Один из ярких примеров моих философствований выше: карбонатный буфер в воде. О нём поговорим чуть ниже. Для начала разберем определение «буферная система». Это система из двух и более веществ в растворе с похожим строением: одно будет чуть кислее (может при необходимости делиться ионами водорода), другие — чуть осно́внее (может забирать излишнее количество «водородов» из окружающей среды).

Предположим, злой рок судьбы решит добавить в нашу воду немного кислоты или основания. Если в воде не будет буферной системы, то её pH резко упадёт или подскочит. Но если в воде будет эквивалентное вносимым изменениям количество буфера, то pH воды не изменится!

Итак, действуя, как единая команда, буферная система будет сохранять pH стабильным в пределах своих возможностей. Она сможет как отдавать, так и принимать ионы водорода из окружающей среды в зависимости от изменений условий (то есть кислота или основание летит в неё прямо по курсу).

А если мы решим разбавить всю эту красоту водой, то буферная система всё также будет держать стабильное для неё значение pH и сохранит свою работоспособность. И это ещё одно её свойство.

Одна из таких буферных систем несколько миллиардов лет назад помогла зародиться жизни на нашей Земле, заботливо защищая «океанический супчик» из веществ от резких перепадов pH. Это был карбонатный буфер. Так похлопаем же ему за то, что читаем сейчас этот текст!

Карбонатный буфер в контексте воды представлен тремя структурами, которые могут превращаться друг в друга в зависимости от условий. Это «карбонат», «бикарбонат» (или гидрокарбонат) и «угольная кислота».

На самом деле с карбонатным буфером в воде связано много процессов и явлений. Чтобы не запутаться, рассмотрим их отдельно, а затем соберем всю схему воедино.

1. Буфер для нейтральной среды

Поддержание pH в пределах нейтральной среды от 6 до 8 ложится на плечи угольной кислоты и бикарбоната. Предположим, в воду попали вещества осно́вного характера (основания). Такие вещества не хотят делиться ионами водорода, но с радостью «отжали» бы себе их дополнительно у других веществ. Буферная система реагирует и делится ионами водорода, стабилизируя pH.

А теперь возьмём и добавим в воду немного кислоты. Из прошлой части статьи мы помним, что кислоты — щедрые на ионы водорода вещества и активно делятся ими с окружающей средой в растворе. Чтобы вечеринка не приобрела слишком кислотный характер, буферная система реагирует на сложившиеся обстоятельства и забирает себе избыток ионов водорода (то есть выступает уже в роли основания). Как вы уже догадались, pH снова стабилизируется. Баланс и гармония врываются в наш чат.

2. Углекислый газ в воде

Вода — уникальный растворитель. Поэтому вместе с минералами она может уникально растворять ещё и многие газы из нашей атмосферы. К примеру, углекислый газ. Надо признаться, что при нашем привычном атмосферном давлении вода может растворить в себе небольшое количество углекислого газа. Он соединяется с водой и образует угольную кислоту. Представим ситуацию, в которой в воде нет буферов-стабилизаторов, да и вообще нет никаких минералов. То есть водица деминерализована, но не сломлена. Если она постоит какое-то время на открытом воздухе, то растворит в себе достаточное количество углекислого газа, чтобы понизить pH воды даже до 5!

Кстати, при повышении атмосферного давления мы можем увеличить количество растворённого углекислого газа. Яркий пример: газированная вода. Итак, мы открываем бутылку *пшшш*. В этот момент мы резко сбрасываем высокое давление в бутылке, снижая его до привычного атмосферного, и угольная кислота моментально распадается на «газики и водичку». Догадываетесь, почему газированная вода имеет кислый вкус? Оставлю вопрос без ответа.

А этот неповторимый вайб наисвежайшего зерна в чашке эспрессо (неприятная кислотность, напоминающая выдохшуюся минералку). Здесь уже будут предположения автора, так как эспрессо варится достаточно горячей водой, но ведь там давление — полноценные 9 атмосфер! Думаю, при большом количестве углекислого газа в зерне, немного угольной кислоты вполне может образоваться. Есть поле для мыслей и исследований.

Вот схема превращения углекислого газа и воды в кислоту.

3. Образование накипи

При сильном увеличении температуры воды ионы солей жесткости и бикарбонаты соединяются и образуют нерастворимый осадок — накипь. Чтобы снова перевести карбонаты нерастворимых солей в растворимую бикарбонатную форму, можно просто немного увеличить кислотность воды. Вы только что узнали основной способ устранения накипи. Поздравляю!

Не изменяя традициям, схема превращения безобидных растворённых в воде ионов в слой накипи на вашем нагревательном оборудовании на примере ионов кальция:

Кстати, думаю, вы уже догадались, где можно прочитать подробнее про жесткость и накипь.

4. Буфер в воде для кофе

А теперь шок-контент. Что будет, если заварить кислючий спешелти кофе водой, содержащей много буфера? Правильно! Он среагирует на кислотную кофейную вечеринку насколько хватит его возможностей и полномочий. То есть попытается нейтрализовать часть кислотности. А мы получим в чашке грязный, замыленный, смазанный вкус.

Боже упаси тогда связываться с буфером в воде для кофе! Я тоже сначала так подумала, но не спешите делать выводы. Если в воде совсем не будет буферной системы, то pH будет скакать, как конь ретивый на радео при малейших колебаниях состава воды. Если в воде будет мало минералов, то в ней будет растворяться большее количество углекислого газа, понижая pH воды. В Петербурге, к примеру, pH воды держится обычно в районе 6−6,5. Я не жалуюсь. В целом, тут классная вода. Но кофе на воде с таким составом многим гостям северной столицы часто кажется кисленькой водичкой, особенно, если они привыкли работать с водой от 100 ppm и выше.

Всё вышеописанное больше про разные мнения и разные вкусы и цвета фломастеров. Что в таком составе действительно плохо: вода с повышенной кислотностью увеличивает скорость коррозии. Смотри про коррозию тут.

Поэтому, везде важен баланс. SCA (Ассоциация Спешелти Кофе) рекомендуют держать в воде для кофе не более 40 мг/л карбонатного буфера. Полностью согласна с этим требованием. Если сильно увеличивать количество буфера, можно попить кирпичей.


Чтобы собрать всё вместе, я нарисовала вам картинку.

С одной стороны химия — это, правда, сложно. С другой — посмотрите, сколько процессов и явлений из нашей повседневной жизни нам удалось собрать в одной единственной статье про карбонатный буфер. И как химия элегантно их описывает. А я рада, что сегодня поделилась ими с вами!