Περιεχόμενο
- Ο ορισμός της κλίμακας pH
- Ο σκοπός της κλίμακας pH
- Παραδείγματα όξινων ουσιών
- Παραδείγματα αλκαλικών ουσιών
- Ανάμιξη οξέος και αλκαλίων
- Πώς να μετρήσετε το pH
Μπορεί να γνωρίζετε ότι το pH του καθαρού νερού είναι 7, το pH του ξιδιού είναι περίπου 3 και το pH του υδροξειδίου του νατρίου είναι περίπου 13, αλλά τι σημαίνουν όντως αυτοί οι αριθμοί; Θα σας πει πόσο όξινο ή αλκαλικό είναι ένα υδατικό (με βάση το νερό) διάλυμα, σε κλίμακα από 0 έως 14. Αυτή η κλίμακα είναι γνωστή ως κλίμακα pH, όπου το pH είναι η συντομογραφία για την "ισχύ του υδρογόνου".
Ο ορισμός της κλίμακας pH
Όταν βυθίζετε οξέα και αλκάλια σε διάλυμα, απελευθερώνουν ελεύθερα ιόντα. Σε ένα διάλυμα με βάση το νερό, ένα οξύ απελευθερώνει θετικό υδρογόνο (H+) ενώ ένα αλκάλιο απελευθερώνει αρνητικό υδροξείδιο (ΟΗ-). Αυτό σημαίνει ότι όταν ένα οξύ διαλύεται σε νερό, η ισορροπία μεταξύ των ιόντων υδρογόνου και των ιόντων υδροξειδίου αλλάζει, οδηγώντας σε περισσότερα ιόντα υδρογόνου από τα ιόντα υδροξειδίου στο διάλυμα (ένα όξινο διάλυμα). Η ισορροπία επίσης αλλάζει όταν ένα αλκάλιο διαλύεται στο νερό, αλλά με αντίθετο τρόπο. Σε αυτή την περίπτωση, το διάλυμα καταλήγει με περισσότερα ιόντα υδροξειδίου από τα ιόντα υδρογόνου (ένα αλκαλικό διάλυμα).
Η κλίμακα pH μετρά πόσο ισχυρό οξύ ή αλκαλικό είναι. Αν είναι στο μέσο της κλίμακας, θεωρείται ουδέτερη - η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου είναι ίση με τη συγκέντρωση των ιόντων υδροξειδίου.
Ο ορισμός του ρΗ είναι το αρνητικό log της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου. Ο Δανός βιοχημικός Søren Peter Lauritz Sørensen ήταν υπεύθυνος για αυτόν τον όρο, ο οποίος δημιούργησε το 1909 ως συντομογραφία για τη "δύναμη του υδρογόνου". Το "P" σημαίνει τη γερμανική λέξη για την ισχύ (potenz), και το Η είναι το σύμβολο στοιχείου για το υδρογόνο.
Ο Sørensen βρήκε την ακόλουθη εξίσωση για τον υπολογισμό του pH:
ρΗ = -log
Το log είναι ο λογάριθμος βάσης-10 και αντιπροσωπεύει τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου σε μονάδες γραμμομορίων ανά λίτρο διαλύματος.
Ο σκοπός της κλίμακας pH
Η κλίμακα pH κυμαίνεται από 0 έως 14, με 7 να είναι ουδέτερο pH, οτιδήποτε κάτω από 7 είναι όξινο και οτιδήποτε πάνω από 7 είναι αλκαλικό (μερικές φορές αναφέρεται ως βασικό). Η κλίμακα pH είναι λογαριθμική, που σημαίνει ότι κάθε ολική τιμή κάτω από 7 είναι 10 φορές πιο όξινη από την υψηλότερη τιμή και κάθε ακέραια τιμή πάνω από 7 είναι 10 φορές λιγότερο όξινη από ότι η χαμηλότερη τιμή. Για παράδειγμα, το pH 2 είναι 10 φορές πιο όξινο από το pH 3 και 100 φορές πιο όξινο από το pH 4. Με άλλα λόγια, όσο ισχυρότερο είναι το οξύ, τόσο μικρότερο είναι ο αριθμός ρΗ και όσο ισχυρότερο είναι το αλκάλι υψηλότερο είναι ο αριθμός ρΗ.
