Kiseline i lužine su dva ekstremna položaja iste ljestvice: njihova svojstva (potpuno suprotna) određena su istom vrijednošću - koncentracijom vodikovih iona (H+). Međutim, sam po sebi ovaj je broj vrlo nezgodan: čak i u kiselim sredinama, gdje je koncentracija vodikovih iona veća, ovaj broj je stotinke, tisućinke jedinice. Stoga, radi praktičnosti, koriste decimalni logaritam ove vrijednosti, pomnožen s minus jedan. Uobičajeno je reći da je to pH (potentia Hydrogen), ili indikator vodika.
Pojava koncepta
Općenito, činjenica da su kiseli okoliš i alkalni okoliš određeni koncentracijom vodikovih iona H + i da što je njihova koncentracija veća, to je otopina kiselija (i obrnuto, niži je H + koncentracija, što je okoliš alkalniji i veća je koncentracija suprotnih OH iona -), znanost je odavno poznata. Međutim, tek 1909. danski kemičar Sørensen prvi je objavio istraživanje u kojem je koristio koncept vodikovog indeksa - PH, kasnije zamijenjen pH.
Izračun kiselosti
Prilikom izračunavanja pH indeksa, pretpostavlja se da se molekule vode u otopini, iako u vrlo malim količinama, ipak disociraju na ione. Ova reakcija se naziva autoprotoliza vode:
H2O H+ + OH-
Reakcija je reverzibilna, pa je za nju definirana konstanta ravnoteže (pokazuje prosječne koncentracije svake komponente). Ovdje je vrijednost konstante za standardne uvjete - temperatura 22 °C.
Dolje u uglastim zagradama - molarne koncentracije navedenih komponenti. Molarna koncentracija vode u vodi je približno 55 mol/litra, što je vrijednost drugog reda. Stoga je proizvod koncentracija H+ i OH- iona oko 10-14. Ova vrijednost se naziva ionski proizvod vode.
U čistoj vodi, koncentracije vodikovih iona i hidroksidnih iona su 10-7. Sukladno tome, pH vrijednost vode bit će približno 7. Ova pH vrijednost uzima se kao neutralno okruženje.
Dalje, trebate skrenuti pogled s vode i razmisliti o otopini neke kiseline ili lužine. Uzmimo, na primjer, octenu kiselinu. Ionski produkt vode ostat će isti, ali će se ravnoteža između iona H+ i OH- pomaknuti prema prvom: vodikovi ioni će dolaze iz djelomično disocirane octene kiseline, a "dodatni" hidroksidni ioni će ići u nedisocirane molekule vode. Tako će koncentracija vodikovih iona biti veća, a pH niži (nema potrebezaboraviti da se logaritam uzima sa predznakom minus). Sukladno tome, kiseli i alkalni su povezani s pH. A oni su povezani na sljedeći način. Što je pH vrijednost niža, okoliš je kiseliji.
Kisela svojstva
Kisela okruženja su otopine s pH manjim od 7. Treba napomenuti da iako vrijednost ionskog produkta vode na prvi pogled ograničava pH vrijednosti u rasponu od 1 do 14, zapravo, postoje otopine s pH manjim od jedan (pa čak i manjim od nule) i većim od 14. Na primjer, u koncentriranim otopinama jakih kiselina (sumporne, klorovodične) pH može doseći -2.
Topljivost određenih tvari može ovisiti o tome imamo li kiselo ili lužnato okruženje. Na primjer, uzmite metalne hidrokside. Topljivost je određena vrijednošću produkta topljivosti, koji je po strukturi isti kao i ionski proizvod vode: pomnožene koncentracije. U slučaju hidroksida, proizvod topljivosti uključuje koncentraciju iona metala i koncentraciju hidroksidnih iona. U slučaju viška vodikovih iona (u kiseloj sredini), oni će aktivnije "izvlačiti" hidroksidne ione iz taloga, pomičući tako ravnotežu prema otopljenom obliku, povećavajući topljivost taloga.
Vrijedi spomenuti i da cijeli ljudski probavni trakt ima kiselo okruženje: pH želučanog soka kreće se od 1 do 2. Odstupanje od ovih vrijednosti gore ili dolje može biti znak raznih bolesti.
