Возможно, вы знаете, что уровень pH чистой воды равен 7, pH уксуса - около 3, а pH гидроксида натрия - около 13, но что на самом деле означают эти цифры? Они говорят вам, насколько кислым или щелочным является водный (на водной основе) раствор, по шкале от 0 до 14. Эта шкала известна как шкала рН, где рН - это сокращение от «мощность водорода».

Определение шкалы рН

Когда вы погружаете кислоты и щелочи в раствор, они выделяют свободные ионы. В водном растворе кислота высвобождает положительные ионы водорода (H +), а щелочь - отрицательные гидроксиды (OH-). Это означает, что когда кислота растворяется в воде, баланс между ионами водорода и гидроксид-ионами изменяется, что приводит к большему количеству ионов водорода, чем гидроксид-ионов в растворе (кислотном растворе). Баланс также меняется, когда щелочь растворяется в воде, но наоборот. В этом случае раствор содержит больше гидроксид-ионов, чем ионов водорода (щелочной раствор).

Шкала pH показывает, насколько сильна кислота или щелочь. Если это средняя точка шкалы, она считается нейтральной - концентрация ионов водорода равна концентрации ионов гидроксида.

Определение рН является отрицательным логарифмом концентрации ионов водорода. Датский биохимик Сорен Питер Лориц Соренсен был ответственным за этот термин, который он создал в 1909 году как сокращение от «сила водорода». «P» обозначает немецкое слово для обозначения силы (потенциал), а H - символ элемента для водорода.

Соренсен придумал следующее уравнение для расчета pH:

pH = -log [H +]

Log - это логарифм по основанию-10, а [H +] обозначает концентрацию ионов водорода в единицах молей на литр раствора.

Назначение шкалы рН

Шкала рН колеблется от 0 до 14, где 7 обозначает нейтральный уровень рН, все, что ниже 7, является кислым, а все, что выше 7, является щелочным (иногда его называют основным). Шкала рН является логарифмической, то есть каждое целое значение ниже 7 в 10 раз более кислое, чем более высокое значение, а каждое целое значение выше 7 в 10 раз менее кислое, чем более низкое значение. Например, pH 2 в 10 раз более кислый, чем pH 3, и в 100 раз более кислый, чем pH 4. Другими словами, чем сильнее кислота, тем ниже значение pH и чем сильнее щелочь, выше значение рН.

Небольшие изменения pH могут иметь серьезные последствия. Например, кислотный дождь, который обычно имеет pH от 4,2 до 4,4, более чем в 10 раз более кислый, чем чистый дождь, который обычно имеет pH 5,6.

Вещество с рН от 1 до 2 считается сильной кислотой, а вещество с рН от 13 до 14 является сильной щелочью. Если кислота очень сильная, она может иметь отрицательный рН, а очень сильные основания могут иметь рН выше 14. Вещество, которое не является ни кислым, ни щелочным, такое как чистая вода, является нейтральным. Человеческая кровь имеет немного более высокий, чем нейтральный, рН около 7,4.

Только водные растворы имеют уровни pH, то есть химические вещества, включая некоторые жидкости, не имеют значений pH. Например, чистый спирт, растительное масло и бензин не имеют уровня pH.

Примеры кислотных веществ

Кислые растворы содержат больше ионов водорода, чем щелочные или нейтральные растворы. Кислоты также имеют кислый вкус и очень сильно реагируют на металлы. Когда они сконцентрированы, они могут быть очень едкими. Некоторые распространенные кислоты включают апельсиновый сок, уксус, лимоны и серную кислоту.

Примеры щелочных веществ

Щелочные растворы содержат меньше ионов водорода, чем нейтральные или кислые растворы или кислоты. Основания имеют тенденцию чувствовать себя скользкими, и они обычно имеют горький вкус. Как и кислоты, сильные щелочи могут обжечь вашу кожу. Некоторые общие основы включают аммиак, щелочь, пищевую соду, мыльную воду, отбеливатель и молоко магнезии.

Смешивание кислоты и щелочи

Если вы смешаете в равных количествах сильную кислоту и сильную щелочь, эти два химических вещества по существу нейтрализуют друг друга, и в результате получается соль и вода. Смешивание одинакового количества сильной кислоты и сильной щелочи также дает раствор с нейтральным pH. Это называется реакцией нейтрализации и выглядит следующим образом:

HA + BOH → BA + H2O + тепло

Например, реакция между сильной кислотой HCl (соляная кислота) и сильной щелочью NaOH (гидроксид натрия):

HCl + NaOH → NaCl + H2O + тепло

Эта реакция производит хлорид натрия (поваренная соль). Если бы в реакции было больше кислоты, чем щелочи, не вся кислота вступила бы в реакцию, поэтому результатом были бы соль, вода и оставшаяся кислота, а раствор все еще был бы кислым (с pH ниже 7). Однако, если бы у вас было больше щелочи, чем кислоты, осталась бы щелочь, а конечный раствор все равно был бы щелочным (с рН более 7).

Поскольку смесь нагревается во время реакции, нейтрализация известна как экзотермическая реакция. Нейтрализация используется для многих вещей. Фермеры могут использовать известь (оксид кальция) для нейтрализации кислых почв. Вы можете использовать разрыхлитель, который содержит гидрокарбонат натрия, чтобы нейтрализовать кислый укус пчелы.

Нечто подобное происходит, когда один или оба реагента слабы. Слабая кислота или щелочь не полностью диссоциируют в воде, поэтому в конце реакции могут оставаться остатки реагентов, которые влияют на рН. Кроме того, вода не может быть создана, потому что большинство слабых щелочей не являются гидроксидами, поэтому нет никакого OH-, необходимого для приготовления воды.

Как измерить pH

Вы можете измерить уровень pH раствора различными способами. Самый простой метод - использование полосок для измерения pH, которые изготавливаются из специальной бумаги, называемой лакмусовой бумагой. Это фильтровальная бумага, обработанная красителями из лишайников. Эта бумага меняет цвет при контакте с кислотой или щелочью. При помещении в кислый раствор синяя лакмусовая бумага становится красной, а при помещении в щелочной раствор красная лакмусовая бумага становится синей. (Как и следовало ожидать, когда синяя лакмусовая бумага помещается в нейтральный раствор, она остается синей, а когда красная лакмусовая бумага помещается в нейтральный раствор, она остается красной.)

Некоторые индикаторные полоски pH содержат индикаторные полоски, каждая из которых меняет цвет в зависимости от раствора, которому подвергается полоска. Когда вы на несколько секунд накрываете тест-полоску раствором (в чистом контейнере), а затем удаляете ее, вы можете сравнить конец тест-полоски с полученной вами цветной диаграммой и бумагой, чтобы определить уровень pH раствора.

Другой способ измерения pH требует использования зонда и измерителя. Перед использованием этих инструментов вы должны откалибровать прибор, протестировав его в веществе с известным уровнем pH (например, в дистиллированной воде с pH 7). После того, как вы внесли необходимые изменения в измеритель, а также промыли и высушили зонд и измеритель, вы можете выполнить тест pH на жидком образце в чистом контейнере, достаточно глубоком, чтобы полностью покрыть кончик зонда. Проверьте температуру образца с помощью термометра и убедитесь, что измеритель соответствует этой температуре. Поместите зонд в образец и дождитесь, пока измерение станет постоянным (это означает, что измеритель достиг равновесия), прежде чем регистрировать уровень pH.