Hapot ja emäkset ovat saman asteikon kaksi ääriasentoa: niiden ominaisuudet (täysin vastakkaiset) määräytyvät samalla arvolla - vetyionien pitoisuudella (H+). Tämä luku on kuitenkin itsessään erittäin epämukava: jopa happamissa ympäristöissä, joissa vetyionien pitoisuus on suurempi, tämä luku on yksikön sadasosia, tuhannesosia. Siksi he käyttävät mukavuuden vuoksi tämän arvon desimaalilogaritmia kerrottuna miinus yhdellä. On tapana sanoa, että tämä on pH (potentia Hydrogen) tai vetyindikaattori.
Konseptin syntyminen
Yleensä se tosiasia, että hapan ympäristö ja emäksinen ympäristö määräytyvät vetyionien H + pitoisuuden perusteella ja että mitä korkeampi niiden pitoisuus, sitä happamampi liuos (ja päinvastoin, sitä pienempi H + pitoisuus, mitä emäksisempi ympäristö ja mitä korkeampi on vastakkaisten OH-ionien pitoisuus -), on tiedetty jo pitkään. Kuitenkin vasta vuonna 1909 tanskalainen kemisti Sørensen julkaisi ensimmäisen tutkimuksen, jossa hän käytti käsitettä vetyindeksi - PH, joka myöhemmin korvattiin pH:lla.
Happamuuden laskeminen
pH-indeksiä laskettaessa oletetaan, että vesimolekyylit liuoksessa, vaikkakin hyvin pieninä määrinä, silti dissosioituvat ioneiksi. Tätä reaktiota kutsutaan vesiautoprotolyysiksi:
H2O H+ + OH-
Reaktio on palautuva, joten sille määritellään tasapainovakio (jossa näkyy kunkin komponentin keskimääräiset pitoisuudet). Tässä on vakion arvo vakio-olosuhteille - lämpötila 22 °C.
Alla hakasulkeissa - ilmoitettujen komponenttien moolipitoisuudet. Veden molaarinen pitoisuus vedessä on noin 55 mol/l, mikä on toisen asteen arvo. Siksi H+ ja OH- ionien pitoisuuksien tulo on noin 10-14. Tätä arvoa kutsutaan veden ionituotteeksi.
Puhtaassa vedessä vetyionien ja hydroksidi-ionien pitoisuudet ovat 10-7. Vastaavasti veden pH-arvo on noin 7. Tätä pH-arvoa pidetään neutraalina ympäristönä.
Seuraavaksi sinun on katsottava pois vedestä ja harkittava jonkin hapon tai alkalin liuosta. Otetaan esimerkiksi etikkahappo. Veden ionituote pysyy samana, mutta ionien H+ ja OH- välinen tasapaino siirtyy kohti edellistä: vetyionit tulevat osittain dissosioituneesta etikkahaposta, ja "ylimääräiset" hydroksidi-ionit menevät dissosioitumattomiin vesimolekyyleihin. Siten vetyionien pitoisuus on korkeampi ja pH pienempi (ei tarvettaunohda, että logaritmi otetaan miinusmerkillä). Vastaavasti hapan ja emäksinen liittyvät pH:hon. Ja ne yhdistetään seuraavalla tavalla. Mitä pienempi pH-arvo, sitä happamampi ympäristö.
Happamat ominaisuudet
Happamat ympäristöt ovat liuoksia, joiden pH on alle 7. On huomattava, että vaikka veden ionituotteen arvo ensi silmäyksellä rajoittaa pH-arvoja välillä 1-14, itse asiassa on olemassa liuoksia, joiden pH on pienempi kuin yksi (ja jopa pienempi kuin nolla) ja suurempi kuin 14. Esimerkiksi vahvojen happojen (rikki, kloorivety) tiivistetyissä liuoksissa pH voi olla -2.
Tiettyjen aineiden liukoisuus voi riippua siitä, onko ympäristömme hapan vai emäksinen. Otetaan esimerkiksi metallihydroksidit. Liukoisuus määräytyy liukoisuustuotteen arvon mukaan, joka on rakenteeltaan sama kuin veden ionitulo: kerrotut pitoisuudet. Hydroksidin tapauksessa liukoisuustuote sisältää metalli-ionin pitoisuuden ja hydroksidi-ionien pitoisuuden. Jos vetyioneja on ylimäärä (happamassa ympäristössä), ne "vetävät" aktiivisemmin pois hydroksidi-ioneja sakasta, jolloin tasapaino siirtyy liuennutta muotoa kohti, mikä lisää sakan liukoisuutta.
On myös syytä mainita, että ihmisen koko ruoansulatuskanavassa on hapan ympäristö: mahanesteen pH vaihtelee välillä 1-2. Poikkeama näistä arvoista ylös tai alas voi olla merkki erilaisista sairauksista.
