я. 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.
А теперь давайте представим, что на ваш задний двор пробрался саботажник и вылил в джакузи тонну белизны. Если бы произошла такая ситуация, то хлорноватистая кислота в воде продолжала бы взаимодействовать с гипохлоритом натрия до тех пор, пока вся хлорноватистая кислота не израсходуется. Когда это случится, pH воды начнет резко увеличиваться со значения 7,52 до 12 или выше.
С другой стороны, если этот козел добавит в ваше джакузи аккумуляторную кислоту, то ионы гипохлорита будут вступать в реакцию с кислотой до тех пор, пока не останется ни одного иона гипохлорита. В таком случае pH воды резко упадет со значения 7,52 до 2 или ниже. Если с вашей джакузи произойдет любая из этих ситуаций, то оно будет выглядеть грязным, из-за чего вам придется добавить в воду много буфера (ну, или купить новое джакузи).
Я понимаю, что это логично, но буферы – это не волшебная таблетка. Они не могут противостоять большому количеству кислых или осно́вных инородных веществ, а хорошо справляются только с небольшим количеством молекул. И это приводит нас к концепции буферных емкостей. Как я уже упоминала ранее, у идеального буфера соотношение слабой кислоты и сопряженного основания (или слабого основания и сопряженной кислоты) составляет 1:1. При таком соотношении буфер может справиться с большим количеством кислоты или основания.
Буферы продолжают справляться со своими задачами до тех пор, пока соотношение кислот и оснований остается в диапазоне от 1:1 до 1:10. Но если соотношение состава будет больше или меньше указанного диапазона, то буферы перестанут работать и pH воды резко изменится, как только в воду попадут очередные кислоты или основания. Обычно это очевидно: потому что вода меняет свой цвет, а иногда у нее появляется неприятный запах. Все это – верный признак того, что пришло время очистить воду в вашем джакузи или бассейне.
Мне нравится сравнивать буферную емкость с употреблением алкоголя. Представьте себе первокурсника, который еще не понял свой предел. В восемнадцать лет ему, вполне возможно, достаточно одного или двух шотов, чтобы потерять контроль над собой. После третьего шота его страсть к алкоголю снижается, и алкоголь начинает влиять на основную человеческую функцию. На четвертом или пятом шоте сознание бедного ребенка затемняется, и… и человек больше не может продолжать пить. То же самое с водой и буфером – буфер не может противостоять большому количеству кислоты или основания.
В случае с бассейном или джакузи буфер остается в воде до тех пор, пока не вступит в реакции со слишком большим количеством инородных предметов или веществ (к примеру, с бактериями) в слабокислой или щелочной среде. Рекомендуется проверять уровень хлора и pH два или три раза в неделю, но мне кажется это чрезмерным. Конечно, если вы не душа вечеринок или если вы не живете в дождливых районах. Если вы обитаете в нормальных климатических условиях, достаточно проверять эти показатели раз в неделю.
Возможно, вы в чем-то похожи на моего брата: он настолько разочаровался в своем бассейне, что начал использовать раствор морской воды вместо буферного раствора из хлорноватистой кислоты. Эта система предполагает наличие слабого электрического тока, так что хлорид натрия (NaCl) разлагается на натрий (Na+) и газообразный хлор (Cl2). Этот процесс называется электролизом, и он используется как внешний источник энергии для электронов, заставляя их двигаться от низкой энергии к высокой.
Когда это происходит, ионы натрия образуют межмолекулярные взаимодействия с водой, в результате чего возникает соленая вода; в это же время газообразный хлор растворяется, образуя упомянутую ранее хлорноватистую кислоту. Если в вашем бассейне нет уровня pH, то соляная ячейка превратит поваренную соль в газообразный хлор, который сразу же создаст белизну – так у вас есть гарантия, что в вашем бассейне не начнут расти водоросли или другая гадость.
Есть еще одна категория чистящих средств, на которую я хотела бы обратить ваше внимание: натуральные чистящие средства. Знаете, обычно на упаковке таких средств написано что-то вроде «без химикатов» или «натуральный состав».
Во-первых, химия есть везде. Если в веществе, предмете или чем-то еще есть хотя бы один атом, это химическое вещество. А из первой главы мы знаем, что атомы есть у всего.
Во-вторых, обычно натуральное чистящее средство является молекулой какого-то растения. Но это не гарантирует, что оно будет намного лучше (или хуже) средства, полученного синтетическим путем. Если посмотреть на ситуацию с химической точки зрения, то в большинстве чистящих средств содержатся молекулы, являющиеся либо основанием, либо кислотой. А люди, утверждающие, что они используют силу лимона, просто пользуются кислотными свойствами лимонной кислоты.
Когда я покупаю средство для уборки, я всегда смотрю, чтобы средство было безопасно для окружающей среды. Я не хочу пользоваться чем-то, что содержит фосфаты или выделяет токсичные газы. А еще я не хочу, чтобы в моем средстве содержались какие-либо гранулы, из-за которых уже страдает океан и его жители.
Но если вы принимаете во внимание все эти факторы, то я уверена, что у вас получится выбрать подходящее чистящее средство. А еще я очень надеюсь, что мои попытки запугать вас не прошли даром и вы никогда не будете смешивать два чистящих средства.
Мы наконец-то избавились от ваших (и моих!) домашних хлопот, так что давайте перейдем к тому, что точно доставит нам много радости – счастливому часу!
11. Счастливый час[11] – самый лучший час. В баре
Когда я только решила написать книгу о химии в повседневной жизни, то уже знала, что посвящу одну главу счастливому часу. Однако сейчас, когда я пишу, все бары закрыты из-за пандемии COVID-19. Тем не менее не существует лучше способа закончить свой день, чем в баре с друзьями, рассказывая друг другу смешные истории и заказывая дешевые напитки. В жаркую погоду в Техасе я обычно заказываю кесо[12] с замороженной «Маргаритой», а на свиданиях выпиваю бокал (или два) вина. Мой муж всегда заказывает виски, а затем освежающее пиво. По правде говоря, я не могу дождаться момента, когда жизнь вернется в нормальное русло. Но знаете что? Не важно, какой коктейль вы пьете, так как для создания буквально каждого из них использовалась химия. Давайте начнем с самого основного.
Спирт – это общее название молекулы, в которой атом кислорода связан с атомом водорода и атомом углерода. Например, формула молекулы спирта может выглядеть так: C – O – H. Скажем, метанол – это спирт, так как он имеет молекулярную формулу CH3OH. Этанол – это тоже спирт, и его молекулярная формула выглядит вот так: CH3CH2OH. (Не выделенные атомы водорода связаны с атомами углерода, а не с атомом кислорода.)
В зависимости от темы нашего разговора под спиртом могут подразумеваться несколько разных молекул. Например, в кабинете врача под словом «спирт» имеется в виду медицинский (изопропиловый спирт, или изопропанол). В Азии спирт может использоваться в качестве топлива (метиловый спирт, или метанол). В «Маргарите» спирт – это молекула, которая приводит в состояние опьянения (этиловый спирт, или этанол). В этой главе я буду рассказывать об этаноле.
Ох, мой дорогой, милый этанол… Именно то, как он реагирует и образовывает связи с молекулами в нашем мозгу, объясняет его популярность. Почему после тяжелого трудового дня коллеги идут пропустить по стаканчику, почему алкоголь пьют на первых свиданиях или после расставания. Но процесс его производства не менее интересен и, возможно, не менее удивителен, чем то, почему мы получаем от него такое удовольствие.