A savak és a lúgok ugyanazon skála két szélső helyzete: tulajdonságaikat (teljesen ellentétes) ugyanaz az érték határozza meg - a hidrogénionok koncentrációja (H+). Ez a szám azonban önmagában nagyon kényelmetlen: még savas környezetben is, ahol nagyobb a hidrogénionok koncentrációja, ez a szám századok, ezredrészek egységnyi. Ezért a kényelem kedvéért ennek az értéknek a decimális logaritmusát használják, mínusz eggyel megszorozva. Szokás mondani, hogy ez pH (potencia Hydrogen), vagy hidrogén indikátor.
A koncepció megjelenése
Általában az a tény, hogy a savas és a lúgos környezetet a H + hidrogénionok koncentrációja határozza meg, és minél nagyobb koncentrációjuk, annál savasabb az oldat (és fordítva, annál alacsonyabb a H + koncentráció, minél lúgosabb a környezet és minél nagyobb az ellentétes OH-ionok koncentrációja -), a tudomány már régóta ismeri. Sørensen dán kémikus azonban csak 1909-ben publikált először kutatást, amelyben a hidrogénindex – PH – fogalmát használta, amelyet később a pH váltott fel.
A savasság kiszámítása
A pH-index kiszámításakor azt feltételezzük, hogy az oldatban lévő vízmolekulák, bár nagyon kis mennyiségben, mégis ionokká disszociálnak. Ezt a reakciót víz autoprotolízisnek nevezik:
H2O H+ + OH-
A reakció reverzibilis, ezért egy egyensúlyi állandót definiálunk (az egyes komponensek átlagos koncentrációját mutatja). Itt van az állandó értéke normál körülményekhez - hőmérséklet 22 °C.
Alul szögletes zárójelben - a jelzett komponensek moláris koncentrációi. A víz moláris koncentrációja a vízben körülbelül 55 mol/liter, ami egy másodrendű érték. Ezért a H+ és OH- ionok koncentrációjának szorzata körülbelül 10-14. Ezt az értéket a víz ionos termékének nevezik.
A tiszta vízben a hidrogénionok és a hidroxidionok koncentrációja 10-7. Ennek megfelelően a víz pH-értéke körülbelül 7 lesz. Ezt a pH-értéket semleges környezetnek tekintjük.
Ezután le kell néznie a vízről, és meg kell fontolnia valamilyen sav vagy lúg oldatát. Vegyük például az ecetsavat. A víz ionos terméke változatlan marad, de a H+ és OH- ionok egyensúlya az előbbi felé tolódik el: a hidrogénionok részlegesen disszociált ecetsavból származnak, és az "extra" hidroxidionok nem disszociált vízmolekulákba kerülnek. Így a hidrogénionok koncentrációja magasabb és a pH alacsonyabb lesz (nem szükségesfelejtsd el, hogy a logaritmust mínuszjellel kell felvenni). Ennek megfelelően a savas és a lúgos a pH-hoz kapcsolódik. És a következő módon kapcsolódnak egymáshoz. Minél alacsonyabb a pH-érték, annál savasabb a környezet.
Savas tulajdonságok
A savas környezet olyan oldat, amelynek pH-ja kisebb, mint 7. Megjegyzendő, hogy bár a víz ionos termékének értéke első pillantásra korlátozza a pH-értékeket az 1 és 14 közötti tartományban, valójában léteznek olyan oldatok, amelyek pH-ja kisebb, mint 1 (és még nullánál is kisebb), de 14-nél nagyobb. Például erős savak (kénsav, sósav) koncentrált oldataiban a pH elérheti a -2-t.
Bizonyos anyagok oldhatósága attól függhet, hogy savas vagy lúgos környezetünk van. Vegyünk például fém-hidroxidot. Az oldhatóságot az oldhatósági szorzat értéke határozza meg, amely szerkezetében megegyezik a víz iontermékével: szorzott koncentrációk. Hidroxid esetén az oldhatósági szorzat tartalmazza a fémion koncentrációját és a hidroxidionok koncentrációját. A hidrogénionok feleslege esetén (savas környezetben) aktívabban "kihúzzák" a hidroxidionokat a csapadékból, ezáltal az egyensúlyt az oldott forma felé tolják el, növelve a csapadék oldhatóságát.
Azt is érdemes megemlíteni, hogy az emberi emésztőrendszer egésze savas környezettel rendelkezik: a gyomornedv pH-ja 1 és 2 között mozog. Ettől az értéktől felfelé vagy lefelé történő eltérés különböző betegségek jele lehet.
