Kyseliny a zásady sú dve krajné polohy rovnakej stupnice: ich vlastnosti (úplne opačné) určuje rovnaká hodnota - koncentrácia vodíkových iónov (H+). Toto číslo je však samo o sebe veľmi nepohodlné: aj v kyslom prostredí, kde je koncentrácia vodíkových iónov vyššia, ide o stotiny, tisíciny jednotky. Preto pre pohodlie používajú desatinný logaritmus tejto hodnoty vynásobený mínusom jedna. Zvykom sa hovorí, že ide o pH (potentia Hydrogen), čiže vodíkový indikátor.
Vznik konceptu
Vo všeobecnosti platí, že kyslé prostredie a zásadité prostredie sú určené koncentráciou vodíkových iónov H + a že čím je ich koncentrácia vyššia, tým je roztok kyslejší (a naopak, čím je H + nižší koncentrácii, čím je prostredie alkalickejšie a tým vyššia je koncentrácia opačných OH iónov -), je vede už dlho známy. Avšak až v roku 1909 dánsky chemik Sørensen prvýkrát zverejnil výskum, v ktorom použil koncept vodíkového indexu – PH, neskôr nahradeného pH.
Výpočet kyslosti
Pri výpočte pH indexu sa predpokladá, že molekuly vody v roztoku, aj keď vo veľmi malých množstvách, stále disociujú na ióny. Táto reakcia sa nazýva autoprotolýza vody:
H2O H+ + OH-
Reakcia je reverzibilná, preto je pre ňu definovaná rovnovážna konštanta (ukazujúca priemerné koncentrácie každej zložky). Tu je hodnota konštanty pre štandardné podmienky - teplota 22 °C.
Nižšie v hranatých zátvorkách - molárne koncentrácie uvedených zložiek. Molárna koncentrácia vody vo vode je približne 55 mol/liter, čo je hodnota druhého rádu. Preto je súčin koncentrácií iónov H+ a OH- asi 10-14. Táto hodnota sa nazýva iónový produkt vody.
V čistej vode sú koncentrácie vodíkových iónov a hydroxidových iónov 10-7. Hodnota pH vody bude teda približne 7. Táto hodnota pH sa považuje za neutrálne prostredie.
Ďalej musíte odvrátiť zrak od vody a zvážiť roztok nejakej kyseliny alebo zásady. Vezmite si napríklad kyselinu octovú. Iónový produkt vody zostane rovnaký, ale rovnováha medzi iónmi H+ a OH- sa posunie smerom k prvému: vodíkové ióny sa pochádzajú z čiastočne disociovanej kyseliny octovej a "extra" hydroxidové ióny prejdú do nedisociovaných molekúl vody. Koncentrácia vodíkových iónov bude teda vyššia a pH nižšie (nie je potrebnézabudnite, že logaritmus sa berie so znamienkom mínus). Kyslé a alkalické teda súvisia s pH. A sú spojené nasledujúcim spôsobom. Čím je hodnota pH nižšia, tým je prostredie kyslejšie.
Kyslé vlastnosti
Kyslé prostredie sú roztoky s pH menším ako 7. Treba poznamenať, že aj keď hodnota iónového produktu vody na prvý pohľad limituje hodnoty pH v rozmedzí od 1 do 14, v skutočnosti existujú roztoky s pH menším ako jedna (a dokonca menším ako nula) a vyšším ako 14. Napríklad v koncentrovaných roztokoch silných kyselín (sírová, chlorovodíková) môže pH dosiahnuť -2.
Rozpustnosť určitých látok môže závisieť od toho, či máme kyslé alebo zásadité prostredie. Vezmite napríklad hydroxidy kovov. Rozpustnosť je určená hodnotou produktu rozpustnosti, ktorý má rovnakú štruktúru ako iónový produkt vody: násobené koncentrácie. V prípade hydroxidu produkt rozpustnosti zahŕňa koncentráciu kovového iónu a koncentráciu hydroxidových iónov. V prípade nadbytku vodíkových iónov (v kyslom prostredí) aktívnejšie „vytiahnu“hydroxidové ióny zo zrazeniny, čím posunú rovnováhu smerom k rozpustenej forme, čím sa zvýši rozpustnosť zrazeniny.
Za zmienku stojí aj fakt, že celý ľudský tráviaci trakt má kyslé prostredie: pH žalúdočnej šťavy sa pohybuje od 1 do 2. Odchýlka od týchto hodnôt nahor alebo nadol môže byť príznakom rôznych chorôb.
