Rūgštys ir šarmai yra dvi kraštinės tos pačios skalės pozicijos: jų savybes (visiškai priešingas) lemia ta pati reikšmė – vandenilio jonų koncentracija (H+). Tačiau pats savaime šis skaičius yra labai nepatogus: net ir rūgščioje aplinkoje, kur vandenilio jonų koncentracija didesnė, šis skaičius yra šimtosios, tūkstantosios vieneto dalys. Todėl patogumo sumetimais jie naudoja šios vertės dešimtainį logaritmą, padaugintą iš minus vieno. Įprasta sakyti, kad tai yra pH (potencia Hydrogen) arba vandenilio indikatorius.
Sąvokos atsiradimas
Apskritai tai, kad rūgščią ir šarminę aplinką lemia vandenilio jonų H + koncentracija ir kuo didesnė jų koncentracija, tuo tirpalas rūgštesnis (ir atvirkščiai, tuo mažesnis H + koncentracija, kuo šarmingesnė aplinka ir didesnė priešingų OH jonų koncentracija -), mokslui žinoma jau seniai. Tačiau tik 1909 m. danų chemikas Sørensenas pirmą kartą paskelbė tyrimą, kuriame panaudojo vandenilio indekso sąvoką – PH, vėliau pakeistą pH.
Rūgštingumo apskaičiavimas
Skaičiuojant pH indeksą, daroma prielaida, kad vandens molekulės tirpale, nors ir labai mažais kiekiais, vis tiek disocijuoja į jonus. Ši reakcija vadinama vandens autoprotolize:
H2O H+ + OH-
Reakcija yra grįžtama, todėl jai nustatoma pusiausvyros konstanta (rodoma kiekvieno komponento vidutinė koncentracija). Čia yra standartinių sąlygų konstantos reikšmė – temperatūra 22 °C.
Žemiau laužtiniuose skliaustuose – nurodytų komponentų molinės koncentracijos. Molinė vandens koncentracija vandenyje yra maždaug 55 mol/l, tai yra antros eilės reikšmė. Todėl H+ ir OH- jonų koncentracijų sandauga yra apie 10-14. Ši vertė vadinama joniniu vandens produktu.
Gryname vandenyje vandenilio jonų ir hidroksido jonų koncentracijos yra 10-7. Atitinkamai, vandens pH vertė bus maždaug 7. Ši pH vertė laikoma neutralia aplinka.
Toliau turite nukreipti žvilgsnį nuo vandens ir apsvarstyti rūgšties ar šarmo tirpalą. Paimkite, pavyzdžiui, acto rūgštį. Vandens joninis produktas išliks toks pat, tačiau pusiausvyra tarp jonų H+ ir OH- pasislinks link buvusiojo: vandenilio jonai gaunami iš iš dalies disocijuotos acto rūgšties, o „papildomi“hidroksido jonai pateks į nedisocijuotas vandens molekules. Taigi vandenilio jonų koncentracija bus didesnė, o pH mažesnis (nereikiapamiršti, kad logaritmas imamas su minuso ženklu). Atitinkamai, rūgštinis ir šarminis yra susiję su pH. Ir jie yra sujungti tokiu būdu. Kuo mažesnė pH vertė, tuo aplinka rūgštesnė.
Rūgštinės savybės
Rūgštinė aplinka yra tirpalai, kurių pH yra mažesnis nei 7. Reikia pažymėti, kad nors joninio vandens produkto vertė iš pirmo žvilgsnio riboja pH reikšmes nuo 1 iki 14, iš tikrųjų yra tirpalų, kurių pH yra mažesnis nei vienas (ir net mažesnis už nulį) ir didesnis nei 14. Pavyzdžiui, koncentruotuose stiprių rūgščių (sieros, druskos rūgšties) tirpaluose pH gali siekti -2.
Tam tikrų medžiagų tirpumas gali priklausyti nuo to, ar mūsų aplinka yra rūgštinė, ar šarminė. Pavyzdžiui, paimkite metalų hidroksidus. Tirpumas nustatomas pagal tirpumo produkto vertę, kuri savo struktūra yra tokia pati kaip vandens jonų produktas: padaugintos koncentracijos. Hidroksido atveju tirpumo produktas apima metalo jonų koncentraciją ir hidroksido jonų koncentraciją. Esant vandenilio jonų pertekliui (rūgščioje aplinkoje), jie aktyviau „ištrauks“hidroksido jonus iš nuosėdų, taip perkeldami pusiausvyrą link ištirpusios formos, padidindami nuosėdų tirpumą.
Verta paminėti ir tai, kad visame žmogaus virškinamajame trakte vyrauja rūgštinė aplinka: skrandžio sulčių pH svyruoja nuo 1 iki 2. Nukrypimas nuo šių dydžių aukštyn arba žemyn gali būti įvairių ligų požymis.