Οι μικρές αλλαγές στο pH μπορεί να έχουν μεγάλες επιδράσεις. Για παράδειγμα, η όξινη βροχή, η οποία έχει γενικά ρΗ από 4,2 έως 4,4, είναι περισσότερο από 10 φορές πιο όξινη από την καθαρή βροχή, η οποία συνήθως έχει ρΗ 5,6.
Μια ουσία με ρΗ 1 έως 2 θεωρείται ισχυρό οξύ, ενώ ένα με pH 13 έως 14 είναι ένα ισχυρό αλκάλιο. Εάν ένα οξύ είναι πολύ ισχυρό, μπορεί να έχει αρνητικό pH, ενώ πολύ ισχυρές βάσεις μπορεί να έχουν ρΗ υψηλότερο από 14. Μια ουσία που δεν είναι ούτε όξινη ούτε αλκαλική, όπως καθαρό νερό, είναι ουδέτερη. Το ανθρώπινο αίμα έχει ελαφρώς υψηλότερο από το ουδέτερο ρΗ περίπου 7,4.
Μόνο τα υδατικά διαλύματα έχουν επίπεδα ρΗ, δηλαδή χημικά, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων υγρών, δεν έχουν τιμές pH. Για παράδειγμα, η καθαρή αλκοόλη, το φυτικό έλαιο και η βενζίνη δεν έχουν επίπεδο pH.
Παραδείγματα όξινων ουσιών
Τα όξινα διαλύματα έχουν περισσότερα ιόντα υδρογόνου από αλκαλικά ή ουδέτερα διαλύματα. Τα οξέα έχουν επίσης ξινή γεύση και αντιδρούν πολύ έντονα στα μέταλλα. Όταν είναι συγκεντρωμένες, μπορεί να είναι πολύ διαβρωτικές. Μερικά κοινά οξέα περιλαμβάνουν χυμό πορτοκαλιού, ξύδι, λεμόνια και θειικό οξύ.
Παραδείγματα αλκαλικών ουσιών
Τα αλκαλικά διαλύματα έχουν λιγότερα ιόντα υδρογόνου από τα ουδέτερα ή όξινα διαλύματα ή οξέα. Οι βάσεις τείνουν να αισθάνονται ολισθηρές και συνήθως έχουν πικρή γεύση. Όπως τα οξέα, τα ισχυρά αλκάλια μπορούν να κάψουν το δέρμα σας. Ορισμένες κοινές βάσεις περιλαμβάνουν αμμωνία, λινά, σόδα ψησίματος, σαπουνόνερο, λευκαντικό και γάλα μαγνησίας.
Ανάμιξη οξέος και αλκαλίων
Εάν αναμίξετε ίσες ποσότητες ισχυρού οξέος και ισχυρού αλκαλίου, οι δύο χημικές ουσίες ουσιαστικά ακυρώνουν το ένα το άλλο και το αποτέλεσμα είναι ένα αλάτι και νερό. Η ανάμιξη των ίδιων ποσοτήτων ισχυρού οξέος και ισχυρού αλκαλίου παράγει επίσης ένα διάλυμα ουδέτερου ρΗ. Αυτό είναι γνωστό ως αντίδραση εξουδετέρωσης και μοιάζει με αυτό:
ΗΑ + ΒΟΗ → ΒΑ + Η2O + θερμότητα
Για παράδειγμα, η αντίδραση μεταξύ του ισχυρού οξέος HCl (υδροχλωρικό οξύ) και του ισχυρού αλκαλικού ΝαΟΗ (υδροξείδιο του νατρίου) είναι:
HCl + NaOH → NaCl + Η2O + θερμότητα
Αυτή η αντίδραση παράγει χλωριούχο νάτριο (επιτραπέζιο άλας). Εάν είχατε περισσότερο οξύ από το αλκάλιο στην αντίδραση, δεν θα αντιδράσει όλο το οξύ, έτσι το αποτέλεσμα θα ήταν το αλάτι, το νερό και το απομένον οξύ και το διάλυμα θα ήταν ακόμα όξινο (με pH χαμηλότερο από 7). Ωστόσο, εάν είχατε περισσότερα αλκάλια από ό, τι το οξύ, θα υπήρχαν εναπομείναντα αλκάλια και το τελικό διάλυμα θα ήταν ακόμα αλκαλικό (με ένα ρΗ μεγαλύτερο από 7).
