Definicja pojęcia:

pH

pH - jest to ilościowa skala zasadowości oraz kwasowości roztworu wodnego. Opiera się ona na stężeniu jonów wodorowych w danej cieczy.

Stworzenie skali pH
Nazwa pH
Metody oznaczania kwasowości roztworu
Odczyn roztworu
Praktyczne zastosowanie skali pH

Wartość pH dla danego roztworu można wyrazić za pomocą wzoru:

pH = - log₁₀[H⁺]

Wartość pH stanowi ujemny logarytm dziesiętny z aktywności jonów wodorowych w molach na decymetr sześcienny (litr) mol/dm³. Istotna jest wartość stężenia kationów wodoru [H⁺]. Przykładowo, wartość pH=5 oznacza, że w 1 litrze roztworu znajduje się 10-5 moli jonów wodorowych. Ujemny wykładnik potęgi wskazuje na fakt, że tym mniejsza wartość pH, im roztwór jest mocniejszy. Wartości w skali pH wahają się od 0 do 14. pH=0 oznacza bardzo silny, żrący kwas, z kolei pH= 14 oznacza najsilniejszy odczyn zasadowy roztworu.

Absolutny potencjał chemiczny protonu to wartość, która stała się źródłem powstania jednolitej skali pH. Posiada ona uniwersalne zastosowanie we wszystkich trzech stanach skupienia. Dzięki jej zastosowaniu można w sposób bezpośredni dokonywać porównań poziomu kwasowości różnych roztworów.

Stworzenie skali pH

Skala pH została wprowadzona została w 1909 roku przez Sørena Sørensena, biochemika duńskiego. Pierwotnie zdefiniował on pH jedynie jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych (H⁺). Obecnie potwierdzono naukowo, iż w roztworach wodnych nie ma wolnych protonów (wolnych jonów wodorowych), ponieważ ulegają one zjawisku solwatowania w sposób natychmiastowy. Nadal jednak używa się starego sposobu definiowania skali pH, ze względu na uproszczenie.
Proces solwatowania ilustruje poniższe równanie:

H⁺ + H₂O → H₃O⁺

Oznaczanie odczyny roztworu. pixabay.com

Nazwa pH

Nazwa pH wywodzi się z połączenia dwóch składowych. Litera p pochodzi z łacińskiego potentio, oznaczającego potęgę. W pH mamy do czynienia z wykładnikiem potęgi o zmienionym znaku. Z kolei H wywodzi się od oznaczenia atomu wodoru w układzie okresowym pierwiastków.

Metody oznaczania kwasowości roztworu

Do oznaczania kwasowości roztworu służą tzw. wskaźniki kwasowości (inaczej alkacymetryczne). Są to substancje, których kolor zmienia się w zależności od wartości pH danej cieczy.
Wśród najczęściej używanych znajdują się:

W warunkach laboratoryjnych najszybszą, ale jednocześnie najmniej precyzyjną metodą oznaczania kwasowości roztworu, jest wykorzystanie papierków uniwersalnych. Wskazują one wartość pH z dokładnością do jednostki pH. Są one nasączone specjalną mieszaniną wskaźników alkacymetrycznych. Po ich zanurzeniu w roztworze obserwujemy zmianę ich koloru w zależności od wartości pH. Dzięki porównaniu otrzymanego koloru ze skalą dołączoną do zestawu można określić odczyn badanego roztworu. Otrzymanie barwy różowej wskazuje na kwasowość roztworu, niebieskiej zaś- na odczyn zasadowy. Jest to metoda szybka, dosyć tania, jednak mało dokładna.

Zdecydowanie bardziej precyzyjne określenie odczynu roztworu jest możliwe dzięki metodzie miareczkowania alkacymetrycznego. Do badanego roztworu dodaje się w sposób kontrolowany titranta (roztwór o znanym stężeniu), który wchodząc z nim w reakcję zmienia jego pH. Zmiany odczynu sprawdzać można wówczas za pomocą chemicznych wskaźników pH bądź za pośrednictwem zastosowania pH-metrów, które pozwalają dokładnie oznaczać stężenie jonów wodorowych w roztworze.

