Киселинни и алкални среди: определение и свойства. Ph-тест

Киселините и основите са двете крайности на една и съща скала: техните свойства (напълно противоположни) се определят от една и съща величина - концентрацията на водородните йони (H⁺). Само по себе си обаче това число е много неудобно: дори в киселинни среди, където концентрацията на водородни йони е по-висока, това число е стотна, хилядна част от единицата. Затова за удобство се използва десетичният логаритъм на тази стойност, умножен по минус едно. Обикновено се нарича рН (потенция на водорода) или водороден индекс.

Произход на понятието

Като цяло фактът, че киселата или алкалната среда се определя от концентрацията на водородните йони H+ и че колкото по-висока е концентрацията им, толкова по-кисел е разтворът (и обратно, колкото по-ниска е концентрацията на H+, толкова по-алкална е средата и по-висока е концентрацията на противоположните йони OH-), е известен на науката от доста време. Въпреки това едва през 1909 г. датският химик Сьоренсен публикува първите си изследвания, в които използва концепцията за експонентата на водородните йони, PH, по-късно променена на pH.

Изчисляване на киселинността

При изчисляването на стойността на рН изхождаме от предположението, че водните молекули в разтвора, макар и в много малки количества, все пак се дисоциират на йони. Тази реакция се нарича автопротолиза на вода:

H₂O --> H⁺ + OH^-

Реакцията е обратима, така че се определя константата на равновесието (която показва кои концентрации на всеки компонент се определят средно). Това е стойността на константата за стандартни условия, т.е. температура 22 °C.

В долната част, в квадратни скоби, са посочени моларните концентрации на споменатите компоненти. Моларната концентрация на водата във водата е приблизително 55 mol/литър, т.е. стойност от втори порядък. Следователно произведението от концентрациите на H⁺ и OH^- - около 10^-14. Това количество се нарича йонен продукт на водата.

В чистата вода концентрациите на водородните и хидроксидните йони са 10^-7. Съответно водородният индекс на водата е приблизително 7. Тази стойност на pH се приема за неутрална.

След това трябва да се абстрахираме от водата и да разгледаме разтвор на киселина или основа. Вземете например оцетната киселина. Йонният продукт на водата ще остане същият, но балансът между H⁺ и OH^- ще се измести към първото: водородните йони ще дойдат от частично дисоциираната оцетна киселина, а "допълнително" хидроксидните йони ще избягат в недисоциираните водни молекули. По този начин концентрацията на водородни йони ще бъде по-висока и рН ще бъде по-ниско (не забравяйте, че логаритъмът се приема със знак "минус"). Съответно киселинната и алкалната среда се свързват чрез pH. И са свързани по следния начин. Колкото по-ниска е стойността на рН, толкова по-кисела е средата.

Свойства на киселинната среда

Киселинни среди са разтвори с рН по-малко от 7. Трябва да се спомене, че макар на пръв поглед стойността на йонния продукт на водата да ограничава експонентата на водородните йони в диапазона от 1 до 14, в действителност съществуват разтвори с рН по-малко от 1 (и дори по-малко от нула) и повече от 14. Например в концентрирани разтвори на силни киселини (сярна, хлороводородна) стойността на pH може да бъде до -2.

Разтворимостта на някои вещества може да се повлияе от това дали средата е киселинна или алкална. Вземете например хидроксидите на даден метал. Разтворимостта се определя от стойността на продукта на разтворимост, който в структурно отношение е същият като йонния продукт на водата: Концентрациите се умножават по. В случай на хидроксид продуктът на разтворимост включва концентрацията на металния йон и концентрацията на хидроксидните йони. Ако има излишък на водородни йони (в кисела среда), те ще бъдат по-активни "изтръгване" хидроксидните йони от утайката, като по този начин измества равновесието към разтворената форма, увеличавайки разтворимостта на утайката.

