Skala pH -to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych [H3O+] w roztworach wodnych.
Dokładnie jest to:
pH = -log10[H3O+]
czyli ujemny logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny. Pojęcie pH wprowadził duński biochemik Soren Sorensen w 1909 r. (S.P.L. Sorensen, C. R. Trav. Lab. Carlsberg 8, 1 (1909)). Oryginalnie pH zostało zdefiniowane jako minus logarytm stężenia jonów wodorowych (H+). Współczesne badania wykazały jednak, że wolne jony wodorowe (wolny proton) nigdy nie występują w roztworach wodnych, gdyż ulegają natychmiast solwatowaniu wg równania:
H+ + H2O --> H3O+
Z reguły przyjmuje się, że jednostka pH jest bezwymiarowa... Wartość liczbowa pH zależy od tego, czy stężenie (aktywność) wyrażone jest w np. molach na litr, czy chociażby, jako stężenie procentowe. Zupełnie poprawnie, wymiarem pH powinien być logarytm wymiaru stężenia. Ponieważ przyjęto, że w chemii jednostką stężenia jest stężenie molowe (M = mol/l), zatem w praktyce problem ten jest nieistotny. W roztworze obojętnym (“neutralnym”) pH jest identyczne jak w czystej wodzie [“czystej” nie oznacza wziętej z butli “woda destylowana”, stojącej w laboratorium. Taka woda zawiera nieznaczne ilości CO2 pochłoniętego z powietrza, który nadaje jej pH 4-5]. W czystej wodzie stężenie jonów wodorowych równe jest pierwiastkowi z iloczynu jonowego wody. Ale wartość liczbowa iloczynu jonowego wody nie jest równa dokładnie 10-14. Poza tym zależy ona zarówno od mocy jonowej roztworu, jak i od temperatury. Jeśli zatem w pewnych warunkach wartość iloczynu jonowego wody wyniesie 2x10-14, to stężenie jonów wodorowych równe będzie ok. 1, 41x10-7, a w konsekwencji pH takiego (obojętnego!) roztworu, wynosić będzie 6, 85.
Korzystanie ze skali pH
Woda destylowana ma pH równe 7, chociaż w rzeczywistości będzie ono zwykle niższe ze względu na zakwaszający efekt dwutlenku węgla - gazu zawartego w powietrzu, który dobrze rozpuszcza się w wodzie. Jednomolowy roztwór kwasu solnego ma pH równe 0, natomiast jedno-molowy roztwór wodorotlenku sodu ma pH równe 14. Tak, więc roztwory kwaśne to te o pH mniejszym niż 7 a zasadowe te o pH większym niż 7. pH Coca Coli to ok. 2, a pH wody z ogórków to ok 1. Sucha skóra niemowlaka ma pH ok. 6.5 - czyli jest lekko kwaśna.
Sens fizyczny skali pH
Aby zrozumieć sens tej skali trzeba się najpierw przyjrzeć temu co dzieje się w czystej (destylowanej) wodzie. Cząsteczki wody (H2O) ulegają samorzutnej dysocjacji, co prowadzi do powstawania jonów H+ i OH-:
H-O-H <--> H+ + OH-
Reakcja ta jest odwracalna i ma równowagę przesuniętą silnie w lewo, czyli w stronę wody niezdysocjowanej. Jak zbadano reakcja ta powoduje, że stężenie jonów H+ w wodzie destylowanej w temp. 20 st. C wynosi dokładnie 10-7 mol/l. A zatem jak łatwo policzyć pH wody destylowanej wynosi 7. pH 7 stanowi dokładnie środek skali pH. Dodając do wody silny kwas (np: HCl) zachodzi reakcja dysocjacji tego kwasu:
HCl <--> H+ + Cl-
Dla tak silnego kwasu jak HCl równowaga tej reakcji jest niemal całkowicie przesunięta w stronę prawą (a więc w stronę jonów H+ i Cl-) dlatego dodając do 1 litra wody 1 mol HCl otrzymamy stężenie jonów H+ równe 1 mol/l co jak łatwo policzyć daje pH=0. Z drugiej strony dodanie do litra wody 1 mola silnej zasady np: NaOH prowadzi do dostarczenie do układu 1 mola jonów OH-. Jony OH- przesuwają silnie równowagę reakcji dysocjacji wody powodując, że stężenie jonów H+ spada do poziomu 10-14 mol/l, a zatem do pH=14.
