В клетках организма значение pH около 7, во внеклеточной жидкости — 7,4. Нервные окончания, которые находятся вне клеток, очень чувствительны к изменению pH. При механических или термических повреждениях тканей стенки клеток разрушаются и их содержимое попадает на нервные окончания. В результате человек чувствует боль. Скандинавский исследователь Олаф Линдал проделал такой эксперимент: с помощью специального безыгольного шприца человеку впрыскивали под кожу очень тонкую струйку раствора, который не повреждал клетки, но действовал на нервные окончания. Было показано, что боль вызывают именно катионы водорода, причем с уменьшением pH раствора боль усиливается. Аналогично непосредственно «действует на нервы» и муравьиная кислота, содержащаяся в слюне некоторых насекомых, в стебле и листьях крапивы. Разным значением pH тканей объясняется также, почему при одних воспалениях человек чувствует боль (среда кислая), а при других — нет (среда щелочная).
В очень узких пределах должно оставаться значение pH крови; даже небольшое ее подкисление (ацидоз) или защелачивание (алкалоз) может привести к гибели организма. Ацидоз наблюдается при таких заболеваниях, как бронхит, недостаточность кровообращения, опухоли легких, пневмония, диабет, лихорадка, поражения почек и кишечника. Алкалоз же наблюдается при слишком интенсивном дыхании — гипервентиляции легких (или при вдыхании чистого кислорода), при анемии, отравлении угарным газом, истерии, опухоли мозга, избыточном потреблении питьевой соды или щелочных минеральных вод, приеме мочегонных средств. Интересно, что величина pH артериальной крови в норме должна быть в пределах 7,37—7,45, а венозной — 7,34—7,43. Различные микроорганизмы также весьма чувствительны к кислотности среды. Так, патогенные микробы быстро развиваются в слабощелочной среде, тогда как кислую среду они не выдерживают. Поэтому для консервирования (маринование, соление) продуктов используют, как правило, кислые растворы, добавляя в них уксус или пищевые кислоты. Большое значение имеет правильный подбор pH и для химико-технологических процессов.
Поддерживать нужное значение pH, не давать ему заметно отклоняться в ту или иную сторону при изменении условий удается с помощью так называемых буферных (от английского buff — «смягчать толчки») растворов. Такие растворы часто представляют собой смесь слабой кислоты и ее соли или слабого основания и его соли. Подобные растворы обладают способностью «сопротивляться» в определенных пределах (их называют емкостью буфера) изменению pH. Многие природные жидкости обладают буферными свойствами. Примером может служить вода в океане, буферные свойства которой во многом обусловлены растворенным в ней углекислым газом и гидрокарбонат-ионами (такие ионы дает, например, питьевая сода). Источником этих ионов, помимо растворенного в воде углекислого газа, являются огромные количества карбоната кальция в виде раковин, меловых и известняковых отложений в океане. Интересно, что фотосинтез планктона — одного из основных поставщиков кислорода в атмосферу — приводит к повышению pH среды. Клеточная жидкость, кровь также являются примерами природных буферных растворов. Так, кровь содержит около 0,025 моль/л углекислого газа, причем его содержание у мужчин примерно на 5 % выше, чем у женщин. Приблизительно такая же концентрация в крови и гидрокарбонат-ионов (их тоже больше у мужчин).
При исследовании почвы pH также является одной из наиболее важных характеристик. Разные почвы могут иметь pH от 4,5 до 10. По значению pH можно судить, в частности, о содержании в почве питательных веществ, а также о том, какие растения могут успешно произрастать на данной почве. Например, рост фасоли, салата, черной смородины задерживается при pH почвы ниже 6,0, капусты — ниже 5,4, яблони — ниже 5,0, картофеля — ниже 4,9. Кислые почвы обычно менее богаты питательными веществами, поскольку хуже удерживают в себе катионы металлов, необходимые растениям. Для раскисления кислых почв используют прием известкования — внесения веществ, постепенно связывающих избыток кислоты. Такими веществами могут служить природные минералы — мел, известняк, доломит, а также известь, шлак с металлургических заводов. Количество внесенного раскислителя зависит от буферной емкости почвы. Например, для известкования глинистой почвы требуется больше раскисляющих веществ, чем для песчаной.
