}^+)，高於純水
    • 鹼 : 低濃度的 hydrogen ions (H+)(\text{H}^+)，低於純水

Autoionization of water​

  • Hydrogen ions (H+)(\text{H}^+) 會自動在純水中小機率的生成出來
    • 透過 dissociation (ionization) 生成，又稱作 autoionization of water
      • l = liquid
      • aq = aqueous solution (water-based)
H2O(l)⇌H+(aq)+OH−(aq)\text{H}_2\text{O} (\text{l}) \rightleftharpoons \text{H}^+ (\text{aq}) + \text{OH}^- (\text{aq})
  • 式子中，水有小機率分解產生相同份量的 hydrogen ions (H)+(\text{H})^+ 和 hydroxide ions (OH−)(\text{OH}^-)
    • 因為 H 的 electron 被 O 吃掉，H 剩一個 proton 變成正電，成為 hydrogen ions
    • hydroxide ions 會保持不變飄在水中
    • 但 hydrogen ions 會去跟其他水分子結合，得到 hydronium ions (H3O+)(\text{H}_3\text{O}^+)
Water Ionization
Water Ionization
  • 所以這個小機率分解的機率到底有多小
    • 在純水時，分解機率為 1×10−7 Molar1\times 10^{-7} \text{ Molar} (moles per liter)
    • 而一公升純水中的水分子約有 3,460,000,000,000,000,000,000,0002,33,460,000,000,000,000,000,000,000^{2,3}
    • 所以 autoionized water molecules 要在純水中出現的機率非常的低

Acids and bases​

  • 我們可藉由和純水相比的 hydrogen ion 濃度來決定溶液是酸還是鹼

    • 當 H+\text{H}^+ 濃度高於純水時是 acidic solution
      • greater than 1×10−7 M1\times 10^{-7} \text{ M}
    • 當 H+\text{H}^+ 濃度低於純水時是 basic (alkaline) solution
      • less than 1×10−7 M1\times 10^{-7} \text{ M}

  • 因為這個表達法太難記了，所以科學家想出 pH 來表達 hydrogen ion 的濃度

    • pH 取濃度的 negative log
    • pH=−log⁡10(concentration of H+)\text{pH} = -\log_{10}(\text{concentration of H}^+)

  • 所以你用純水的濃度算可以得到 pH = 7

    • −log⁡10(10−7)=−(−7)=7-\log_{10}(10^{-7}) = -(-7) = 7
    • known as neutral pH
    • 身體裡大多的血、組織液都是 neutral pH

  • acid 會增加 hydrogen ions (H+)(\text{H}^+) 濃度，pH 值降低

    • 因為會多分解出 hydrogen atoms 並 donate 自己給其它水分子

  • base 則會減少 hydrogen ions (H+)(\text{H}^+) 濃度，pH 值增加

    • 因為會多分解出 hydroxide OH−\text{OH}^-，迅速的移除掉 hydrogen ions

  • 酸性越強，便越快分解產生 H+\text{H}^+

    • e.g., hydrochloric acid HCI\text{HCI} 在水中能完美分解成 hydrogen 和 chloride ions，所以讓他成為強酸
    • tomato juice, vinegar 則沒辦法像鹽酸一樣很好的分解，所以是弱酸

  • 鹼性越強，則是越快分解產生 OH−\text{OH}^- 可以吸收 H+\text{H}^+

    • e.g., sodium hydroxide (NaOH)(\text{NaOH}) 是在水中能完美分解的強鹼

The pH scale​

  • 用來排名 solution 的 acidity or basicity (alkalinity)
  • 因為是使用 logarithmic，所以 1 pH 的改變是 10 倍的 H+\text{H}^+ 濃度改變
  • 大於 7 的視為 acidic，小於 7 的視為 basic (alkaline)
  • 有可能出現超出 0-14 範圍的液體
The pH scale
The pH scale
  • 人類的 cell (6.8) 和 blood (7.4) 都接近中性
  • 雖然極端的 pH 通常對人體有害，但 stomach acid 是非常酸性的 (1 to 2)
    • 胃是怎麼解決這個問題 ?
    • 答案 : Disposable cells
    • 胃中直接接觸胃酸和食物的細胞，通常會在 7 至 10 天就會被新的取代掉

Buffers​

  • Buffers 會幫人類保持血液或體液的 pH 值範圍，避免瞬間改變
    • 當有太多 H+\text{H}^+ ions 時，buffer 會吸收他們，讓 pH 值上升
    • 當 H+\text{H}^+ ions 太少時，buffer 會將自己的 H+\text{H}^+ 捐出來，pH 下降
  • Buffers 通常是一個 conjugate acid-base pair
    • 例如人體有一個維持血液 pH 的 buffer 他包含 carbonic acid (H2CO3)(\text{H}_2\text{CO}_3) 還有他的 conjugate base 即 bicarbonate ion (HCO3−)(\text{HCO}_3^-)
    • 當 carbon dioxide 進入血液和水組合時會形成 carbonic acid
      • 通常是 carbon dioxide 經過 muscles, lungs 在血液的形態
      • 在 muscles 生成，在 lungs 又轉回水和 CO2\text{CO}_2 當成廢物排掉
Conjugate buffer
Conjugate buffer
  • 如果有太多的 H+\text{H}^+，式子就會被推向右邊
    • 透過 bicarbonate ions 吸收 H+\text{H}^+ 來形成 carbonic acid
  • 同樣的，H+\text{H}^+ 若太少，式子就會被拉回左邊
    • carbonic acid 分解成 bicarbonate ions，然後 donate H+\text{H}^+ 給身體
  • 如果沒有這些 buffer system，那麼人體的 pH 將會亂七八糟，無法存活