Kwasy i zasady to dwie skrajne pozycje tej samej skali: ich właściwości (zupełnie przeciwne) określa ta sama wartość - stężenie jonów wodorowych (H+). Jednak sama w sobie liczba ta jest bardzo niewygodna: nawet w środowiskach kwaśnych, gdzie stężenie jonów wodorowych jest wyższe, liczba ta to setne, tysięczne części jednostki. Dlatego dla wygody używają logarytmu dziesiętnego tej wartości pomnożonej przez minus jeden. Zwyczajowo mówi się, że jest to pH (potentia wodór) lub wskaźnik wodoru.
Pojawienie się koncepcji
Ogólnie rzecz biorąc, fakt, że środowisko kwaśne i środowisko alkaliczne są determinowane przez stężenie jonów wodorowych H + i że im wyższe ich stężenie, tym bardziej kwaśny roztwór (i odwrotnie, tym niższe H + im bardziej alkaliczne środowisko i tym wyższe stężenie przeciwnych jonów OH -), znane jest nauce od dawna. Jednak dopiero w 1909 r. duński chemik Sørensen po raz pierwszy opublikował badania, w których wykorzystał koncepcję indeksu wodorowego – PH, zastąpionego później przez pH.
Obliczanie kwasowości
Przy obliczaniu wskaźnika pH zakłada się, że cząsteczki wody w roztworze, choć w bardzo małych ilościach, nadal dysocjują na jony. Ta reakcja nazywana jest autoprotolizą wody:
H2O H+ + OH-
Reakcja jest odwracalna, więc zdefiniowano dla niej stałą równowagi (pokazującą średnie stężenia każdego składnika). Oto wartość stałej dla warunków standardowych - temperatura 22 °C.
Poniżej w nawiasach kwadratowych - stężenia molowe wskazanych składników. Stężenie molowe wody w wodzie wynosi około 55 mol/litr, co jest wartością drugiego rzędu. Dlatego iloczyn stężeń jonów H+ i OH- wynosi około 10-14. Ta wartość nazywana jest iloczynem jonowym wody.
W czystej wodzie stężenie jonów wodorowych i wodorotlenowych wynosi 10-7. W związku z tym wartość pH wody wyniesie około 7. Ta wartość pH jest traktowana jako środowisko neutralne.
Następnie musisz odwrócić wzrok od wody i rozważyć roztwór jakiegoś kwasu lub zasady. Weźmy na przykład kwas octowy. Produkt jonowy wody pozostanie taki sam, ale równowaga między jonami H+ i OH- przesunie się w kierunku tego pierwszego: jony wodorowe będą pochodzą z częściowo zdysocjowanego kwasu octowego, a „dodatkowe” jony wodorotlenowe przechodzą do niezdysocjowanych cząsteczek wody. W ten sposób stężenie jonów wodorowych będzie wyższe, a pH niższe (nie ma potrzeby)zapomnij, że logarytm jest przyjmowany ze znakiem minus). W związku z tym kwasowość i zasada są związane z pH. I są one połączone w następujący sposób. Im niższa wartość pH, tym bardziej kwaśne środowisko.
Właściwości kwasowe
Środowiska kwaśne to roztwory o pH poniżej 7. Należy zauważyć, że chociaż wartość produktu jonowego wody na pierwszy rzut oka ogranicza wartości pH w zakresie od 1 do 14, w rzeczywistości istnieją roztwory o pH mniejszym niż jeden (a nawet mniejszym niż zero) i większym niż 14. Na przykład w stężonych roztworach mocnych kwasów (siarkowy, solny) pH może osiągnąć -2.
Rozpuszczalność niektórych substancji może zależeć od tego, czy mamy środowisko kwaśne, czy zasadowe. Weźmy na przykład wodorotlenki metali. Rozpuszczalność jest określona przez wartość iloczynu rozpuszczalności, który ma taką samą strukturę jak iloczyn jonów wody: zwielokrotnione stężenia. W przypadku wodorotlenku iloczyn rozpuszczalności obejmuje stężenie jonu metalu i stężenie jonów wodorotlenowych. W przypadku nadmiaru jonów wodorowych (w środowisku kwaśnym) będą one aktywniej „wyciągać” jony wodorotlenkowe z osadu, przesuwając tym samym równowagę w kierunku postaci rozpuszczonej, zwiększając rozpuszczalność osadu.
Warto również wspomnieć, że cały przewód pokarmowy człowieka ma kwaśne środowisko: pH soku żołądkowego waha się od 1 do 2. Odchylenie od tych wartości w górę lub w dół może być oznaką różnych chorób.
