Τα οξέα και τα αλκάλια είναι δύο ακραίες θέσεις της ίδιας κλίμακας: οι ιδιότητές τους (εντελώς αντίθετες) καθορίζονται από την ίδια τιμή - τη συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου (H+). Ωστόσο, αυτός ο αριθμός από μόνος του είναι πολύ άβολος: ακόμη και σε όξινα περιβάλλοντα, όπου η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου είναι μεγαλύτερη, αυτός ο αριθμός είναι εκατοστά, χιλιοστά της μονάδας. Επομένως, για ευκολία, χρησιμοποιούν τον δεκαδικό λογάριθμο αυτής της τιμής, πολλαπλασιασμένο με μείον ένα. Συνηθίζεται να λέμε ότι αυτό είναι pH (potentia Hydrogen) ή δείκτης υδρογόνου.
Η εμφάνιση της έννοιας
Γενικά, το γεγονός ότι ένα όξινο και ένα αλκαλικό περιβάλλον καθορίζονται από τη συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου H + και ότι όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωσή τους, τόσο πιο όξινο είναι το διάλυμα (και αντίστροφα, τόσο χαμηλότερο είναι το H + συγκέντρωση, τόσο πιο αλκαλικό είναι το περιβάλλον και τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των αντίθετων ιόντων ΟΗ -), είναι γνωστό στην επιστήμη εδώ και πολύ καιρό. Ωστόσο, μόλις το 1909 ο Δανός χημικός Sørensen δημοσίευσε για πρώτη φορά έρευνα στην οποία χρησιμοποίησε την έννοια του δείκτη υδρογόνου - PH, που αργότερα αντικαταστάθηκε από το pH.
Υπολογισμός οξύτητας
Κατά τον υπολογισμό του δείκτη pH, θεωρείται ότι τα μόρια του νερού στο διάλυμα, αν και σε πολύ μικρές ποσότητες, εξακολουθούν να διασπώνται σε ιόντα. Αυτή η αντίδραση ονομάζεται αυτοπρωτόλυση νερού:
H2O H+ + OH-
Η αντίδραση είναι αναστρέψιμη, επομένως ορίζεται μια σταθερά ισορροπίας για αυτήν (που δείχνει τις μέσες συγκεντρώσεις κάθε συστατικού). Εδώ είναι η τιμή της σταθεράς για τυπικές συνθήκες - θερμοκρασία 22 °C.
Κάτω σε αγκύλες - μοριακές συγκεντρώσεις των υποδεικνυόμενων συστατικών. Η μοριακή συγκέντρωση του νερού στο νερό είναι περίπου 55 mol/λίτρο, που είναι μια τιμή δεύτερης τάξης. Επομένως, το γινόμενο των συγκεντρώσεων των ιόντων H+ και OH- είναι περίπου 10-14. Αυτή η τιμή ονομάζεται ιοντικό γινόμενο του νερού.
Σε καθαρό νερό, οι συγκεντρώσεις των ιόντων υδρογόνου και των ιόντων υδροξειδίου είναι 10-7. Αντίστοιχα, η τιμή pH του νερού θα είναι περίπου 7. Αυτή η τιμή pH λαμβάνεται ως ουδέτερο περιβάλλον.
Στη συνέχεια, πρέπει να κοιτάξετε μακριά από το νερό και να σκεφτείτε ένα διάλυμα από κάποιο οξύ ή αλκάλιο. Πάρτε, για παράδειγμα, οξικό οξύ. Το ιοντικό προϊόν του νερού θα παραμείνει το ίδιο, αλλά η ισορροπία μεταξύ των ιόντων H+ και OH- θα μετατοπιστεί προς το πρώτο: τα ιόντα υδρογόνου θα προέρχονται από μερικώς διασπασμένο οξικό οξύ, και τα «επιπλέον» ιόντα υδροξειδίου θα εισέλθουν σε μη διασπασμένα μόρια νερού. Έτσι, η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου θα είναι υψηλότερη και το pH θα είναι χαμηλότερο (δεν χρειάζεταιξεχνάμε ότι ο λογάριθμος λαμβάνεται με αρνητικό πρόσημο). Κατά συνέπεια, το όξινο και το αλκαλικό σχετίζονται με το pH. Και συνδέονται με τον εξής τρόπο. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή του pH, τόσο πιο όξινο είναι το περιβάλλον.