Επειδή το μίγμα θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, η εξουδετέρωση είναι γνωστή ως εξωθερμική αντίδραση. Η εξουδετέρωση χρησιμοποιείται για πολλά πράγματα. Οι αγρότες μπορούν να χρησιμοποιούν ασβέστιο (ασβέστιο) για να εξουδετερώσουν τα όξινα εδάφη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τη σκόνη ψησίματος, η οποία περιέχει όξινο ανθρακικό νάτριο, για να εξουδετερώσετε ένα όξινο τσίμπημα μελισσών.
Κάτι παρόμοιο συμβαίνει όταν ένα ή και τα δύο αντιδραστήρια είναι αδύναμα. Ένα ασθενές οξύ ή αλκάλιο δεν απομονώνεται πλήρως στο νερό, οπότε ενδέχεται να υπάρχουν εναπομείναντα αντιδραστήρια στο τέλος της αντίδρασης, τα οποία επηρεάζουν το ρΗ. Επίσης, μπορεί να μην δημιουργηθεί νερό επειδή τα πιο αδύναμα αλκάλια δεν είναι υδροξείδια, επομένως δεν υπάρχει κανένας από τους OH- απαραίτητα για την παραγωγή νερού.
Πώς να μετρήσετε το pH
Μπορείτε να μετρήσετε το επίπεδο pH μιας λύσης με διάφορους τρόπους. Η απλούστερη μέθοδος περιλαμβάνει ταινίες ελέγχου pH, οι οποίες κατασκευάζονται από ειδικό χαρτί που ονομάζεται χαρτί λακκούβας. Αυτό είναι το διηθητικό χαρτί που έχει υποστεί επεξεργασία με βαφές κατασκευασμένες από λειχήνες. Αυτό το χαρτί αλλάζει χρώμα όταν έρχεται σε επαφή με οξύ ή αλκαλικό. Όταν τοποθετείται σε όξινο διάλυμα, το μπλε χαρτί λακκούβας γίνεται κόκκινο και όταν τοποθετείται σε αλκαλικό διάλυμα, το κόκκινο χαρτί λακκούβας γίνεται μπλε. (Όπως θα περίμενε κανείς, όταν το μπλε χαρτί λακκούβας τοποθετείται σε ουδέτερη λύση, παραμένει μπλε και όταν τοποθετείται κόκκινο χαρτί χαρτιού σε ουδέτερη λύση, παραμένει κόκκινο.)
Ορισμένες λωρίδες δοκιμής pH περιέχουν ράβδους ένδειξης που κάθε χρώμα αλλάζει ανάλογα με το διάλυμα που εκτίθεται στην ταινία. Όταν καλύπτετε τη δοκιμαστική ταινία με το διάλυμα σας (σε καθαρό δοχείο) για μερικά δευτερόλεπτα και στη συνέχεια αφαιρέστε το, μπορείτε να συγκρίνετε το τέλος της ταινίας δοκιμής με το χρωματικό διάγραμμα που λάβατε με το χαρτί για να καθορίσετε τα επίπεδα του διαλύματος pH.
Ένας άλλος τρόπος μέτρησης του pH απαιτεί έναν αισθητήρα και έναν μετρητή. Πριν χρησιμοποιήσετε αυτά τα εργαλεία, πρέπει να βαθμονομήσετε τον μετρητή δοκιμάζοντάς τον σε μια ουσία με γνωστό επίπεδο pH (όπως απεσταγμένο νερό με pH 7). Αφού πραγματοποιήσετε τις απαραίτητες προσαρμογές στο μετρητή και ξεπλύνετε και στεγνώσετε τον καθετήρα και τον μετρητή, μπορείτε να εκτελέσετε τη δοκιμή pH στο υγρό σας δείγμα σε καθαρό δοχείο αρκετά βαθιά ώστε να καλύψετε πλήρως την άκρη του καθετήρα. Ελέγξτε τη θερμοκρασία του δείγματος με ένα θερμόμετρο και βεβαιωθείτε ότι ο μετρητής ταιριάζει με αυτή τη θερμοκρασία. Τοποθετήστε τον καθετήρα στο δείγμα σας και περιμένετε να γίνει σταθερή η μέτρηση (αυτό σημαίνει ότι ο μετρητής έχει φτάσει σε ισορροπία) πριν καταγράψετε το επίπεδο του pH.