Svojstva alkalnog medija
Bu alkalnom okruženju pH vrijednost poprima vrijednosti veće od 7. Radi praktičnosti, u sredinama s visokom koncentracijom hidroksidnih iona, pH indikator kiselosti zamjenjuje se pH indikatorom bazičnosti pOH. Lako je pogoditi da označava vrijednost jednaku -lg[OH-] (negativni decimalni logaritam koncentracije hidroksidnih iona). Izravno iz ionskog produkta vode slijedi jednakost pH + pOH=14. Stoga je pOH=14 - pH. Dakle, za sve tvrdnje koje su točne za pH indeks, suprotne tvrdnje su istinite za indeks bazičnosti pOH. Ako je pH alkalnog medija po definiciji velik, tada je njegov pOH očito mali, a što je jača otopina alkalije, to je niža vrijednost pOH.
Ova rečenica upravo je uvela logičan paradoks koji zbunjuje mnoge rasprave o kiselosti: niska kiselost ukazuje na visoku kiselost, i obrnuto: visoke pH vrijednosti odgovaraju niskoj kiselosti. Ovaj paradoks se pojavljuje jer se logaritam uzima sa predznakom minus, a ljestvica kiselosti je, takoreći, obrnuta.
Praktična definicija kiselosti
Za određivanje kiselosti medija koriste se takozvani indikatori. Obično su to prilično složene organske molekule koje mijenjaju boju ovisno o pH medija. Indikator mijenja boju u vrlo uskom rasponu pH: ovo se koristi u kiselo-baznim titracijama za postizanje točnih rezultata: titracija se zaustavlja čim indikator promijeni boju.
Najpoznatiji pokazatelji su metilnarančasta (prijelazni interval u području s niskim pH), fenolftalein (prijelazni interval u području s visokim pH), lakmus, timol plava i drugi. U kiselim i alkalnim sredinama koriste se različiti indikatori ovisno o području u kojem se nalazi njihov prijelazni interval.
Postoje i univerzalni indikatori - oni postupno mijenjaju svoju boju od crvene do tamnoljubičaste kada prelaze iz jako kiselog u jako lužnato okruženje. Zapravo, univerzalni su pokazatelji mješavina uobičajenih.
Za preciznije određivanje kiselosti koristi se uređaj - pH metar (potenciometar, odnosno metoda se zove potenciometrija). Njegov princip rada temelji se na mjerenju EMF-a u krugu, čiji je element otopina s izmjerenim pH. Potencijal elektrode uronjene u otopinu osjetljiv je na koncentraciju vodikovih iona u otopini - otuda i promjena EMF-a, na temelju koje se izračunava stvarni pH.
Kiselost raznih sredina u svakodnevnom životu
Indeks kiselosti je od velike važnosti u svakodnevnom životu. Na primjer, slabe kiseline - octena, jabučna - koriste se kao konzervansi. Alkalne otopine su deterdženti, uključujući sapun. Najjednostavniji sapun su natrijeve soli masnih kiselina. U vodi se disociraju: ostatak masne kiseline - vrlo dug - s jedne strane ima negativan naboj, as druge strane - dugi nepolarni lanac ugljikovih atoma. Dakraj molekule, na kojem naboj sudjeluje u hidrataciji, skuplja oko sebe molekule vode. Drugi kraj se veže za druge nepolarne stvari, poput molekula masti. Kao rezultat toga nastaju micele - kuglice, u kojima strše "repovi" s negativnim nabojem, a unutra su skriveni "repovi" i čestice masti i prljavštine. Površina je oprana od masnoće i prljavštine zbog činjenice da deterdžent veže svu masnoću i prljavštinu u takve micele.
Kiselina i zdravlje
Već je spomenuto da je pH od velike važnosti za ljudski organizam. Osim u probavnom traktu, važno je kontrolirati i indeks kiselosti u drugim dijelovima tijela: krvi, slini, koži – kisela i alkalna sredina od velike su važnosti za mnoge biološke procese. Njihova definicija omogućuje procjenu stanja tijela.
Sada su sve popularniji pH testovi - takozvani ekspresni testovi za provjeru kiselosti. To su obične trake univerzalnog indikatorskog papira.
