元素咖啡化学

作者简介

约翰·苏卡奇 ● 化学教育家，擅长用通俗易懂的语言向非专业学生介绍学科知识。除了本书，苏卡奇还与物理学家保罗·休伊特等人共同撰写了《物理科学原理》（Conceptual Physical Science）和《综合科学原理》（Conceptual Integrated Science）等书，涵盖化学、物理学和天文学领域。 ● 在线教育平台Conceptual Academy创始人兼CEO。该平台上的教学视频由美国数百位名校教师制作，是对其撰写的化学、物理学、天文学、生物学、地球科学等学科书籍内容的补充和拓展。 ● 美国圣麦克尔学院教授。他在美国弗吉尼亚联邦大学获得了有机化学博士学位，并在弗吉尼亚医学院完成药理学博士后研究。

内容简介

Q3 染发剂靠什么持久着色？ 在日常生活中，我们会通过调控酸性和碱性来达成各种目的，染发便是一个典型的例子。人类头发的外表面由微小的鳞片状结构组成，这种结构也被称为角质层。它们就像百叶窗一样，可以打开和关闭。碱性溶液会让角质层张开，使头发呈多孔的状态。酸性溶液会让角质层关闭，赋予头发一定的抵抗力。美发师正是利用这一原理，通过调整染发液的pH值来控制染发效果的持续时间。在酸性环境中，毛鳞片关闭，这样染料就只能黏附在每根头发的表面，导致染色效果持续时间较为短暂，颜色可能会在下一次洗发时被洗掉。使用碱性溶液可以使染料通过角质层渗透头发的内部，实现更持久的染色效果。 但除了酸性和碱性，我们在前文中已经了解，水有着特殊的性质，有时呈现酸性，有时却又呈现碱性。当一种物质表现为酸的能力与表现为碱的能力大致相同时，我们就称其为两性物质。水就是两性物质的典型代表。因为水是两性的，所以它具有自我反应能力。水分子呈酸性时，会向邻近的水分子提供氢离子，水分子在接受氢离子时，呈碱性。这个反应产生1个氢氧根离子和1个水合氢离子，它们结合在一起，重新生成水分子： 当有1个水分子获得1个氢离子时，必然有1个水分子失去1个氢离子。因此，每形成1个水合氢离子，就会形成1个氢氧根离子。因此，在纯水中，水合氢离子的总数必然与氢氧根离子的总数相同。实验表明，纯水中水合氢离子和氢氧根离子的浓度极低，约为1.0×10-7M（摩尔/升）。因此，水本身既是一种弱酸，也是一种弱碱，图1-9a中未被点亮的灯泡就很好地说明了这一点。 那么，水分子之间能否相互反应呢？答案是能，但反应并不强烈。当它们发生反应时，形成水合氢离子和氢氧根离子。我们一定要注意这一点，因为这将是本章其余大部分内容的基础。 随着进一步的实验，科学家揭示了在任何水溶液中都存在的有关水合氢离子和氢氧根离子浓度的一个有趣规律。在任何水溶液中，水合氢离子的浓度乘以氢氧根离子的浓度，总是等于常数 KW，这是一个非常非常小的数字： 溶液的浓度通常以用摩尔浓度表示，可以用括号来缩写方程式如下： 水合氢离子数量 × 氢氧根离子数量=0.000000000000010 括号的意思是这个方程式为“水合离子的摩尔浓度乘以氢氧根离子的摩尔浓度等于 KW。对于纯水来说，KW是水合氢离子的浓度1.0×10-7M 乘以氢氧根离子的浓度1.0×10-7M”。常数值 KW是相当重要的，因为它意味着无论水中的溶解物是什么，氢离子和氢氧根离子浓度的乘积总是等于1.0×10-14。所以如果水合氢离子的浓度上升，氢氧根离子的浓度必然下降，两者的乘积始终为1.0×10-14： 任何含有相同数量的水合氢离子和氢氧根离子的溶液都被称为中性溶液。纯水就一种是中性溶液——不是因为它含有的水合氢离子或氢氧根离子数量很少，而是因为它含有的这两种离子的数量相等。当等量的酸和碱结合时，也会得到中性溶液，这就解释了为什么酸和碱可以中和。 在中性溶液中，水合氢离子和氢氧根离子的平衡因为加入酸或碱而被打破。加入一种酸，水就会与这种酸反应，产生更多水合氢离子。这些新增的水合氢离子中和了氢氧根离子，导致氢氧根离子数量减少。最终结果是，水合氢离子浓度大于氢氧根离子浓度，使溶液呈酸性。 在水中加入碱后，水会与碱发生反应，产生更多氢氧根离子。这些多出来的氢氧根离子会中和水合氢离子，使水合氢离子的数量变得更少。