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
而兩個 hydrogen end 有 partial positive charge
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
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 ,高於純水
鹼 : 低濃度的 hydrogen ions ,低於純水
Autoionization of water
Hydrogen ions 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)
式子中,水有小機率分解產生相同份量的 hydrogen ions 和 hydroxide ions
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
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 (moles per liter)
而一公升純水中的水分子約有
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 濃度高於純水時是 acidic solution
greater than
當 濃度低於純水時是 basic (alkaline) solution
less than
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
所以你用純水的濃度算可以得到 pH = 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 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 濃度,pH 值增加
因為會多分解出 hydroxide ,迅速的移除掉 hydrogen ions
酸性越強,便越快分解產生
e.g., hydrochloric acid 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 可以吸收
e.g., sodium hydroxide 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 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 ions 時,buffer 會吸收他們,讓 pH 值上升
當 ions 太少時,buffer 會將自己的 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 還有他的 conjugate base 即 bicarbonate ion
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 當成廢物排掉
如果有太多的 ,式子就會被推向右邊
透過 bicarbonate ions 吸收 來形成 carbonic acid
同樣的, 若太少,式子就會被拉回左邊
carbonic acid 分解成 bicarbonate ions,然後 donate 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
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