Oznaczanie kwasowości
Do określania pH używa się wskaźników kwasowości, czyli substancji, których kolor zależy od pH roztworu. Do popularnych wskaźników należą:
- błękit bromotymolowy
- czerwień metylowa
- fenoloftaleina
- lakmus
- oranż metylowy
W praktyce używa się zwykle papierków nasączonych mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor w szerokim zakresie pH. Dokładniejszych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną. Wykorzystuje się w niej fakt, że, zgodnie z teorią sformułowaną przez Nernsta, siła elektromotoryczna ogniwa o identycznych elektrodach, lecz umieszczonych w roztworach o różnych stężeniach jonów wodorowych, jest proporcjonalna do logarytmu stosunku tych stężeń. Tak, więc, zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH, jesteśmy w stanie obliczyć pH drugiego roztworu. Elektroda szklana, najbardziej popularna elektroda jonoselektywna, służąca do pomiaru pH roztworu. Membrana (w kształcie kulistej bańki) wykonana jest z odpowiedniego szkła przenikalnego tylko dla jonów hydroniowych. Wewnątrz bańki szklanej znajduje się roztwór o określonej aktywności tych jonów, do którego wprowadzona jest elektroda kalomelowa lub chlorosrebrowa, spełniająca rolę kontaktu elektrycznego. Stosunek aktywności jonów wodorowych po obydwu stronach bańki szklanej (określony poprzez pomiar siły elektromotorycznej) pozwala wyznaczyć pH roztworu. Elektroda szklana jest odporna na działanie metali ciężkich, utleniaczy i reduktorów, może być także stosowana w roztworach niewodnych.
pH nie jest miarą kwasowości...
Ujemny znak logarytmu w definicji pH przyjęto pierwotnie dla uniknięcia operowania liczbami ujemnymi. Niestety, zmieniło to sens tak sformułowanej wielkości. Im większe stężenie kwasu (i jonów wodorowych), tym niższe pH. pH jest więc raczej miarą zasadowości niż kwasowości roztworu! To pomieszanie pojęć można zauważyć w wielu podręcznikach chemii analitycznej. Wykresy zmian pH rysowane są często “do góry nogami”. Jest to drobny, ale irytujący błąd; strzałka na osi “pH” wskazuje, bowiem kierunek wzrastania opisanych na osi wartości liczbowych.
Roztwór obojętny: pH = 6, 85
W roztworze obojętnym (“neutralnym”) pH jest identyczne jak w czystej wodzie [“czystej” nie oznacza wziętej z butli “woda destylowana”, stojącej w laboratorium. Taka woda zawiera nieznaczne ilości CO2 pochłoniętego z powietrza, który nadaje jej pH 4-5]. W czystej wodzie stężenie jonów wodorowych równe jest pierwiastkowi z iloczynu jonowego wody. Ale wartość liczbowa iloczynu jonowego wody nie jest równa dokładnie 10-14. Poza tym zależy ona zarówno od mocy jonowej roztworu, jak i od temperatury. Jeśli zatem w pewnych warunkach wartość iloczynu jonowego wody wyniesie 2x10-14, to stężenie jonów wodorowych równe będzie ok. 1, 41x10-7, a w konsekwencji pH takiego (obojętnego!) roztworu, wynosić będzie 6, 85. W temperaturze 80oC wartość iloczynu jonowego wody równa jest ok. 10-13. Ile wynosi pH neutralnego roztworu w tych warunkach? Jest interesujące, czy układ kompensujący zmiany temperatury, wmontowany w droższych modelach pH-metrów, uwzględnia tylko wpływ temperatury na wartość stałych w równaniu Nernsta, czy także uwzględnia zmienność wartości iloczynu jonowego wody? Również obecność obojętnych soli powoduje wzrost wartości Kw - na skutek efektu solnego. Zupełnie poprawnie: roztwór obojętny (neutralny) należy zdefiniować jako roztwór, w którym stężenia jonów wodorowych i jonów wodorotlenkowych są sobie równe. pH takiego neutralnego roztworu może więc być różne od 7, 00.
Pomiary pH.
W procesach chemicznych i analizach ważne znaczenie ma pomiar pH płynów. Chemicy określają w ten sposób zawartość jonów wodoru. Wodór (symbol chemiczny H) jest ważnym czynnikiem tworzącym kwasy. Symbolem na przykład kwasu solnego jest związek HCl - chlorek wodoru. Im większa jest koncentracja jonów wodoru, tym bardziej wzrasta kwasowość roztworu. Według dokładnej definicji wartość pH jest równa ujemnemu logarytmowi dziesiętnemu z koncentracji jonów wodorowych. Według definicji chemicznej określa się ją w molach na litr przy 20°C. Wartość pH = 2 oznacza np., że w jednym litrze znajduje się 10-2 moli jonów wodorowych. Z ujemnej potęgi wynika, że im bardziej kwaśny jest roztwór, tym mniejsza jest wartość pH. Fizykalne właściwości wody powodują, że skala pH może przyjmować tylko wartości od 0 do 14. Przy czym:
Wartoąć pH = 1 oznacza silny kwas,
7 - neutralny kwas,
14 - silną zasadę.