Όξινες ιδιότητες
Τα όξινα περιβάλλοντα είναι διαλύματα με pH μικρότερο από 7. Πρέπει να σημειωθεί ότι παρόλο που η τιμή του ιοντικού προϊόντος του νερού με την πρώτη ματιά περιορίζει τις τιμές του pH στο εύρος από 1 έως 14, Στην πραγματικότητα, υπάρχουν διαλύματα με pH μικρότερο από ένα (και ακόμη μικρότερο από μηδέν) και μεγαλύτερο από 14. Για παράδειγμα, σε πυκνά διαλύματα ισχυρών οξέων (θειικό, υδροχλωρικό) το pH μπορεί να φτάσει -2.
Η διαλυτότητα ορισμένων ουσιών μπορεί να εξαρτάται από το αν έχουμε όξινο ή αλκαλικό περιβάλλον. Για παράδειγμα, πάρτε υδροξείδια μετάλλων. Η διαλυτότητα καθορίζεται από την τιμή του προϊόντος διαλυτότητας, η οποία είναι ίδια στη δομή με το προϊόν ιόντων του νερού: πολλαπλασιασμένες συγκεντρώσεις. Στην περίπτωση του υδροξειδίου, το προϊόν διαλυτότητας περιλαμβάνει τη συγκέντρωση του μεταλλικού ιόντος και τη συγκέντρωση των ιόντων υδροξειδίου. Στην περίπτωση περίσσειας ιόντων υδρογόνου (σε όξινο περιβάλλον), θα «βγάλουν» πιο ενεργά ιόντα υδροξειδίου από το ίζημα, μετατοπίζοντας έτσι την ισορροπία προς τη διαλυμένη μορφή, αυξάνοντας τη διαλυτότητα του ιζήματος.
Αξίζει επίσης να αναφέρουμε ότι ολόκληρο το πεπτικό σύστημα του ανθρώπου έχει ένα όξινο περιβάλλον: το pH του γαστρικού υγρού κυμαίνεται από 1 έως 2. Η απόκλιση από αυτές τις τιμές προς τα πάνω ή προς τα κάτω μπορεί να είναι σημάδι διαφόρων ασθενειών.
Ιδιότητες αλκαλικού μέσου
Βσε αλκαλικό περιβάλλον, η τιμή του pH παίρνει τιμές μεγαλύτερες από 7. Για λόγους ευκολίας, σε περιβάλλοντα με υψηλή συγκέντρωση ιόντων υδροξειδίου, ο δείκτης pH της οξύτητας αντικαθίσταται από τον δείκτη pH της βασικότητας pOH. Είναι εύκολο να μαντέψει κανείς ότι δηλώνει μια τιμή ίση με -lg[OH-] (αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των ιόντων υδροξειδίου). Απευθείας από το ιοντικό προϊόν του νερού ακολουθεί η ισότητα pH + pOH=14. Επομένως pOH=14 - pH. Έτσι, για όλες τις προτάσεις που ισχύουν για τον δείκτη pH, οι αντίθετες προτάσεις ισχύουν για τον δείκτη βασικότητας pOH. Εάν το pH ενός αλκαλικού μέσου είναι εξ ορισμού μεγάλο, τότε το pOH του είναι προφανώς μικρό και όσο ισχυρότερο είναι το αλκαλικό διάλυμα, τόσο χαμηλότερη είναι η τιμή pOH.
Αυτή η πρόταση μόλις εισήγαγε ένα λογικό παράδοξο που συγχέει πολλές συζητήσεις σχετικά με την οξύτητα: η χαμηλή οξύτητα υποδηλώνει υψηλή οξύτητα και αντίστροφα: οι υψηλές τιμές pH αντιστοιχούν σε χαμηλή οξύτητα. Αυτό το παράδοξο εμφανίζεται επειδή ο λογάριθμος λαμβάνεται με αρνητικό πρόσημο και η κλίμακα οξύτητας είναι, σαν να λέγαμε, ανεστραμμένη.
