Кислоти і луги - два крайніх положення однієї шкали: їх властивості (абсолютно протилежні) обумовлює одна і та ж величина - концентрація іонів водню (H + ). Однак саме по собі це число дуже незручне: навіть у кислих середовищах, де концентрація іонів водню вище, це число складає соті, тисячні частки одиниці. Тому для зручності користуються десятковим логарифмом цього значення, помноженим на мінус один. Прийнято говорити, що це pH (potentia Hydrogen), або ж водневий показник.

Виникнення поняття

Взагалі той факт, що кисле середовище і лужне середовище визначаються концентрацією іонів водню H+ і що чим вище концентрація, тим розчин більш кислий (і навпаки, чим нижче концентрація H+, тим більш лужне середовище і більша концентрація протилежних іонів OH-), був відомий науці досить давно. Однак лише в 1909 році датський хімік Серенсен вперше опублікував дослідження, в яких користувався поняттям водневого показника - PH, згодом замінили на pH.

Розрахунок кислотності

При розрахунку водневого показника виходять з того, що молекули води в розчині, хоч і в дуже малих кількостях, все ж дисоціюють на іони. Ця реакція називається автопротолизом води:

H 2 O --> H + + OH - Реакція оборотна, тому для неї визначена константа рівноваги (показує, які в середньому встановлюються концентрації кожного компонента). Тут дано значення константи для стандартних умов - температури 22 °С. Внизу в квадратних дужках - молярні концентрації зазначених компонентів. Молярна концентрація води в воді - приблизно 55 моль/літр, тобто величина другого порядку. Отже, добуток концентрацій іонів H + і OH - - близько 10 -14 . Ця величина називається іонним добутком води. В чистій воді концентрації іонів водню і гідроксид-іонів рівні 10 -7 . Відповідно, водневий показник води буде приблизно 7. Це значення pH приймають за нейтральне середовище. Далі потрібно відволіктися від води і розглянути розчин якої-небудь кислоти або лугу. Візьмемо, наприклад, оцтову кислоту. Іонний добуток води залишиться колишнім, однак баланс між іонами H + і OH - зміститься в бік перших: іони водню прийдуть від частково продиссоциировавшей оцтової кислоти, а "зайві" гідроксид-іони підуть у недиссоциировавшие молекули води. Таким чином, концентрація іонів водню буде вище, і pH буде менше (не треба забувати, що логарифм береться зі знаком "мінус"). Відповідно, кисле середовище і лужне середовище пов'язані з pH. І пов'язані наступним чином. Чим менше значення водневого показника, тим більш кисле середовище.

Властивості кислого середовища

Кисле середовище - це розчини з рн менше 7. Слід обмовитися, що, хоча значення йонного добутку води на перший погляд обмежує значення водневого показника в межах від 1 до 14 насправді розчини з рн менше одиниці (і навіть менше нуля) і більше 14 існують. Наприклад, у концентрованих розчинах сильних кислот (сірчаної, соляний) pH може досягати -2. Від того, маємо ми кисле середовище або середовище лужне, може залежати розчинність деяких речовин. Наприклад, візьмемо гідроксиди металів. Розчинність визначається величиною добутку розчинності, яке за структурою є те ж, що і іонний добуток води: перемножений концентрації. У випадку з гідроксидом в добуток розчинності входить концентрація іона металу і концентрація гідроксид-іонів. У разі надлишку іонів водню (у кислому середовищі) вони будуть активніше "виривати" гідроксид-іони з осаду, тим самим зміщуючи рівновагу в бік розчиненої форми, підвищуючи розчинність осаду. Також варто згадати, що весь травний тракт людини має кисле середовище: pH шлункового соку коливається від 1 до 2. Відхилення від цих значень в меншу або більшу сторону може бути ознакою різних захворювань.

Властивості лужного середовища

В лужному середовищі водневий показник приймає значення, що перевищують 7. Для зручності в середовищах з високою концентрацією гідроксид-іонів замість водневого показника кислотності pH користуються показником основності pOH. Неважко здогадатися, що він позначає величину, рівну -lg[OH-](від'ємний десятковий логарифм концентрації гідроксид-іонів). Безпосередньо з іонного добутку води слід рівність pH + pOH =14. Тому pOH = 14 - pH. Таким чином, у всіх тверджень, вірних для показника кислотності pH, вірні зворотні твердження для показника основності pOH. Якщо pH лужного середовища великий за визначенням, то її pOH, очевидно, маленький, і чим сильніше розчин лугу, тим менше показник pOH.
У цьому реченні тільки що з'явився логічний парадокс, що вносить плутанину в багато міркування про кислотності: маленький показник кислотності позначає високу кислотність середовища, і навпаки: великі значення pH відповідають низькій кислотності. Цей парадокс з'являється тому, що логарифм береться зі знаком мінус, і шкала кислотності як би інвертується.

Практичне визначення кислотності

Для визначення кислотності середовища застосовуються так звані індикатори. Зазвичай це досить складно влаштовані органічні молекули, які міняють свій колір залежно від pH середовища. Індикатор змінює свій колір в дуже вузькому інтервалі pH: це використовується в кислотно-основному титруванні, щоб домогтися точних результатів: титрування припиняють, як тільки індикатор змінює колір. Найбільш відомі індикатори - метиловий оранжевий (інтервал переходу в області з маленьким pH), фенолфталеїн (інтервал переходу в області з великим pH), лакмус, тимолової блакитний та інші. У кислих середовищах і лужних середовищах застосовуються різні індикатори залежно від того, в якій області лежить їх інтервал переходу. Існують також універсальні індикатори - вони змінюють свій колір поступово з червоного на глибоко фіолетовий при переході з сильно кислотних середовищ в сильно лужні. Насправді універсальні індикатори являють собою суміш із звичайних. Для більш точного визначення кислотності використовують прилад - pH-метр (потенціометр, метод, відповідно, називається потенціометрія). Його принцип роботи заснований на вимірюванні ЕРС ланцюга, елементом якої є розчин з вимірюваним pH. Потенціал електрода, зануреного в розчин, чутливий до концентрації іонів водню в розчині - звідси зміна ЕРС, на підставі якого розраховується реальний pH.

Кислотність різних середовищ в побуті

Показник кислотності має велике значення в повсякденному житті. Наприклад, слабкі кислоти - оцтова, яблучна - використовуються в якості консервантів. Лужні розчини є миючими засобами, в тому числі і мило. Саме просте мило являє собою натрієві солі жирних кислот. У воді вони дисоціюють: залишок жирної кислоти - дуже довгий - з одного боку має негативний заряд, а з іншого боку - довгу неполярних ланцюжок атомів вуглецю. Той кінець молекули, на якому заряд бере участь у гідратації, збирає навколо себе молекули води. Другий кінець приєднується до інших неполярним речей, наприклад, молекул жиру. В результаті утворюються міцели - кульки, у яких назовні стирчать "хвости" з негативним зарядом, а всередині заховані "хвости" і частинки жиру і бруду. Поверхня відмивається від жиру та бруду, за рахунок того, що миючий засіб зв'язує весь жир і бруд у такі міцели.

Кислотність і здоров'я

Вже було згадано, що pH має велике значення для людського організму. Крім травного тракту, показник кислотності важливо контролювати і в інших частинах організму: кров, слина, шкіра - для багатьох біологічних процесів мають велике значення кисле середовище і лужне середовище. Їх визначення дозволяє оцінити стан організму. Зараз набирають популярність pH-тести - так звані експрес-тести для перевірки кислотності. Вони являють собою звичайні смужки універсального індикаторного паперу.