Water, Acids, Bases

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 $(\delta^-)$

  • 而兩個 hydrogen end 有 partial positive charge $(\delta^+)$

• Water molecule 形狀呈下圖樣式，像一個 tetrahedron

Hydrogen bonding of water molecules

• 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

• 複習 : Polar 指的是 neutral, uncharged

  • 但 asynmmetric internal distribution of charge

  • 有 partially positive, negative regions

• 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 $(\text{N}_2)$
  • 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

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

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)

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 knetic 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

• 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 $(\text{H}^+)$，高於純水
  • 鹼 : 低濃度的 hydrogen ions $(\text{H}^+)$，低於純水

Autoionization of water

• Hydrogen ions $(\text{H}^+)$ 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)

$$\text{H}_2\text{O} (\text{l}) \rightleftharpoons \text{H}^+ (\text{aq}) + \text{OH}^- (\text{aq})$$

• 式子中，水有小機率分解產生相同份量的 hydrogen ions $(\text{H})^+$ 和 hydroxide ions $(\text{OH}^-)$

  • 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 $(\text{H}_3\text{O}^+)$

• 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 $1\times 10^{-7} \text{ Molar}$ (moles per liter)
  • 而一公升純水中的水分子約有 $3,460,000,000,000,000,000,000,000^{2,3}$
  • 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 $\text{H}^+$ 濃度高於純水時是 acidic solution

    • greater than $1\times 10^{-7} \text{ M}$
  • 當 $\text{H}^+$ 濃度低於純水時是 basic (alkaline) solution

    • less than $1\times 10^{-7} \text{ M}$
• 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

  • $\text{pH} = -\log_{10}(\text{concentration of H}^+)$
• 所以你用純水的濃度算可以得到 pH = 7

  • $-\log_{10}(10^{-7}) = -(-7) = 7$
  • known as neutral pH

  • 身體裡大多的血、組織液都是 neutral pH

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

  • 因為會多分解出 hydroxide $\text{OH}^-$，迅速的移除掉 hydrogen ions
• 酸性越強，便越快分解產生 $\text{H}^+$

  • e.g., hydrochloric acid $\text{HCI}$ 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 $\text{OH}^-$ 可以吸收 $\text{H}^+$

  • e.g., sodium hydroxide $(\text{NaOH})$ 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 $\text{H}^+$ 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

• 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 $\text{H}^+$ ions 時，buffer 會吸收他們，讓 pH 值上升
  • 當 $\text{H}^+$ ions 太少時，buffer 會將自己的 $\text{H}^+$ 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 $(\text{H}_2\text{CO}_3)$ 還有他的 conjugate base 即 bicarbonate ion $(\text{HCO}_3^-)$
  • 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 $\text{CO}_2$ 當成廢物排掉

• 如果有太多的 $\text{H}^+$，式子就會被推向右邊

  • 透過 bicarbonate ions 吸收 $\text{H}^+$ 來形成 carbonic acid
• 同樣的，$\text{H}^+$ 若太少，式子就會被拉回左邊

  • carbonic acid 分解成 bicarbonate ions，然後 donate $\text{H}^+$ 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