Πρακτικός ορισμός της οξύτητας
Οι λεγόμενοι δείκτες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της οξύτητας του μέσου. Συνήθως πρόκειται για μάλλον πολύπλοκα οργανικά μόρια που αλλάζουν το χρώμα τους ανάλογα με το pH του μέσου. Ο δείκτης αλλάζει χρώμα σε ένα πολύ στενό εύρος pH: χρησιμοποιείται σε ογκομετρήσεις οξέος-βάσης για να επιτευχθούν ακριβή αποτελέσματα: η ογκομέτρηση διακόπτεται μόλις ο δείκτης αλλάξει χρώμα.
Οι πιο διάσημοι δείκτες είναι το μεθύλιοπορτοκαλί (διάστημα μετάβασης στην περιοχή με χαμηλό pH), φαινολοφθαλεΐνη (μεταβατικό διάστημα στην περιοχή με υψηλό pH), λακκούβα, μπλε θυμόλης και άλλα. Σε όξινα και αλκαλικά περιβάλλοντα, χρησιμοποιούνται διαφορετικοί δείκτες ανάλογα με την περιοχή στην οποία βρίσκεται το διάστημα μετάβασής τους.
Υπάρχουν επίσης καθολικοί δείκτες - αλλάζουν το χρώμα τους σταδιακά από κόκκινο σε βαθύ μοβ όταν μετακινούνται από έντονα όξινα σε έντονα αλκαλικά περιβάλλοντα. Στην πραγματικότητα, οι καθολικοί δείκτες είναι ένα μείγμα κοινών.
Για ακριβέστερο προσδιορισμό της οξύτητας, χρησιμοποιείται μια συσκευή - ένα pHόμετρο (ποτενσιόμετρο, η μέθοδος, αντίστοιχα, ονομάζεται ποτενσιομέτρηση). Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη μέτρηση του EMF σε ένα κύκλωμα, το στοιχείο του οποίου είναι ένα διάλυμα με μετρημένο pH. Το δυναμικό ενός ηλεκτροδίου βυθισμένου σε ένα διάλυμα είναι ευαίσθητο στη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα - εξ ου και η μεταβολή στο EMF, βάσει του οποίου υπολογίζεται το πραγματικό pH.
Οξύτητα διαφόρων περιβαλλόντων στην καθημερινή ζωή
Ο δείκτης οξύτητας έχει μεγάλη σημασία στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα, τα αδύναμα οξέα - οξικό, μηλικό - χρησιμοποιούνται ως συντηρητικά. Τα αλκαλικά διαλύματα είναι απορρυπαντικά, συμπεριλαμβανομένου του σαπουνιού. Το απλούστερο σαπούνι είναι τα άλατα νατρίου των λιπαρών οξέων. Στο νερό, διαχωρίζονται: το υπόλειμμα λιπαρού οξέος - πολύ μακρύ - αφενός έχει αρνητικό φορτίο και αφετέρου μια μακριά μη πολική αλυσίδα ατόμων άνθρακα. Οτιτο άκρο του μορίου, στο οποίο το φορτίο συμμετέχει στην ενυδάτωση, συλλέγει μόρια νερού γύρω του. Το άλλο άκρο συνδέεται με άλλα μη πολικά πράγματα, όπως τα μόρια λίπους. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται μικκύλια - μπάλες, στις οποίες προεξέχουν "ουρές" με αρνητικό φορτίο και μέσα κρύβονται "ουρές" και σωματίδια λίπους και βρωμιάς. Η επιφάνεια πλένεται από λίπη και βρωμιά λόγω του γεγονότος ότι το απορρυπαντικό δεσμεύει όλο το λίπος και τη βρωμιά σε τέτοια μικκύλια.
Οξύτητα και υγεία
Έχει ήδη αναφερθεί ότι το pH έχει μεγάλη σημασία για τον ανθρώπινο οργανισμό. Εκτός από τον πεπτικό σωλήνα, είναι σημαντικός ο έλεγχος του δείκτη οξύτητας σε άλλα μέρη του σώματος: το αίμα, το σάλιο, το δέρμα - τα όξινα και αλκαλικά περιβάλλοντα έχουν μεγάλη σημασία για πολλές βιολογικές διεργασίες. Ο ορισμός τους σας επιτρέπει να αξιολογήσετε την κατάσταση του σώματος.
Τώρα τα τεστ pH κερδίζουν δημοτικότητα - τα λεγόμενα εξπρές τεστ για τον έλεγχο της οξύτητας. Είναι κανονικές λωρίδες γενικού ενδεικτικού χαρτιού.
