Киселините и основите са две крайни позиции от една и съща скала: техните свойства (напълно противоположни) се определят от една и съща стойност - концентрацията на водородни йони (H+). Само по себе си обаче това число е много неудобно: дори в кисела среда, където концентрацията на водородни йони е по-висока, това число е стотни, хилядни от единицата. Следователно, за удобство, те използват десетичния логаритъм на тази стойност, умножен по минус едно. Обичайно е да се казва, че това е pH (potentia Hydrogen) или водороден индикатор.
Появата на концепцията
По принцип фактът, че киселинната среда и алкалната среда се определят от концентрацията на водородните йони H + и че колкото по-висока е тяхната концентрация, толкова по-кисел е разтворът (и обратно, толкова по-ниска е H + концентрация, толкова по-алкална е околната среда и толкова по-висока е концентрацията на противоположни йони ОН -), е известно на науката от дълго време. Въпреки това, едва през 1909 г. датският химик Sørensen за първи път публикува изследване, в което използва концепцията за водороден индекс - PH, по-късно заменен с pH.
Изчисляване на киселинността
При изчисляване на pH индекса се приема, че водните молекули в разтвор, макар и в много малки количества, все пак се дисоциират на йони. Тази реакция се нарича автопротолиза на водата:
H2O H+ + OH-
Реакцията е обратима, така че за нея е дефинирана равновесна константа (показваща средните концентрации на всеки компонент). Ето стойността на константата за стандартни условия - температура 22 °C.
По-долу в квадратни скоби - моларни концентрации на посочените компоненти. Моларната концентрация на вода във вода е приблизително 55 mol/литър, което е стойност от втори порядък. Следователно, продуктът на концентрациите на йони H+ и OH- е около 10-14. Тази стойност се нарича йонно произведение на водата.
В чиста вода концентрациите на водородни йони и хидроксидни йони са 10-7. Съответно, pH стойността на водата ще бъде приблизително 7. Тази стойност на pH се приема като неутрална среда.
След това трябва да отместите поглед от водата и да помислите за разтвор на някаква киселина или алкали. Вземете например оцетната киселина. Йонният продукт на водата ще остане същият, но балансът между йоните H+ и OH- ще се измести към първия: водородните йони ще идват от частично дисоциирана оцетна киселина и „допълнителни“хидроксидни йони ще отидат в недисоциирани водни молекули. По този начин концентрацията на водородните йони ще бъде по-висока и рН ще бъде по-ниско (няма нуждазабравете, че логаритъмът е взет със знак минус). Съответно, киселинните и алкалните са свързани с pH. И те са свързани по следния начин. Колкото по-ниска е стойността на pH, толкова по-кисела е средата.
Киселинни свойства
Киселинните среди са разтвори с pH по-малко от 7. Трябва да се отбележи, че въпреки че стойността на йонния продукт на водата на пръв поглед ограничава стойностите на pH в диапазона от 1 до 14, всъщност съществуват разтвори с рН по-малко от едно (и дори по-малко от нула) и по-голямо от 14. Например, в концентрирани разтвори на силни киселини (сярна, солна) pH може да достигне -2.
Разтворимостта на определени вещества може да зависи от това дали имаме киселинна или алкална среда. Например, вземете метални хидроксиди. Разтворимостта се определя от стойността на продукта на разтворимост, който по структура е същият като йонния продукт на водата: умножени концентрации. В случай на хидроксид продуктът на разтворимост включва концентрацията на металния йон и концентрацията на хидроксидните йони. В случай на излишък от водородни йони (в кисела среда), те по-активно ще „извадят“хидроксидните йони от утайката, като по този начин ще изместят равновесието към разтворената форма, увеличавайки разтворимостта на утайката.
Заслужава си да се спомене, че целият храносмилателен тракт на човека има кисела среда: pH на стомашния сок варира от 1 до 2. Отклонението от тези стойности нагоре или надолу може да е признак на различни заболявания.
