Zawartość
- Definicja skali pH
- Cel skali pH
- Przykłady substancji kwasowych
- Przykłady substancji alkalicznych
- Mieszanie kwasu i zasady
- Jak mierzyć pH
Być może wiesz, że poziom pH czystej wody wynosi 7, pH octu wynosi około 3, a pH wodorotlenku sodu wynosi około 13, ale co w rzeczywistości oznaczają te liczby? Mówią ci, jak kwaśny lub zasadowy jest wodny roztwór (na bazie wody), w skali od 0 do 14. Skala ta jest znana jako skala pH, gdzie pH jest skrótem od „mocy wodoru”.
Definicja skali pH
Gdy zanurzasz kwasy i zasady w roztworze, uwalniają one wolne jony. W roztworze na bazie wody kwas uwalnia dodatni wodór (H+), podczas gdy substancja alkaliczna uwalnia ujemny wodorotlenek (OH-). Oznacza to, że gdy kwas rozpuszcza się w wodzie, zmienia się równowaga między jonami wodoru i jonami wodorotlenkowymi, w wyniku czego więcej jonów wodoru niż jonów wodorotlenkowych w roztworze (roztwór kwasowy). Równowaga zmienia się również, gdy alkalia rozpuszczają się w wodzie, ale w odwrotny sposób. W takim przypadku roztwór zawiera więcej jonów wodorotlenkowych niż jonów wodorowych (roztwór alkaliczny).
Skala pH mierzy siłę kwasu lub zasady. Jeśli jest w środku skali, uważa się go za neutralny - stężenie jonów wodorowych jest równe stężeniu jonów wodorotlenkowych.
Definicja pH jest logarytmem ujemnym stężenia jonów wodoru. Duński biochemik Søren Peter Lauritz Sørensen był odpowiedzialny za ten termin, który stworzył w 1909 roku jako skrót od „mocy wodoru”. „P” oznacza niemieckie słowo oznaczające moc (potenz), a H jest symbolem pierwiastka wodoru.
Sørensen opracował następujące równanie do obliczenia pH:
pH = -log
Log jest logarytmem podstawowym 10 i oznacza stężenie jonów wodoru w jednostkach moli na litr roztworu.
Cel skali pH
Skala pH przebiega od 0 do 14, gdzie 7 oznacza pH obojętne, wszystko poniżej 7 jest kwaśne, a wszystko powyżej 7 jest alkaliczne (czasami określane jako zasadowe). Skala pH jest logarytmiczna, co oznacza, że każda cała wartość poniżej 7 jest 10-krotnie bardziej kwaśna niż wyższa wartość, a każda cała wartość powyżej 7 jest 10-krotnie mniej kwaśna niż niższa wartość. Na przykład pH 2 jest 10-krotnie bardziej kwaśne niż pH 3 i 100 razy bardziej kwaśne niż pH 4. Innymi słowy, im mocniejszy kwas, tym niższa liczba pH i tym silniejsza zasada, wyższa wartość pH.
Małe zmiany pH mogą mieć duże efekty. Na przykład kwaśne deszcze, które ogólnie mają pH od 4,2 do 4,4, są ponad 10 razy bardziej kwaśne niż czyste deszcze, które zwykle mają pH 5,6.
Substancja o pH od 1 do 2 jest uważana za silny kwas, natomiast substancja o pH od 13 do 14 jest silnym alkalem. Jeśli kwas jest bardzo silny, może mieć ujemne pH, podczas gdy bardzo mocne zasady mogą mieć pH wyższe niż 14. Substancja, która nie jest kwaśna ani zasadowa, taka jak czysta woda, jest obojętna. Ludzka krew ma nieco wyższe niż neutralne pH około 7,4.
Tylko roztwory wodne mają poziomy pH, co oznacza, że chemikalia, w tym niektóre ciecze, nie mają wartości pH. Na przykład czysty alkohol, olej roślinny i benzyna nie mają poziomu pH.
Przykłady substancji kwasowych
Roztwory kwasowe zawierają więcej jonów wodoru niż roztwory alkaliczne lub obojętne. Kwasy mają również kwaśny smak i bardzo silnie reagują na metale. Po skoncentrowaniu mogą być bardzo żrące. Niektóre popularne kwasy to sok pomarańczowy, ocet, cytryny i kwas siarkowy.
