Kyseliny a zásady jsou dvě krajní polohy stejné stupnice: jejich vlastnosti (zcela opačné) jsou určeny stejnou hodnotou - koncentrací vodíkových iontů (H+). Toto číslo je však samo o sobě velmi nepohodlné: i v kyselém prostředí, kde je koncentrace vodíkových iontů vyšší, jde o setiny, tisíciny jednotky. Proto pro usnadnění používají dekadický logaritmus této hodnoty vynásobený mínus jedna. Je zvykem říkat, že se jedná o pH (potentia Hydrogen), neboli vodíkový indikátor.
Vznik konceptu
Obecně platí, že kyselé prostředí a alkalické prostředí je dáno koncentrací vodíkových iontů H + a že čím vyšší je jejich koncentrace, tím kyselejší je roztok (a naopak, tím nižší H + koncentrace, čím zásaditější prostředí a tím vyšší koncentrace opačných OH iontů -), je vědě známo již dlouhou dobu. Nicméně až v roce 1909 dánský chemik Sørensen poprvé publikoval výzkum, ve kterém použil koncept vodíkového indexu - PH, později nahrazeného pH.
Výpočet kyselosti
Při výpočtu pH indexu se předpokládá, že molekuly vody v roztoku, i když ve velmi malých množstvích, stále disociují na ionty. Tato reakce se nazývá autoprotolýza vody:
H2O H+ + OH-
Reakce je vratná, takže je pro ni definována rovnovážná konstanta (ukazuje průměrné koncentrace každé složky). Zde je hodnota konstanty pro standardní podmínky - teplota 22 °C.
Níže v hranatých závorkách - molární koncentrace uvedených složek. Molární koncentrace vody ve vodě je přibližně 55 mol/litr, což je hodnota druhého řádu. Proto je součin koncentrací iontů H+ a OH- asi 10-14. Tato hodnota se nazývá iontový součin vody.
V čisté vodě jsou koncentrace vodíkových iontů a hydroxidových iontů 10-7. V souladu s tím bude hodnota pH vody přibližně 7. Tato hodnota pH je brána jako neutrální prostředí.
Dále musíte odvrátit zrak od vody a zvážit roztok nějaké kyseliny nebo zásady. Vezměte si například kyselinu octovou. Iontový produkt vody zůstane stejný, ale rovnováha mezi ionty H+ a OH- se posune směrem k prvnímu: vodíkové ionty se pocházejí z částečně disociované kyseliny octové a "extra" hydroxidové ionty přejdou do nedisociovaných molekul vody. Koncentrace vodíkových iontů bude tedy vyšší a pH nižší (není potřebazapomeňte, že logaritmus se bere se znaménkem mínus). Kyselé a alkalické tedy souvisí s pH. A jsou spojeny následujícím způsobem. Čím nižší je hodnota pH, tím je prostředí kyselejší.
Kyselé vlastnosti
Kyselé prostředí jsou roztoky s pH nižším než 7. Je třeba poznamenat, že ačkoliv hodnota iontového produktu vody na první pohled omezuje hodnoty pH\u200b\u200v rozmezí od 1 do 14, ve skutečnosti existují roztoky s pH menším než jedna (a dokonce menším než nula) a větším než 14. Například v koncentrovaných roztocích silných kyselin (sírová, chlorovodíková) může pH dosáhnout -2.
Rozpustnost určitých látek může záviset na tom, zda máme kyselé nebo zásadité prostředí. Například vezměte hydroxidy kovů. Rozpustnost je určena hodnotou součinu rozpustnosti, který má stejnou strukturu jako iontový součin vody: násobené koncentrace. V případě hydroxidu zahrnuje součin rozpustnosti koncentraci kovového iontu a koncentraci hydroxidových iontů. V případě přebytku vodíkových iontů (v kyselém prostředí) aktivněji „vytahují“hydroxidové ionty ze sraženiny, čímž posunou rovnováhu směrem k rozpuštěné formě, čímž se zvýší rozpustnost sraženiny.
Za zmínku také stojí, že celý lidský trávicí trakt má kyselé prostředí: pH žaludeční šťávy se pohybuje od 1 do 2. Odchylka od těchto hodnot nahoru nebo dolů může být známkou různých onemocnění.
