Skābes un sārmi ir divas vienas skalas galējās pozīcijas: to īpašības (pilnīgi pretējas) nosaka viena un tā pati vērtība – ūdeņraža jonu koncentrācija (H+). Taču pats par sevi šis skaitlis ir ļoti neērts: pat skābā vidē, kur ūdeņraža jonu koncentrācija ir lielāka, šis skaitlis ir vienības simtdaļas, tūkstošdaļas. Tāpēc ērtības labad viņi izmanto šīs vērtības decimālo logaritmu, kas reizināts ar mīnus viens. Ir pieņemts teikt, ka tas ir pH (potencia Ūdeņradis) vai ūdeņraža indikators.
Jēdziena rašanās
Kopumā fakts, ka skābu vidi un sārmainu vidi nosaka ūdeņraža jonu koncentrācija H + un ka jo lielāka to koncentrācija, jo skābāks ir šķīdums (un otrādi, jo zemāks H + koncentrācija, jo sārmaināka vide un augstāka pretējo OH jonu koncentrācija -), zinātnei zināms jau sen. Tomēr tikai 1909. gadā dāņu ķīmiķis Sērensens pirmo reizi publicēja pētījumu, kurā viņš izmantoja ūdeņraža indeksa jēdzienu – PH, ko vēlāk aizstāja ar pH.
Skābuma aprēķins
Aprēķinot pH indeksu, tiek pieņemts, ka ūdens molekulas šķīdumā, kaut arī ļoti mazos daudzumos, tomēr sadalās jonos. Šo reakciju sauc par ūdens autoprotolīzi:
H2O H+ + OH-
Reakcija ir atgriezeniska, tāpēc tai ir noteikta līdzsvara konstante (rāda katra komponenta vidējo koncentrāciju). Šeit ir konstantes vērtība standarta apstākļiem - temperatūrai 22 °C.
Apakšā kvadrātiekavās - norādīto komponentu molārās koncentrācijas. Ūdens molārā koncentrācija ūdenī ir aptuveni 55 mol/l, kas ir otrās kārtas vērtība. Tāpēc H+ un OH- jonu koncentrāciju reizinājums ir aptuveni 10-14. Šo vērtību sauc par ūdens jonu produktu.
Tīrā ūdenī ūdeņraža jonu un hidroksīda jonu koncentrācija ir 10-7. Attiecīgi ūdens pH vērtība būs aptuveni 7. Šī pH vērtība tiek uzskatīta par neitrālu vidi.
Tālāk jums ir jānovērš skatiens no ūdens un jāapsver kādas skābes vai sārma šķīdums. Ņemiet, piemēram, etiķskābi. Ūdens jonu produkts paliks nemainīgs, bet līdzsvars starp joniem H+ un OH- mainīsies uz iepriekšējo: ūdeņraža joni nāk no daļēji disociētas etiķskābes, un "papildu" hidroksīda joni nonāks nedisociētās ūdens molekulās. Tādējādi ūdeņraža jonu koncentrācija būs augstāka un pH būs zemāks (nav nepieciešamsaizmirst, ka logaritms tiek ņemts ar mīnusa zīmi). Attiecīgi skābais un sārmains ir saistīts ar pH. Un tie ir savienoti šādā veidā. Jo zemāka pH vērtība, jo skābāka ir vide.
Skābās īpašības
Skābā vide ir šķīdumi, kuru pH ir mazāks par 7. Jāņem vērā, ka, lai gan ūdens jonu produkta vērtība no pirmā acu uzmetiena ierobežo pH vērtības diapazonā no 1 līdz 14, patiesībā pastāv šķīdumi, kuru pH ir mazāks par vienu (un pat mazāks par nulli) un lielāks par 14. Piemēram, koncentrētos spēcīgu skābju (sērskābe, sālsskābe) šķīdumos pH var sasniegt -2.
Noteiktu vielu šķīdība var būt atkarīga no tā, vai mums ir skāba vai sārmaina vide. Piemēram, ņemiet metālu hidroksīdus. Šķīdību nosaka šķīdības produkta vērtība, kas pēc struktūras ir tāda pati kā ūdens jonu produkts: reizinātas koncentrācijas. Hidroksīda gadījumā šķīdības produkts ietver metāla jonu koncentrāciju un hidroksīda jonu koncentrāciju. Ūdeņraža jonu pārpalikuma gadījumā (skābā vidē) tie aktīvāk "izvilks" no nogulsnēm hidroksīda jonus, tādējādi novirzot līdzsvaru uz izšķīdušo formu, palielinot nogulšņu šķīdību.
Vērts arī pieminēt, ka visā cilvēka gremošanas traktā ir skāba vide: kuņģa sulas pH svārstās no 1 līdz 2. Novirze no šīm vērtībām uz augšu vai uz leju var liecināt par dažādām slimībām.