Струва си също така да се отбележи, че целият храносмилателен тракт на човека е киселинен: рН на стомашния сок варира между 1 и 2. Отклоненията на тези стойности към по-висока или по-ниска стойност могат да бъдат признак на различни заболявания.

Свойства на алкалната среда

В алкална среда водородният индекс придобива стойности, по-големи от 7. За удобство в среди с висока концентрация на хидроксидни йони вместо индекса на киселинност на водородните йони pH се използва индексът на основност pOH. Не е трудно да се досетим, че тя означава стойност, равна на -lg[OH^-] (отрицателният десетичен логаритъм на концентрацията на хидроксидните йони). Пряко от йонния продукт на водата следва уравнението pH + pOH =14. Следователно pOH = 14 - pH. Така за всички твърдения, валидни за pH, важи обратното за pOH. Ако рН на една алкална среда е голямо по дефиниция, нейното pOH очевидно е малко и колкото по-силен е алкалният разтвор, толкова по-ниско е pOH.

В това изречение току-що се появи логически парадокс, който е причина за объркването в много дискусии за рН: Ниска стойност на рН е висока стойност на рН, и обратно: Висока стойност на рН е ниска стойност на рН. Този парадокс се появява, защото логаритъмът се взема със знак минус и скалата на киселинността е обърната.

Практическо определяне на киселинността

За определяне на киселинността на средата се използват така наречените индикатори. Обикновено това са доста сложни органични молекули, които променят цвета си в зависимост от рН на средата. индикаторът променя цвета си в много тесен диапазон на рН: използва се при киселинно-основно титруване, за да се постигнат точни резултати: титруването се прекратява веднага щом индикаторът промени цвета си.

Най-известните са метилов портокал (нисък рН диапазон), фенолфталеин (висок рН диапазон), лакмус, тимолово синьо и др. В киселинни и алкални среди се използват различни индикатори в зависимост от областта, в която се намира преходният им диапазон.

има и универсални индикатори - те променят цвета си постепенно от червено до наситено виолетово, когато преминават от силно кисела към силно алкална среда. Всъщност универсалните показатели са смесица от обичайните.

За по-прецизно определяне на рН се използва инструментът рН-метър (потенциометър; затова методът се нарича потенциометър). Нейният принцип на работа Стойността на рН се основава на измерване на ЕМП във верига, в която компонентът е разтвор с измеримо рН. Потенциалът на електрод, потопен в разтвор, е чувствителен към концентрацията на водородни йони в разтвора - оттук и промяната в ЕМП, от която се изчислява реалното рН.

Киселинност на различни среди в дома

Стойността на киселинността е от голямо значение в ежедневието ни. Например слаби киселини като оцетна или ябълчена киселина се използват като консерванти. Алкалните разтвори са детергенти, включително сапун. Най-простите сапуни са натриеви соли на мастни киселини. Във вода те се дисоциират: остатъците от мастни киселини са много дълги - с от една страна има отрицателен заряд, а от другата страна има дълга неполярна верига от въглеродни атоми. Краят на молекулата, където зарядът участва в хидратацията, събира около себе си водни молекули. Другият край се свързва с други неполярни вещества, като например мастни молекули. В резултат на това се образуват мицели - топчета с "опашки" с отрицателен заряд и скрити вътре "опашки" и частици мазнини и мръсотия. Повърхността се почиства от мазнини и замърсявания, тъй като детергентът свързва всички мазнини и замърсявания в тези мицели.

Киселинност и здраве

Вече беше споменато, че рН е от голямо значение за човешкия организъм. Освен в храносмилателния тракт е важно да се контролира киселинността и в други части на тялото: кръв, слюнка, кожа... киселинната и алкалната среда са важни за много биологични процеси. Тяхното определяне ни позволява да оценим състоянието на тялото.

В днешно време тестовете за рН - т.нар бързи тестове за за проверка на киселинността. Това са обикновени ленти от универсална индикаторна хартия.