Свойства на алкалната среда
Bв алкална среда стойността на pH придобива стойности, по-големи от 7. За удобство, в среди с висока концентрация на хидроксидни йони, pH индикаторът за киселинност се заменя с pH индикатора за основност pOH. Лесно е да се отгатне, че означава стойност, равна на -lg[OH-] (отрицателен десетичен логаритъм на концентрацията на хидроксидни йони). Директно от йонния продукт на водата следва равенството pH + pOH=14. Следователно pOH=14 - pH. По този начин, за всички твърдения, които са верни за индекса на pH, противоположните твърдения са верни за индекса на основност на pOH. Ако pH на алкална среда е голямо по дефиниция, тогава нейният pOH е очевидно малък и колкото по-силен е алкалния разтвор, толкова по-ниска е стойността на pOH.
Това изречение току-що въведе логически парадокс, който обърква много дискусии за киселинността: ниската киселинност показва висока киселинност и обратно: високите стойности на pH съответстват на ниската киселинност. Този парадокс се появява, защото логаритъмът е взет със знак минус, а скалата за киселинност е като че ли обърната.
Практическа дефиниция на киселинността
За определяне на киселинността на средата се използват т. нар. индикатори. Обикновено това са доста сложни органични молекули, които променят цвета си в зависимост от pH на средата. Индикаторът променя цвета си в много тесен диапазон на pH: това се използва при киселинно-основни титрувания за постигане на точни резултати: титруването се спира веднага щом индикаторът промени цвета.
Най-известните индикатори са метилоранжево (преходен интервал в района с ниско pH), фенолфталеин (преходен интервал в района с високо pH), лакмус, тимолово синьо и др. В киселинна и алкална среда се използват различни индикатори в зависимост от областта, в която се намира техният преходен интервал.
Има и универсални индикатори - те променят цвета си постепенно от червено до наситено лилаво при преминаване от силно кисела към силно алкална среда. Всъщност универсалните индикатори са смесица от общи.
За по-точно определяне на киселинността се използва устройство - pH метър (потенциометър, методът, съответно, се нарича потенциометрия). Принципът му на действие се основава на измерване на ЕМП във верига, чийто елемент е разтвор с измерено рН. Потенциалът на електрод, потопен в разтвор, е чувствителен към концентрацията на водородни йони в разтвора - оттук и промяната в EMF, въз основа на която се изчислява реалното pH.
Киселинност на различни среди в ежедневието
Индексът на киселинност е от голямо значение в ежедневието. Например слабите киселини - оцетна, ябълчена - се използват като консерванти. Алкалните разтвори са детергенти, включително сапун. Най-простият сапун са натриеви соли на мастни киселини. Във вода те се дисоциират: остатъкът от мастна киселина - много дълъг - от една страна има отрицателен заряд, а от друга - дълга неполярна верига от въглеродни атоми. Чекраят на молекулата, в който зарядът участва в хидратацията, събира около себе си водни молекули. Другият край се прикрепя към други неполярни неща, като мастни молекули. В резултат на това се образуват мицели - топчета, в които стърчат "опашки" с отрицателен заряд, а вътре са скрити "опашки" и частици мазнини и мръсотия. Повърхността се измива от мазнини и мръсотия поради факта, че препаратът свързва всички мазнини и мръсотия в такива мицели.
Киселинност и здраве
Вече беше споменато, че pH е от голямо значение за човешкото тяло. Освен в храносмилателния тракт е важно да се контролира индексът на киселинност и в други части на тялото: кръв, слюнка, кожа – киселинната и алкалната среда са от голямо значение за много биологични процеси. Тяхното определение ви позволява да оцените състоянието на тялото.
Сега все по-популярни набират pH тестовете – така наречените експресни тестове за проверка на киселинността. Те са обикновени ленти от универсална индикаторна хартия.