Właściwości medium alkalicznego
Bw środowisku alkalicznym wartość pH przyjmuje wartości większe niż 7. Dla wygody, w środowiskach o wysokim stężeniu jonów wodorotlenowych, wskaźnik kwasowości pH zastępuje się wskaźnikiem zasadowości pH pOH. Łatwo się domyślić, że oznacza to wartość równą -lg[OH-] (ujemny logarytm dziesiętny stężenia jonów wodorotlenowych). Bezpośrednio z produktu jonowego wody wynika równość pH + pOH=14. Dlatego pOH=14 - pH. Zatem dla wszystkich stwierdzeń, które są prawdziwe dla wskaźnika pH, przeciwne stwierdzenia są prawdziwe dla wskaźnika zasadowości pOH. Jeśli pH środowiska alkalicznego jest z definicji duże, to jego pOH jest oczywiście małe, a im silniejszy roztwór alkaliczny, tym niższa wartość pOH.
To zdanie właśnie wprowadziło logiczny paradoks, który myli wiele dyskusji na temat kwasowości: niska kwasowość wskazuje na wysoką kwasowość i odwrotnie: wysokie wartości pH odpowiadają niskiej kwasowości. Ten paradoks pojawia się, ponieważ logarytm przyjmuje się ze znakiem minus, a skala kwasowości jest jakby odwrócona.
Praktyczna definicja kwasowości
Tak zwane wskaźniki są używane do określania kwasowości podłoża. Zwykle są to dość złożone cząsteczki organiczne, które zmieniają kolor w zależności od pH podłoża. Wskaźnik zmienia kolor w bardzo wąskim zakresie pH: jest to stosowane w miareczkowaniu kwasowo-zasadowym w celu uzyskania dokładnych wyników: miareczkowanie jest zatrzymywane, gdy tylko wskaźnik zmieni kolor.
Najbardziej znane wskaźniki to metylpomarańczowy (przedział przejścia w regionie o niskim pH), fenoloftaleina (przedział przejścia w regionie o wysokim pH), lakmus, błękit tymolowy i inne. W środowiskach kwaśnych i alkalicznych stosuje się różne wskaźniki w zależności od obszaru, w którym znajduje się ich przedział przejściowy.
Istnieją również wskaźniki uniwersalne - zmieniają kolor stopniowo z czerwonego na ciemnofioletowy, przechodząc ze środowisk silnie kwaśnych do silnie zasadowych. W rzeczywistości uniwersalne wskaźniki są mieszanką powszechnych.
W celu dokładniejszego określenia kwasowości stosuje się urządzenie - miernik pH (potencjometr, metoda, odpowiednio, nazywana jest potencjometrią). Jego zasada działania opiera się na pomiarze pola elektromagnetycznego w obwodzie, którego elementem jest roztwór o zmierzonym pH. Potencjał elektrody zanurzonej w roztworze jest wrażliwy na stężenie jonów wodorowych w roztworze - stąd zmiana pola elektromagnetycznego, na podstawie którego obliczane jest rzeczywiste pH.
Kwasowość różnych środowisk w życiu codziennym
Wskaźnik kwasowości ma ogromne znaczenie w życiu codziennym. Na przykład jako konserwanty stosuje się słabe kwasy - octowy, jabłkowy. Roztwory alkaliczne to detergenty, w tym mydło. Najprostszym mydłem są sole sodowe kwasów tłuszczowych. W wodzie dysocjują: reszta kwasu tłuszczowego - bardzo długa - z jednej strony ma ładunek ujemny, a z drugiej - długi niepolarny łańcuch atomów węgla. Tokoniec cząsteczki, przy którym ładunek uczestniczy w hydratacji, gromadzi wokół siebie cząsteczki wody. Drugi koniec przyczepia się do innych niepolarnych rzeczy, takich jak cząsteczki tłuszczu. W efekcie powstają micele – kulki, w których wystają „ogony” z ładunkiem ujemnym, a wewnątrz kryją się „ogony” oraz drobinki tłuszczu i brudu. Powierzchnia jest zmyta z tłuszczu i brudu dzięki temu, że detergent wiąże cały tłuszcz i brud w takie micele.
Kwasowość i zdrowie
Wspomniano już, że pH ma ogromne znaczenie dla ludzkiego organizmu. Oprócz przewodu pokarmowego ważna jest kontrola wskaźnika kwasowości w innych częściach ciała: krwi, ślinie, skórze – środowiska kwaśne i zasadowe mają ogromne znaczenie dla wielu procesów biologicznych. Ich definicja pozwala ocenić stan organizmu.
Teraz popularność zyskują testy pH – tzw. ekspresowe testy sprawdzające kwasowość. Są to regularne paski uniwersalnego papierka wskaźnikowego.