Lúgos közeg tulajdonságai
Blúgos környezetben a pH-érték 7-nél nagyobb értéket vesz fel. A kényelem kedvéért magas hidroxidion-koncentrációjú környezetben a savasság pH-mutatóját a bázikusság pOH-mutatója helyettesíti. Könnyen kitalálható, hogy a -lg[OH-] értékét jelöli (a hidroxidionok koncentrációjának negatív decimális logaritmusa). Közvetlenül a víz ionos termékéből következik a pH + pOH=14 egyenlőség. Ezért pOH=14 - pH. Így minden olyan állításra, amely igaz a pH-indexre, az ellenkező állítások igazak a pOH bázikussági indexre. Ha egy lúgos közeg pH-ja értelemszerűen nagy, akkor a pOH-ja nyilvánvalóan kicsi, és minél erősebb a lúgos oldat, annál alacsonyabb a pOH-érték.
Ez a mondat egy logikai paradoxont vezetett be, amely megzavarja a savasságról szóló sok vitát: az alacsony savasság magas savasságot jelez, és fordítva: a magas pH-értékek alacsony savasságot jelentenek. Ez a paradoxon azért jelenik meg, mert a logaritmus mínusz előjellel van felvéve, és a savassági skála megfordítva.
A savasság gyakorlati meghatározása
Úgynevezett indikátorokat használnak a közeg savasságának meghatározására. Általában ezek meglehetősen összetett szerves molekulák, amelyek színüket a közeg pH-értékétől függően változtatják. Az indikátor nagyon szűk pH-tartományban változtatja meg a színét: ezt a sav-bázis titrálásnál használják a pontos eredmények elérése érdekében: a titrálás leáll, amint az indikátor színe megváltozik.
A leghíresebb mutatók a metilnarancs (átmeneti intervallum az alacsony pH-jú régióban), fenolftalein (átmeneti intervallum a magas pH-jú régióban), lakmusz, timolkék és mások. Savas és lúgos környezetben különböző mutatókat használnak attól függően, hogy melyik területen található az átmeneti intervallum.
Vannak univerzális indikátorok is – fokozatosan változtatják színüket vörösről mélylilára, amikor erősen savas környezetről erősen lúgosra váltanak. Valójában az univerzális mutatók a gyakori mutatók keveréke.
A savasság pontosabb meghatározásához egy eszközt használnak - pH-mérőt (potenciométert, a módszert potenciometriának nevezik). Működési elve az EMF mérésén alapul egy áramkörben, melynek eleme mért pH-jú oldat. Az oldatba merített elektród potenciálja érzékeny az oldatban lévő hidrogénionok koncentrációjára - innen ered az EMF változása, ami alapján a valós pH-t számítják.
Különböző környezetek savassága a mindennapi életben
A savassági indexnek nagy jelentősége van a mindennapi életben. Például gyenge savakat - ecetsavat, almasavat - használnak tartósítószerként. A lúgos oldatok tisztítószerek, beleértve a szappant is. A legegyszerűbb szappan a zsírsavak nátriumsói. Vízben disszociálnak: a zsírsavmaradék - nagyon hosszú - egyrészt negatív töltésű, másrészt hosszú, nem poláris szénatomláncú. Hogya molekula vége, amelyen a töltés részt vesz a hidratálásban, vízmolekulákat gyűjt maga köré. A másik vége más nem poláris dolgokhoz, például zsírmolekulákhoz kapcsolódik. Ennek eredményeként micellák képződnek - golyók, amelyekben negatív töltésű "farok" lóg ki, és "farok" és zsír- és szennyeződésrészecskék rejtőznek. A felület lemosódik a zsírtól és a szennyeződéstől, mivel a mosószer minden zsírt és szennyeződést az ilyen micellákba köt.
Savasság és egészség
Már már említettük, hogy a pH-érték nagyon fontos az emberi szervezet számára. Az emésztőrendszeren kívül fontos a savassági index szabályozása a test más részein is: vérben, nyálban, bőrben – a savas és lúgos környezet számos biológiai folyamat szempontjából nagy jelentőséggel bír. Meghatározásuk lehetővé teszi a test állapotának felmérését.
Most a pH-tesztek egyre népszerűbbek – az úgynevezett expressz tesztek a savasság ellenőrzésére. Ezek szabályos univerzális jelzőpapírcsíkok.