Przykłady substancji alkalicznych
Roztwory alkaliczne zawierają mniej jonów wodoru niż roztwory lub kwasy obojętne lub kwasowe. Zasady wydają się śliskie i zwykle mają gorzki smak. Podobnie jak kwasy, silne zasady mogą poparzyć skórę. Niektóre powszechne zasady obejmują amoniak, ług, sodę oczyszczoną, wodę z mydłem, wybielacz i mleko magnezji.
Mieszanie kwasu i zasady
Po zmieszaniu równych ilości mocnego kwasu i silnych zasad, te dwie substancje chemiczne zasadniczo się wzajemnie znoszą, w wyniku czego powstaje sól i woda. Mieszanie tych samych ilości mocnego kwasu i mocnego metalu alkalicznego daje również roztwór o obojętnym pH. Jest to znane jako reakcja neutralizacji i wygląda następująco:
HA + BOH → BA + H2O + ciepło
Na przykład reakcja między silnym kwaśnym HCl (kwasem chlorowodorowym) a silnym alkalicznym NaOH (wodorotlenek sodu) jest następująca:
HCl + NaOH → NaCl + H2O + ciepło
W wyniku tej reakcji powstaje chlorek sodu (sól kuchenna). Gdyby w reakcji było więcej kwasu niż zasady, nie cały kwas zareagowałby, więc wynikiem byłaby sól, woda i resztki kwasu, a roztwór byłby nadal kwaśny (o pH niższym niż 7). Jednakże, jeśli miałbyś więcej alkaliów niż kwasów, pozostałyby alkalia, a ostateczny roztwór byłby nadal alkaliczny (o pH większym niż 7).
Ponieważ mieszanina rozgrzewa się podczas reakcji, neutralizacja jest znana jako reakcja egzotermiczna. Neutralizacja jest używana do wielu rzeczy. Rolnicy mogą stosować wapno (tlenek wapnia) do neutralizacji kwaśnych gleb. Możesz użyć proszku do pieczenia, który zawiera wodorowęglan sodu, aby zneutralizować kwaśne użądlenie pszczół.
Coś podobnego dzieje się, gdy jeden lub oba reagenty są słabe. Słaby kwas lub zasada nie dysocjuje całkowicie w wodzie, więc na końcu reakcji mogą pozostać reagenty, które wpływają na pH. Ponadto nie można wytworzyć wody, ponieważ większość słabych zasad nie jest wodorotlenkami, więc nie ma OH- niezbędne do wytworzenia wody.
Jak mierzyć pH
Możesz zmierzyć poziom pH roztworu na różne sposoby. Najprostsza metoda polega na testowaniu pasków pH, które są wykonane ze specjalnego papieru zwanego papierem lakmusowym. Jest to bibuła filtracyjna poddana działaniu barwników wykonanych z porostów. Ten papier zmienia kolor, gdy wchodzi w kontakt z kwasem lub zasadą. Po umieszczeniu w kwasowym roztworze niebieski papier lakmusowy zmienia kolor na czerwony, a po umieszczeniu w roztworze alkalicznym czerwony papier lakmusowy zmienia kolor na niebieski. (Jak można się spodziewać, gdy niebieski papier lakmusowy zostanie umieszczony w neutralnym roztworze, pozostanie niebieski, a gdy czerwony papier lakmusowy zostanie umieszczony w neutralnym roztworze, pozostanie czerwony).
Niektóre paski testowe pH zawierają paski wskaźnikowe, z których każdy zmienia kolor w zależności od roztworu, na który jest wystawiony pasek. Kiedy przykryjesz pasek testowy roztworem (w czystym pojemniku) przez kilka sekund, a następnie go usuwasz, możesz porównać koniec paska testowego z kartą kolorów otrzymaną z papierem, aby określić poziom pH roztworów.
Inny sposób pomiaru pH wymaga sondy i miernika. Przed użyciem tych narzędzi należy skalibrować miernik, testując go w substancji o znanym poziomie pH (takim jak woda destylowana o pH 7). Po dokonaniu wszelkich niezbędnych regulacji miernika oraz przepłukaniu i wysuszeniu sondy i miernika, możesz wykonać test pH próbki cieczy w czystym pojemniku wystarczająco głębokim, aby całkowicie zakrył końcówkę sondy. Sprawdź temperaturę próbki za pomocą termometru i upewnij się, że miernik odpowiada tej temperaturze. Umieść sondę w próbce i poczekaj, aż pomiar ustabilizuje się (oznacza to, że miernik osiągnął równowagę) przed zarejestrowaniem poziomu pH.