Vlastnosti alkalického média
Bv alkalickom prostredí nadobúda hodnota pH hodnoty vyššie ako 7. Pre pohodlie v prostrediach s vysokou koncentráciou hydroxidových iónov je pH indikátor kyslosti nahradený pH indikátorom zásaditosti pOH. Je ľahké uhádnuť, že označuje hodnotu rovnajúcu sa -lg[OH-] (záporný dekadický logaritmus koncentrácie hydroxidových iónov). Priamo z iónového produktu vody vyplýva rovnosť pH + pOH=14. Preto pOH=14 - pH. Teda pre všetky tvrdenia, ktoré sú pravdivé pre pH index, sú opačné tvrdenia pravdivé pre pOH index zásaditosti. Ak je pH alkalického média podľa definície veľké, potom je jeho pOH zjavne malé a čím silnejší je alkalický roztok, tým nižšia je hodnota pOH.
Táto veta práve zaviedla logický paradox, ktorý mätie mnohé diskusie o kyslosti: nízka kyslosť znamená vysokú kyslosť a naopak: vysoké hodnoty pH zodpovedajú nízkej kyslosti. Tento paradox sa objavuje, pretože logaritmus sa berie so znamienkom mínus a stupnica kyslosti je akoby prevrátená.
Praktická definícia kyslosti
Na určenie kyslosti média sa používajú takzvané indikátory. Zvyčajne ide o pomerne zložité organické molekuly, ktoré menia svoju farbu v závislosti od pH média. Indikátor mení farbu vo veľmi úzkom rozsahu pH: používa sa pri acidobázických titráciách na dosiahnutie presných výsledkov: titrácia sa zastaví hneď, ako indikátor zmení farbu.
Najznámejšie ukazovatele sú metyloranžová (interval prechodu v oblasti s nízkym pH), fenolftaleín (interval prechodu v oblasti s vysokým pH), lakmus, tymolová modrá a iné. V kyslom prostredí a v alkalickom prostredí sa používajú rôzne indikátory v závislosti od oblasti, v ktorej leží ich interval prechodu.
Existujú aj univerzálne indikátory – pri prechode zo silne kyslého do silne zásaditého prostredia menia svoju farbu postupne od červenej až po sýtu fialovú. V skutočnosti sú univerzálne ukazovatele zmesou bežných.
Na presnejšie určenie kyslosti sa používa prístroj - pH meter (potenciometer, resp. metóda sa nazýva potenciometria). Jeho princíp činnosti je založený na meraní EMF v obvode, ktorého prvkom je roztok s nameraným pH. Potenciál elektródy ponorenej do roztoku je citlivý na koncentráciu vodíkových iónov v roztoku – preto zmena EMF, na základe ktorej sa vypočítava skutočné pH.
Kyslosť rôznych prostredí v každodennom živote
Index kyslosti má v každodennom živote veľký význam. Ako konzervačné látky sa používajú napríklad slabé kyseliny - octová, jablčná. Alkalické roztoky sú detergenty vrátane mydla. Najjednoduchším mydlom sú sodné soli mastných kyselín. Vo vode disociujú: zvyšok mastnej kyseliny - veľmi dlhý - má na jednej strane negatívny náboj a na druhej strane dlhý nepolárny reťazec atómov uhlíka. Tokoniec molekuly, na ktorom sa náboj zúčastňuje hydratácie, okolo seba zbiera molekuly vody. Druhý koniec sa pripája k iným nepolárnym veciam, ako sú molekuly tuku. V dôsledku toho vznikajú micely - guľôčky, v ktorých trčia "chvosty" s negatívnym nábojom a vo vnútri sa ukrývajú "chvosty" a čiastočky tuku a nečistôt. Povrch je umytý od mastnoty a nečistôt vďaka tomu, že saponát naviaže všetku mastnotu a nečistoty do takýchto miciel.
Kyslosť a zdravie
Už bolo spomenuté, že pH má pre ľudský organizmus veľký význam. Okrem tráviaceho traktu je dôležité kontrolovať index kyslosti aj v iných častiach tela: krvi, slinách, pokožke – kyslé a zásadité prostredie má veľký význam pre mnohé biologické procesy. Ich definícia vám umožňuje posúdiť stav tela.
Teraz získavajú na popularite testy pH - takzvané expresné testy na kontrolu kyslosti. Sú to pravidelné prúžky univerzálneho indikátorového papierika.