结果表明，水合氢离子的浓度小于氢氧根离子的浓度，使溶液呈碱性，如图1-10所示。 趣味课堂 水有腐蚀性吗？ 在温度超过 374℃，大气压达到标准大气压的218倍时，水会转变为一种被称为超临界水的物质，超临界水既类似于液体也类似于气体。中性的超临界水溶液，pH值约等于2，这意味着它含有高浓度的水合氢离子和氢氧根离子，具有很强的腐蚀性。目前，化学家正在进行研究，以了解如何利用超临界水来销毁有毒的化学物质，如化学战剂。 pH值用来描述酸碱度 既然pH试剂能够帮我们分辨酸与碱及其强度，那么应该如何理解pH值呢？pH值是用来表示溶液酸碱度的数字刻度。从数学上讲，pH值等于水合氢离子浓度的负对数： 再次提醒，方括号代表摩尔浓度，[H3O+]表示“水合氢离子的摩尔浓度”。以水合氢离子浓度为1.0×10-7M的中性溶液为例，要换算此溶液的pH值，我们首先取这个值的对数，即-7。根据定义，pH值是这个值的负值，即-（-7）=7。因此，在中性溶液中，水合氢离子浓度等于1.0×10-7M，pH值为7。 酸性溶液的pH值小于7。例如，对于水合氢离子浓度为1.0×10-4的酸性溶液，pH=-log（1.0×10-4）=4。溶液的酸性越强，水合氢离子的浓度越高，pH值越小。碱性溶液的pH值大于7。例如，对于氢离子浓度为1.0×10-8的碱性溶液，pH=-log（1.0×10-8）=8。溶液碱性越强，其水合氢离子浓度越低，pH值越大。 图1-11显示了一些常见溶液的pH值，图1-12展示了测定pH值的两种常用方法。 Q4 人体是酸性的还是碱性的？ 不知道你有没有听过这样一种说法，称人体也分为酸性体质和碱性体质。但实际上，人体是一个非常复杂的系统，其酸碱平衡是由肾脏、肺部等多个器官共同调节的，不会因为饮食或生活习惯的改变而轻易改变，比如人体内血液的 pH 值能够维持在一个相对稳定的范围内。那么，这究竟是如何实现的呢？其他溶液也能实现稳定 pH 值的效果吗？答案是通过缓冲溶液就可以达到稳定 pH 值的效果。 缓冲溶液是指能抵抗pH值发生较大变化的溶液，这主要是因为它包含两种成分，一种成分可以中和加入其中的酸，另一种成分可以中和加入其中的碱。将弱酸与该弱酸的盐混合起来，就能配制出缓冲溶液。有趣的是，该弱酸的盐通常是弱碱。 将乙酸（C2H4O2，一种弱酸）和乙酸钠（NaC2H3，一种弱碱）的溶液混合起来，就能得到缓冲溶液。任何加入其中的强酸都会被乙酸钠中和，如图1-13所示。同样，任何加入其中的强碱都会被乙酸中和，如图1-14所示。因此，缓冲溶液发挥缓冲作用的原理是同时含有弱酸和弱碱，每一种弱酸都将中和会导致溶液pH值大幅改变的外来物质。 所以，强酸和强碱都能被缓冲溶液中和，但这种中和并不意味着溶液的pH值保持不变。当氢氧化钠被加含有乙酸和乙酸钠的缓冲溶液时，会生成乙酸钠和水。因为乙酸钠是弱碱（接受少量氢离子），所以溶液的pH值略有增加。当加入盐酸时，会生成乙酸。由于乙酸为弱酸，所以溶液的pH值略有下降。缓冲溶液的特别之处在于，它能抵抗pH值的大幅变化。 许多不同的缓冲系统能够将pH值维持在一定的范围内。例如，乙酸-乙酸钠体系可以将pH值维持在4.8左右。含有等量弱碱和弱酸盐的缓冲溶液的pH值始终呈碱性。例如，由氨这种弱碱和它的对应弱酸盐氯化铵等量混合而成的溶液的pH值保持在9.3左右。 人体里血液的pH值之所以能够保持在稳定的范围内，原理也与之相似。血液中有几个缓冲系统，它们协同工作将pH值维持在7.35～7.45这一较小的范围内。pH值略高于或略低于该数值，都会给人体造成致命影响，主要是因为这会导致细胞蛋白变性。这与向牛奶中加入醋时牛奶会凝固的原理类似。 ● 风靡全球20余年，同名多媒体课程网络热销超1 000万次，入选北京大学通识教育核心课程。 ● 内容均出自名校杰出教授的课堂，趣味化学问题引入+细致前沿解答，指引好奇心，在探究中构建通识思维。 ● 中国地质大学（北京）材料科学与工程学院副院长、教授、博士生导师安琪、北京大学科学传播中心教授刘华杰、中国科学院国家天文台研究员苟利军，青年古生物学者邢立达，国内权威自然科普作家陈睿联袂推荐！ ● 湛庐文化出品。