Oznaczanie odczynu roztworu za pomocą pasków uniwersalnych. Pixabay.com

pH-metry znajdują swoje zastosowanie w potencjometrii. W pH-metrze znajduje się ogniwo o dwóch takich samych elektrodach. Jedną z nich umieszcza się w roztworze o znanym pH. Drugą, tj. elektrodę pomiarową (szklaną) zanurza się w roztworze, którego stężenie chce się oznaczyć. Proces ten przyczynia się do powstania siły elektromotorycznej pomiędzy elektrodą pomiarową a roztworem. Jej wartość jest miarą odczynu badanego roztworu (stężenie jonów H⁺). Pomiar siły elektromagnetycznej jest możliwy jedynie w sytuacji znajomości tzw. potencjału odniesienia. Do jego uzyskania niezbędne jest zanurzenie elektrody kalomelowej (inaczej elektrody odniesienia). Pomiar potencjometryczny wiąże się z teorią Nernsta, według której siła elektromotoryczna ogniwa (SEM) o dwóch takich samych elektrodach, ale zanurzonych w roztworach o różnym odczynie (stężeniu jonów wodorowych) jest wprost proporcjonalna do logarytmu ilorazu tych stężeń.

Odczyn roztworu można także określić w warunkach domowych. Do tego celu wykorzystuje się soki i napary roślinne. Najłatwiej dostępną substancją jest napar z liści czarnej herbaty. Zmienia on swoją barwę, w zależności od dodania kwaśnego soku z cytryny na znacznie jaśniejszą, bądź na ciemniejszą po dodaniu wodnego roztworu sody oczyszczonej. Podobnie zachowują się wywar lub sok z liści czerwonej kapusty oraz sok z czarnego bzu. W przypadku tego pierwszego w zależności od stężenia dodawanego roztworu otrzymać można różnorodne barwy. W obecności kwasu fioletowy sok z kapusty zmieni kolor na czerwony, zaś w przypadku środowiska zasadowego- na niebieski.

Odczyn roztworu

Odczyn roztworu jest cechą danego roztworu, która informuje o nadmiarze znajdujących się w nim jonów wodorowych H+ lub jonów wodorotlenkowych OH-. W pierwszym przypadku odczyn roztwory jest kwasowy, w drugim zaś- zasadowy. Kiedy jonów wodorowych i wodorotlenkowych jest tyle samo, występuje ich równowaga. W takiej sytuacji odczyn roztworu określa się jako obojętny. Jest to bardzo ważne pojęcie. Odczyn zasadowy mają roztwory, których wartość pH waha się od 8 do 14. Odczyn kwasowy wykazują roztwory o pH w granicach 0-6. Odczyn obojętny posiadają roztwory o phH=7.

Metoda miareczkowania. pixabay.com

Praktyczne zastosowanie skali pH

Dla bardzo mocno stężonych kwasów i zasad skala pH nie jest już adekwatna w stosowaniu. Ich odczyn nie jest dokładnie funkcją logarytmiczną stężenia jonów wodorowych, ale ich molowych aktywności. Ważniejszy staje się wówczas proces autodysocjacji samych kwasów i zasad, aniżeli ich reakcje z wodą. Stąd też stała równowagi reakcji autodysocjacji jest zdecydowanie bardziej precyzyjnym sposobem określania stężenia silnych kwasów i zasad niż wartość w skali pH. Dla roztworów kwasów i zasad w innych rozpuszczalnikach niż woda oraz dla ich silnie stężonych wodnych roztworów skala pH nie ma zastosowania. Do tego celu używa się ujemnego logarytmu ze stałej równowagi autodysocjacji kwasów i zasad. Służą do tego oznaczenia pKa i pKb. Roztwory o bardzo niskich wskaźnikach pKa określane są mianami superkwasów, zaś te o najniższych wskaźnikach pKb nazywa się superzasadami.

pH jest jednym z najważniejszych parametrów roztworów wodnych. Kinetyka i równowaga praktycznie każdej reakcji chemicznej zachodzącej w roztworze zależy od jego wartości. Przebieg wielu procesów związanych z funkcjonowaniem zjawisk występujących w naturze, (np. sposób, w jaki rośliny absorbują składniki odżywcze z gleby, wzrost muszli wielu gatunków zwierząt wodnych, regulowanie procesu oddychania itd.) uwarunkowany jest wartością pH. W przypadku systemów biologicznych zmiana pH w zakresie zaledwie kilku setnych może mieć ogromne znaczenie i wywołać konkretne zmiany w środowisku. Znajomość wartości pH jest bardzo istotną kwestią w takich dziedzinach jak: rolnictwo, ogrodnictwo, akwarystyka, hodowla ryb, przemysł tekstylny, papierniczy, chemiczny i kosmetyczny, spożywczy, garbownictwo, przemysł metalowy i in. W rzeczywistości pH jest prawdopodobnie najczęściej mierzoną własnością roztworów wodnych w laboratoriach, fabrykach, na polach i w środowisku naturalnym.