Sārmainas vides īpašības
Bsārmainā vidē pH vērtība iegūst vērtības, kas lielākas par 7. Ērtības labad vidē ar augstu hidroksīda jonu koncentrāciju skābuma pH indikators tiek aizstāts ar bāziskuma pH indikatoru pOH. Ir viegli uzminēt, ka tas apzīmē vērtību, kas vienāda ar -lg[OH-] (hidroksīda jonu koncentrācijas negatīvs decimāllogaritms). Tieši no ūdens jonu produkta izriet vienādība pH + pOH=14. Tāpēc pOH=14 - pH. Tādējādi visiem apgalvojumiem, kas ir patiesi attiecībā uz pH indeksu, pretēji apgalvojumi ir patiesi attiecībā uz pOH bāzes indeksu. Ja sārmainas vides pH pēc definīcijas ir liels, tad tās pOH ir acīmredzami mazs, un jo spēcīgāks ir sārma šķīdums, jo zemāka ir pOH vērtība.
Šis teikums tikko ieviesa loģisku paradoksu, kas mulsina daudzas diskusijas par skābumu: zems skābums norāda uz augstu skābumu, un otrādi: augstas pH vērtības atbilst zemam skābumam. Šis paradokss parādās tāpēc, ka logaritms tiek ņemts ar mīnusa zīmi, un skābuma skala ir it kā apgriezta.
Skābuma praktiska definīcija
Barotnes skābuma noteikšanai izmanto tā sauktos indikatorus. Parasti tās ir diezgan sarežģītas organiskās molekulas, kas maina savu krāsu atkarībā no barotnes pH. Indikators maina krāsu ļoti šaurā pH diapazonā: to izmanto skābes-bāzes titrēšanai, lai iegūtu precīzus rezultātus: titrēšana tiek pārtraukta, tiklīdz indikators maina krāsu.
Slavenākie rādītāji ir metilsoranžs (pārejas intervāls reģionā ar zemu pH), fenolftaleīns (pārejas intervāls reģionā ar augstu pH), lakmuss, timolzilais un citi. Skābā vidē un sārmainā vidē tiek izmantoti dažādi indikatori atkarībā no apgabala, kurā atrodas to pārejas intervāls.
Ir arī universāli indikatori - tie pakāpeniski maina krāsu no sarkanas uz tumši violetu, pārejot no stipri skābas vides uz stipri sārmainu vidi. Universālie indikatori patiesībā ir bieži sastopamu rādītāju sajaukums.
Precīzākai skābuma noteikšanai tiek izmantota ierīce - pH metrs (potenciometrs, metodi attiecīgi sauc par potenciometriju). Tās darbības princips ir balstīts uz EML mērīšanu ķēdē, kuras elements ir šķīdums ar izmērītu pH. Šķīdumā iegremdēta elektroda potenciāls ir jutīgs pret ūdeņraža jonu koncentrāciju šķīdumā - līdz ar to EML izmaiņas, uz kuru pamata tiek aprēķināts reālais pH.
Dažādu vidi skābums ikdienā
Skābuma indeksam ir liela nozīme ikdienā. Piemēram, vājās skābes – etiķskābi, ābolskābi – izmanto kā konservantus. Sārmu šķīdumi ir mazgāšanas līdzekļi, tostarp ziepes. Vienkāršākās ziepes ir taukskābju nātrija sāļi. Ūdenī tie disociējas: taukskābju atlikumam – ļoti garam –, no vienas puses, ir negatīvs lādiņš, no otras puses – gara nepolāra oglekļa atomu ķēde. Tasmolekulas gals, kurā lādiņš piedalās hidratācijā, savāc ap sevi ūdens molekulas. Otrs gals pievienojas citām nepolārām lietām, piemēram, tauku molekulām. Rezultātā veidojas micellas – bumbiņas, kurās izceļas "astes" ar negatīvu lādiņu, bet iekšā slēpjas "astes" un tauku un netīrumu daļiņas. Virsma tiek nomazgāta no taukiem un netīrumiem, jo mazgāšanas līdzeklis šādās micellās saista visus taukus un netīrumus.
Skābums un veselība
Jau tika minēts, ka pH ir liela nozīme cilvēka organismam. Papildus gremošanas traktam ir svarīgi kontrolēt skābuma indeksu arī citās ķermeņa daļās: asinīs, siekalās, ādā – skābai un sārmainai videi ir liela nozīme daudziem bioloģiskiem procesiem. To definīcija ļauj novērtēt ķermeņa stāvokli.
Tagad popularitāti gūst pH testi – tā sauktie eksprestesti skābuma pārbaudei. Tās ir parastas universāla indikatora papīra sloksnes.