Alkalisen väliaineen ominaisuudet
Bemäksisessä ympäristössä pH-arvo saa suurempia arvoja kuin 7. Käyttömukavuussyistä ympäristöissä, joissa on korkea hydroksidi-ionipitoisuus, happamuuden pH-indikaattori korvataan emäksisyysindikaattorilla pOH. On helppo arvata, että se merkitsee arvoa, joka on yhtä suuri kuin -lg[OH-] (hydroksidi-ionien pitoisuuden negatiivinen desimaalilogaritmi). Suoraan veden ionisesta tuotteesta seuraa yhtäläisyys pH + pOH=14. Siksi pOH=14 - pH. Siten kaikille väitteille, jotka pitävät paikkansa pH-indeksille, päinvastaiset väitteet ovat tosia pOH-emäksisyysindeksille. Jos emäksisen väliaineen pH on määritelmän mukaan suuri, niin sen pOH on selvästi pieni, ja mitä vahvempi alkaliliuos, sitä pienempi on pOH-arvo.
Tämä lause on juuri tuonut esiin loogisen paradoksin, joka hämmentää monia happamuudesta käytäviä keskusteluja: alhainen happamuus tarkoittaa korkeaa happamuutta ja päinvastoin: korkea pH-arvo vastaa alhaista happamuutta. Tämä paradoksi ilmenee, koska logaritmi otetaan miinusmerkillä ja happamuusasteikko on ikään kuin käänteinen.
Käytännön happamuuden määritelmä
Nin sanottuja indikaattoreita käytetään väliaineen happamuuden määrittämiseen. Yleensä nämä ovat melko monimutkaisia orgaanisia molekyylejä, jotka muuttavat väriään väliaineen pH:n mukaan. Indikaattori muuttaa väriä hyvin kapealla pH-alueella: tätä käytetään happo-emästitrauksissa tarkkojen tulosten saavuttamiseksi: titraus lopetetaan heti, kun indikaattori vaihtaa väriä.
Kuuluisimmat indikaattorit ovat metyylioranssi (siirtymäväli alueella, jolla on matala pH), fenolftaleiini (siirtymäväli alueella, jolla on korkea pH), lakmus, tymolinsininen ja muut. Happamissa ja emäksisissä ympäristöissä käytetään erilaisia indikaattoreita riippuen alueesta, jolla niiden siirtymäväli on.
On myös universaaleja indikaattoreita - ne muuttavat väriään vähitellen punaisesta syvän violettiin siirryttäessä voimakkaasti happamasta voimakkaasti emäksiseen ympäristöön. Itse asiassa yleiset indikaattorit ovat sekoitus yleisiä indikaattoreita.
Happamuuden tarkempaan määritykseen käytetään laitetta - pH-mittaria (potentiometriä, menetelmää kutsutaan vastaavasti potentiometriksi). Sen toimintaperiaate perustuu EMF:n mittaamiseen piirissä, jonka elementti on liuos, jonka pH on mitattu. Liuokseen upotetun elektrodin potentiaali on herkkä vetyionien pitoisuudelle liuoksessa - tästä johtuu EMF:n muutos, jonka perusteella lasketaan todellinen pH.
Erilaisten ympäristöjen happamuus arjessa
Happamuusindeksillä on suuri merkitys jokapäiväisessä elämässä. Esimerkiksi heikkoja happoja - etikkahappoa, omenahappoa - käytetään säilöntäaineina. Emäksiset liuokset ovat pesuaineita, myös saippuaa. Yksinkertaisin saippua on rasvahappojen natriumsuolat. Vedessä ne dissosioituvat: rasvahappojäännöksellä - erittäin pitkällä - toisa alta on negatiivinen varaus ja toisa alta - pitkä ei-polaarinen hiiliatomien ketju. Ettämolekyylin pää, jossa varaus osallistuu hydraatioon, kerää vesimolekyylejä ympärilleen. Toinen pää kiinnittyy muihin ei-polaarisiin asioihin, kuten rasvamolekyyleihin. Tämän seurauksena muodostuu misellejä - palloja, joissa negatiivisen varauksen omaavat "hännät" työntyvät ulos, ja "hännät" sekä rasva- ja likahiukkaset ovat piilossa. Pinta pestään rasvasta ja liasta, koska pesuaine sitoo kaiken rasvan ja lian sellaisiin miselleihin.
Happamuus ja terveys
On jo mainittu, että pH:lla on suuri merkitys ihmiskeholle. Ruoansulatuskanavan lisäksi on tärkeää hallita happamuusindeksiä muissa kehon osissa: veressä, syljessä, ihossa - happamilla ja emäksisellä ympäristöllä on suuri merkitys monille biologisille prosesseille. Niiden määritelmän avulla voit arvioida kehon tilaa.
Nyt pH-testit ovat yleistymässä - niin sanotut pikatestit happamuuden tarkistamiseksi. Ne ovat tavallisia yleisindikaattoripaperin nauhoja.
