Кислая среда и щелочная среда: определение и свойства. Ph-тест

Кислоты и щелочи - два крайних положения одной шкалы: их свойства (совершенно противоположные) обусловливает одна и та же величина - концентрация ионов водорода (H⁺). Однако само по себе это число очень неудобное: даже в кислых средах, где концентрация ионов водорода выше, это число составляет сотые, тысячные доли единицы. Поэтому для удобства пользуются десятичным логарифмом этого значения, умноженным на минус один. Принято говорить, что это pH (potentia Hydrogen), или же водородный показатель.

Возникновение понятия

Вообще тот факт, что кислая среда и щелочная среда определяются концентрацией ионов водорода H+ и что чем выше их концентрация, тем раствор более кислый (и наоборот, чем ниже концентрация H+, тем более щелочная среда и выше концентрация противоположных ионов OH-), был известен науке достаточно давно. Однако лишь в 1909 году датский химик Серенсен впервые опубликовал исследования, в которых пользовался понятием водородного показателя - PH, впоследствии замененным на pH.

Расчет кислотности

При расчете водородного показателя исходят из того, что молекулы воды в растворе, хоть и в очень малых количествах, все же диссоциируют на ионы. Эта реакция называется автопротолизом воды:

H₂O --> H⁺ + OH^-

Реакция обратима, поэтому для нее определена константа равновесия (показывающая, какие в среднем устанавливаются концентрации каждого компонента). Здесь дано значение константы для стандартных условий - температуры 22 °С.

Внизу в квадратных скобках - молярные концентрации указанных компонентов. Молярная концентрация воды в воде - приблизительно 55 моль/литр, то есть величина второго порядка. Следовательно, произведение концентраций ионов H⁺ и OH^- - около 10^-14. Эта величина называется ионным произведением воды.

В чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны 10^-7. Соответственно, водородный показатель воды будет приблизительно 7. Это значение pH принимают за нейтральную среду.

Далее нужно отвлечься от воды и рассмотреть раствор какой-нибудь кислоты или щелочи. Возьмем, например, уксусную кислоту. Ионное произведение воды останется прежним, однако баланс между ионами H⁺ и OH^- сместится в сторону первых: ионы водорода придут от частично продиссоциировавшей уксусной кислоты, а "лишние" гидроксид-ионы уйдут в недиссоциировавшие молекулы воды. Таким образом, концентрация ионов водорода будет выше, и pH будет меньше (не надо забывать, что логарифм берется со знаком "минус"). Соответственно, кислая среда и щелочная среда связаны с pH. И связаны следующим образом. Чем меньше значение водородного показателя, тем более кислая среда.

Свойства кислой среды

Кислая среда - это растворы с pH меньше 7. Следует оговориться, что, хотя значение ионного произведения воды на первый взгляд ограничивает значения водородного показателя в пределах от 1 до 14, на самом деле растворы с pH меньше единицы (и даже меньше нуля) и больше 14 существуют. Например, в концентрированных растворах сильных кислот (серной, соляной) pH может достигать -2.

От того, имеем ли мы кислую среду или среду щелочную, может зависеть растворимость некоторых веществ. Например, возьмем гидроксиды металлов. Растворимость определяется величиной произведения растворимости, которое по структуре есть то же, что и ионное произведение воды: перемноженные концентрации. В случае с гидроксидом в произведение растворимости входит концентрация иона металла и концентрация гидроксид-ионов. В случае избытка ионов водорода (в кислой среде) они будут активнее "вырывать" гидроксид-ионы из осадка, тем самым смещая равновесие в сторону растворенной формы, повышая растворимость осадка.

Также стоит упомянуть, что весь пищеварительный тракт человека имеет кислую среду: pH желудочного сока колеблется от 1 до 2. Отклонение от этих значений в меньшую или большую сторону может являться признаком различных заболеваний.

Свойства щелочной среды

В щелочной среде водородный показатель принимает значения, превышающие 7. Для удобства в средах с высокой концентрацией гидроксид-ионов вместо водородного показателя кислотности pH пользуются показателем основности pOH. Нетрудно догадаться, что он обозначает величину, равную -lg[OH^-] (отрицательный десятичный логарифм концентрации гидроксид-ионов). Непосредственно из ионного произведения воды следует равенство pH + pOH =14. Поэтому pOH = 14 - pH. Таким образом, у всех утверждений, верных для показателя кислотности pH, верны обратные утверждения для показателя основности pOH. Если pH щелочной среды большой по определению, то ее pOH, очевидно, маленький, и чем сильнее раствор щелочи, тем меньше показатель pOH.

В этом предложении только что появился логический парадокс, вносящий путаницу во многие рассуждения о кислотности: маленький показатель кислотности обозначает высокую кислотность среды, и наоборот: большие значения pH соответствуют низкой кислотности. Этот парадокс появляется потому, что логарифм берется со знаком минус, и шкала кислотности как бы инвертируется.

Практическое определение кислотности

Для определения кислотности среды применяются так называемые индикаторы. Обычно это достаточно сложно устроенные органические молекулы, которые меняют свой цвет в зависимости от pH среды. Индикатор меняет свой цвет в очень узком интервале pH: это используется в кислотно-основном титровании, чтобы добиться точных результатов: титрование прекращают, как только индикатор меняет цвет.

Наиболее известные индикаторы - метиловый оранжевый (интервал перехода в области с маленьким pH), фенолфталеин (интервал перехода в области с большим pH), лакмус, тимоловый голубой и другие. В кислых средах и щелочных средах применяются разные индикаторы в зависимости от того, в какой области лежит их интервал перехода.

Существуют также универсальные индикаторы - они меняют свой цвет постепенно с красного на глубоко фиолетовый при переходе из сильно кислотных сред в сильно щелочные. На самом деле универсальные индикаторы представляют собой смесь из обычных.

Для более точного определения кислотности используют прибор - pH-метр (потенциометр, метод, соответственно, называется потенциометрия). Его принцип работы основан на измерении ЭДС в цепи, элементом которой является раствор с измеряемым pH. Потенциал электрода, погруженного в раствор, чувствителен к концентрации ионов водорода в растворе - отсюда изменение ЭДС, на основании которого рассчитывается реальный pH.

Кислотность различных сред в быту

Показатель кислотности имеет большое значение в повседневной жизни. Например, слабые кислоты - уксусная, яблочная - используются в качестве консервантов. Щелочные растворы являются моющими средствами, в том числе и мыло. Самое простое мыло представляет собой натриевые соли жирных кислот. В воде они диссоциируют: остаток жирной кислоты - очень длинный - с одной стороны имеет отрицательный заряд, а с другой своей стороны - длинную неполярную цепочку атомов углерода. Тот конец молекулы, на котором заряд участвует в гидратации, собирает вокруг себя молекулы воды. Второй конец присоединяется к другим неполярным вещам, например, молекулам жира. В результате образуются мицеллы - шарики, у которых наружу торчат "хвосты" с отрицательным зарядом, а внутри спрятаны "хвосты" и частички жира и грязи. Поверхность отмывается от жира и грязи за счет того, что моющее средство связывает весь жир и грязь в такие мицеллы.

Кислотность и здоровье

Уже было упомянуто, что pH имеет большое значение для человеческого организма. Кроме пищеварительного тракта, показатель кислотности важно контролировать и в других частях организма: кровь, слюна, кожа - для многих биологических процессов имеют большое значение кислая среда и щелочная среда. Их определение позволяет оценить состояние организма.

Сейчас набирают популярность pH-тесты - так называемые экспресс-тесты для проверки кислотности. Они представляют собой обычные полоски универсальной индикаторной бумаги.