Vlastnosti alkalického média
Bv alkalickém prostředí nabývá hodnota pH hodnot vyšších než 7. Pro pohodlí v prostředí s vysokou koncentrací hydroxidových iontů je pH indikátor kyselosti nahrazen pH indikátorem zásaditosti pOH. Je snadné uhodnout, že označuje hodnotu rovnou -lg[OH-] (záporný dekadický logaritmus koncentrace hydroxidových iontů). Přímo z iontového produktu vody vyplývá rovnost pH + pOH=14. Proto pOH=14 - pH. Tedy pro všechna tvrzení, která jsou pravdivá pro index pH, platí opačná tvrzení pro index zásaditosti pOH. Pokud je pH alkalického média z definice velké, pak je jeho pOH zjevně malé a čím silnější je alkalický roztok, tím nižší je hodnota pOH.
Tato věta právě zavedla logický paradox, který mate mnoho diskuzí o kyselosti: nízká kyselost znamená vysokou kyselost a naopak: vysoké hodnoty pH odpovídají nízké kyselosti. Tento paradox se objevuje, protože logaritmus se bere se znaménkem mínus a stupnice kyselosti je jakoby převrácená.
Praktická definice kyselosti
K určení kyselosti média se používají takzvané indikátory. Obvykle se jedná o poměrně složité organické molekuly, které mění svou barvu v závislosti na pH média. Indikátor mění barvu ve velmi úzkém rozsahu pH: používá se při acidobazických titracích k dosažení přesných výsledků: titrace se zastaví, jakmile indikátor změní barvu.
Nejznámějšími indikátory jsou methyloranžová (interval přechodu v oblasti s nízkým pH), fenolftalein (interval přechodu v oblasti s vysokým pH), lakmus, thymolová modř a další. V kyselém prostředí a alkalickém prostředí se používají různé indikátory v závislosti na oblasti, ve které leží jejich přechodový interval.
Existují i univerzální indikátory – při přechodu ze silně kyselého do silně zásaditého prostředí mění postupně svou barvu z červené na sytě fialovou. Univerzální indikátory jsou ve skutečnosti směsí těch běžných.
Pro přesnější stanovení kyselosti se používá přístroj - pH metr (potenciometr, resp. metoda se nazývá potenciometrie). Jeho princip činnosti je založen na měření EMF v obvodu, jehož prvkem je roztok s naměřeným pH. Potenciál elektrody ponořené do roztoku je citlivý na koncentraci vodíkových iontů v roztoku - odtud změna EMF, na základě které se vypočítá skutečné pH.
Kyselost různých prostředí v každodenním životě
Index kyselosti má v každodenním životě velký význam. Jako konzervanty se používají například slabé kyseliny - octová, jablečná. Alkalické roztoky jsou detergenty, včetně mýdla. Nejjednodušším mýdlem jsou sodné soli mastných kyselin. Ve vodě disociují: zbytek mastné kyseliny - velmi dlouhý - má na jedné straně negativní náboj a na druhé straně dlouhý nepolární řetězec atomů uhlíku. Žekonec molekuly, na kterém se náboj účastní hydratace, kolem sebe shromažďuje molekuly vody. Druhý konec se připojuje k jiným nepolárním věcem, jako jsou molekuly tuku. V důsledku toho se tvoří micely - kuličky, ve kterých trčí "ocásky" s negativním nábojem a uvnitř se skrývají "ocásky" a částečky tuku a nečistot. Povrch je omytý od mastnoty a nečistot díky tomu, že detergent naváže veškerou mastnotu a nečistoty do takových micel.
Kyselost a zdraví
Už bylo zmíněno, že pH má pro lidský organismus velký význam. Kromě trávicího traktu je důležité kontrolovat index kyselosti i v dalších částech těla: krev, sliny, kůže – kyselé i zásadité prostředí má velký význam pro mnoho biologických procesů. Jejich definice vám umožňuje posoudit stav těla.
Nyní získávají na popularitě testy pH - tzv. expresní testy pro kontrolu kyselosti. Jsou to pravidelné proužky univerzálního indikátorového papíru.