Zasada elektronicznego pomiaru wartości pH jest następująca. Zanurzenie elektrody pomiarowej do zakwaszonego roztworu wodnego powoduje powstanie siły elektromotorycznej;(SEM) między tą elektrodą i roztworem, a wartość SEM jest bezpoąrednią miarą koncentracji jonów wodoru. Elektroda pomiarowa składa się z rurki szklanej, zwanej elektrodą szklaną, i z zawartego w niej roztworu standardowego. Do prawidłowego pomiaru SEM potrzebny jest jeszcze potencjał odniesienia. Do tego służy następna zanurzona elektroda. Ze względu na materiał, jakiego się używa na tę elektrodę, jest ona nazywana elektrodą kalomelową. Elektrody szklana i kalomelowa, tzn. elektrody pomiarowa i odniesienia, tworzą wspólnie łańcuch pomiarowy do wzmacniacza pomiarowego pH. Ponieważ szkło jest izolatorem, łańcuch pomiarowy ma dużą rezystancję wewnętrzną, wynoszącą od 20 M do 2000 M. Powstająca SEM musi być z tego względu mierzona za pomocą wzmacniacza prądu stałego o bardzo dużej rezystancji wejściowej.
Odczyn Roztworu
Odczyn roztworu jest cechą roztworu określającą, czy w roztworze znajduje się nadmiar jonów wodorowych H+ - odzczyn kwaśny, czy nadmiar jonów wodorotlenkowych OH- - odczyn zasadowy, czy też są one w równowadze – odczyn obojętny. Wodne roztwory kwasów wykazują odczyn kwaśny, a wodne roztwory wodorotlenków (zasady)- odczyn zasadowy. Jeśli zanurzony w wodnym roztworze substancji uniwersalny papierek wskaźnikowy zabarwi się na różowo, można wywnioskować, że w tym roztworze jest więcej jonów H+ niż OH-Jednak niewielka liczba cząsteczek wody ulega dysocjacji. Oznacz to, że zawsze w roztworze wodnymwystępuje pewna liczba, (choć bardzo niewielka) jonów wodorowych H+ i wodorotlenkowych OH-, niezależnie od odczytu roztworu. Przyjęto, że liczbę jonów wodorowych w roztworze będzie się określać za pomocą tzw. skali pH
Skala pH mieści się w granichach od 0-14, a została wprowadzona w 1909 roku przez Soerena Petera Soerensena (1868-1939), duńskiego biochemika i fizykochemika.
Ogólnie wartości pH i odpowiadający im odczyn roztworu przedstawia tabelka:
Np. jeżeli w roztworze pH wynosi 9, oznacza to, że jest więcej jonów wodorotlenkowych OH- niż jonów wodorowych H+.Roztwór ten ma, więc odczyn zasadowy. Celem określenia pH roztworu stosuje się tzw. wskaźniki pH, czyli substancje, których barwa zmienia się na odpowiedniki kolor w zależności od odczynu roztworu .Wskaźnikami są między innymi oranż metylowy i fenoloflateina .Przez odpowiednie mieszanie wskaźników pH można otrzymywać wskaźniki uniwersalne, które zależnie od pH roztworu przybierają charakterystyczną barwę.Przez nasycenie pasków bibułki roztworami takich wskaźników i wysuszenie ich otrzymuje się papierki uniwersalne, stosowane często w laboratoriach chemicznych do szybkiego określenia pH danego roztworu.Papierki te połączone są często razem w książeczkę, na której okładce podana jest jest barwa skala. Odczyn roztworu określa się, zanurzając pasek bibułki w badanym roztworze i porównując uzyskany kolor z barwą dołączonej skali. Wskaźniki uniwersalne, które obejmują szeroki zakres pH (około 10 jednostek pH), pozwalają jedynie na oszacowanie wartości pH (z dokładnością do 0, 5 jednostek pH). Znacznie dokładniej pH roztworu można zmierzyć za pomcą urządzenia zwanego pehametrem.
Indykatory
To wskaźniki odczynu, takie jak lakmus, błękit tymolowy, wywar z czerwonej kapusty, oranż metylowy, fenoloftaleina itp., służące do orientacyjnego badania pH, są związkami o dość skomplikowanej budowie, która można przedstawić schematycznie jako H-R, jeżeli indykator jest słabym kwasem, lub R-OH, jeżeli indykator jest słaba zasadą. Po wprowadzeniu do roztworu wodnego następuje jego częściowa dysocjacja i ustala się stan równowagi pomiędzy cząsteczkami i jonami. W przypadku oranżu metylowego anion R- nadaje roztworowi barwę żółtą, a niezdysocjowane cząsteczki HR, barwę czerwoną. W obecności kwasów kationy wodoru przesuwają równowagę w lewo i widoczna jest tylko barwa czerwona. W obecności zasad jony OH- łączą się z jonami H+ co, zgodnie z regułą le Chateliera, przesuwa równowagę w prawo, wywołując żółte zabarwienie roztworu. Podobnie zachowują się inne wskaźniki, ale ich barwy są cechą indywidualną. Obecnie są na rynku papierki uniwersalne, nasączone mieszanina różnych wskaźników. Każdej wartości pH odpowiada inne zabarwienie papierka. Dołączony jest wzorzec z zabarwieniem dla każdej wartości pH.
POH jest to wykładnik stężenia jonów OH- w roztworze.
PH + pOH = 14
PH= -log[H+]
POH= -log[OH-]