Большое значение имеют измерения pH дождевой воды, которая может оказаться довольно кислой из-за присутствия в ней серной и азотной кислот. Эти кислоты образуются из оксидов азота и серы, которые выбрасываются в атмосферу в виде отходов многочисленных производств. Известно, что кислотные дожди с низким значением pH (менее 5,6) губят растительность, живой мир водоемов. Поэтому постоянно ведется pH-контроль дождевой воды.
Все видели йодную настойку. Кстати, само слово «йод» по традиции пишут через «й» только в нехимических, а также в медицинских текстах. В химических статьях, справочниках, энциклопедиях и учебниках это слово пишется черед «и» — «иод», а старый символ этого элемента «J» в таблице Менделеева уже давно заменили на «I». Настойка — это водно-спиртовый раствор, содержащий, согласно фармацевтическим справочникам, 5 % иода. Но это теоретически. А как на самом деле? Обратите внимание на срок годности настойки, указанный на этикетке. Дело в том, что иод медленно реагирует со спиртом, причем реакция ускоряется на свету (вот почему его, как и многие другие лекарственные средства, надо хранить в темноте). Кроме того, если настойка длительное время стояла в неплотно закрытой посуде, концентрация иода могла измениться как из-за испарения спирта, так и из-за летучести иода.
Все это можно проверить экспериментально. Для анализа потребуется аптечная пипетка и маленькая мензурка с делениями, которую тоже можно купить в аптеке. Из реактивов потребуются тиосульфат натрия (подробнее о нем вы узнаете из рассказа о кристаллах) и крахмал. Тиосульфат реагирует с иодом, образуя бесцветное соединение; на два моля тиосульфата (496 г) расходуется один моль иода (254 г). За титрованием можно следить просто по окраске иода, но когда иода в растворе остается мало, бледно-желтая окраска раствора почти не видна, и трудно заметить момент, когда раствор обесцвечивается полностью. Поэтому здесь лучше также воспользоваться индикатором — крахмалом, который добавляют к раствору в конце титрования.
Для опыта надо сначала приготовить очень жидкий крахмальный клейстер. Чтобы в клейстере не было комков и он был совершенно прозрачным, делают его так. В небольшой кастрюльке вскипятите примерно полстакана воды. Пока вода греется, возьмите немного крахмала (примерно четверть чайной ложки) и хорошо размешайте его со столовой ложкой холодной воды, чтобы не было отдельных комков. Медленно, при постоянном перемешивании, слейте мутную взвесь крахмала в кипящую воду, которую размешайте и охладите.
Что бывает, когда иод реагирует с крахмалом, знают, наверное, все. Если не знаете или забыли — капните в чашку сначала крахмальный клейстер, а потом йодную настойку — тотчас появится синяя окраска. Реакция эта настолько чувствительна, что с помощью йодной настойки легко обнаружить крахмал на свежем срезе картофелины или в муке. Кстати, еще в XIX веке эту реакцию использовали, чтобы уличить недобросовестных торговцев, добавлявших в сметану «для густоты» пшеничную муку. Если на образец такой сметаны капнуть йодную настойку, синее окрашивание сразу выявит фальсификацию.
Чтобы анализ на содержание иода в настойке был достаточно точным, надо приготовить довольно разбавленный раствор тиосульфата натрия, например 0,05 моль/л. Для этого в 1 литре раствора должно содержаться примерно 12,5 г кристаллического тиосульфата натрия (или 0,5 г в 40 мл раствора; 40 мл можно отмерить с помощью аптечной мензурки или шприца, хотя это утомительно и неточно, а 0,5 г постарайтесь поточнее отвесить с помощью весов).
Анализ проводят так. Налейте в чистую склянку 2–3 столовые ложки прокипяченной холодной воды. Добавьте в эту воду с помощью шприца ровно 2 мл йодной настойки (если иод у вас в ампулах, надо использовать две ампулы). Начинайте при легком перемешивании титровать полученный разбавленный раствор иода раствором тиосульфата, внося его по каплям из пипетки (вы уже знаете из предыдущих опытов, как определить объем одной капли раствора тиосульфата натрия). Когда раствор иода станет бледно-желтым, прибавьте к нему несколько капель крахмального клейстера и продолжайте добавлять тиосульфат, пока синяя окраска не исчезнет полностью. Концентрацию иода в настойке можно рассчитать по формуле с = 0,0125К(моль/л) = 0,32К(г/100 мл, т. е. %), где V— объем раствора тиосульфата (в миллилитрах), израсходованного на титрование 2 мл йодной настойки.