Šarminės terpės savybės
Bšarminėje aplinkoje pH reikšmė įgauna didesnes nei 7. Patogumui aplinkoje, kurioje yra didelė hidroksido jonų koncentracija, rūgštingumo pH indikatorius pakeičiamas šarmingumo pH indikatoriumi pOH. Nesunku atspėti, kad jis žymi reikšmę, lygią -lg[OH-] (neigiamas dešimtainis hidroksido jonų koncentracijos logaritmas). Tiesiogiai iš joninio vandens produkto gaunama lygybė pH + pOH=14. Todėl pOH=14 - pH. Taigi visiems teiginiams, kurie yra teisingi pH indeksui, priešingi teiginiai yra teisingi pOH baziškumo indeksui. Jei šarminės terpės pH pagal apibrėžimą yra didelis, tada jos pOH yra akivaizdžiai mažas, ir kuo stipresnis šarmo tirpalas, tuo mažesnė pOH reikšmė.
Šis sakinys ką tik įvedė loginį paradoksą, kuris painioja daugelį diskusijų apie rūgštingumą: mažas rūgštingumas rodo didelį rūgštingumą, ir atvirkščiai: didelės pH vertės atitinka mažą rūgštingumą. Šis paradoksas atsiranda todėl, kad logaritmas imamas su minuso ženklu, o rūgštingumo skalė yra tarsi apversta.
Praktinis rūgštingumo apibrėžimas
Terpės rūgštingumui nustatyti naudojami vadinamieji indikatoriai. Paprastai tai yra gana sudėtingos organinės molekulės, kurios keičia spalvą priklausomai nuo terpės pH. Indikatorius keičia spalvą labai siaurame pH diapazone: tai naudojamas rūgščių ir šarmų titravimui, kad būtų pasiekti tikslūs rezultatai: titravimas sustabdomas, kai tik indikatorius pakeičia spalvą.
Žymiausi rodikliai yra metilasoranžinė (pereinamasis intervalas žemo pH regione), fenolftaleinas (pereinamasis intervalas aukšto pH regione), lakmusas, timolio mėlynasis ir kt. Rūgščioje ir šarminėje aplinkoje naudojami skirtingi indikatoriai, atsižvelgiant į sritį, kurioje yra jų perėjimo intervalas.
Taip pat yra universalių indikatorių – jie palaipsniui keičia spalvą iš raudonos į sodriai violetinę, pereinant iš stipriai rūgštinės aplinkos į stipriai šarminę. Tiesą sakant, universalūs rodikliai yra įprastų rodiklių mišinys.
Tikslesniam rūgštingumui nustatyti naudojamas prietaisas – pH matuoklis (potenciometras, metodas atitinkamai vadinamas potenciometrija). Jo veikimo principas pagrįstas EML matavimu grandinėje, kurios elementas yra tirpalas su išmatuotu pH. Į tirpalą panardinto elektrodo potencialas yra jautrus vandenilio jonų koncentracijai tirpale – taigi ir EML pokytis, kurio pagrindu apskaičiuojamas tikrasis pH.
Įvairios aplinkos rūgštingumas kasdieniame gyvenime
Rūgštingumo indeksas yra labai svarbus kasdieniame gyvenime. Pavyzdžiui, silpnos rūgštys – acto, obuolių – naudojamos kaip konservantai. Šarminiai tirpalai yra plovikliai, įskaitant muilą. Paprasčiausias muilas yra riebalų rūgščių natrio druskos. Vandenyje jie disocijuoja: riebalų rūgščių liekana – labai ilga – iš vienos pusės turi neigiamą krūvį, o iš kitos – ilgą nepolinę anglies atomų grandinę. Taimolekulės galas, kuriame krūvis dalyvauja hidratacijoje, aplink save surenka vandens molekules. Kitas galas prisitvirtina prie kitų nepolinių dalykų, pavyzdžiui, riebalų molekulių. Dėl to susidaro micelės – rutuliukai, kuriuose kyša „uodegėlės“su neigiamu krūviu, o viduje pasislėpusios „uodegėlės“ir riebalų bei nešvarumų dalelės. Paviršius nuplaunamas nuo riebalų ir nešvarumų dėl to, kad ploviklis visus riebalus ir nešvarumus suriša į tokias miceles.
Rūgštingumas ir sveikata
Jau buvo minėta, kad pH turi didelę reikšmę žmogaus organizmui. Be virškinamojo trakto, svarbu kontroliuoti rūgštingumo indeksą ir kitose kūno vietose: kraujyje, seilėse, odoje – rūgštinė ir šarminė aplinka turi didelę reikšmę daugeliui biologinių procesų. Jų apibrėžimas leidžia įvertinti kūno būklę.
Dabar populiarėja pH testai – vadinamieji greitieji rūgštingumo tikrinimo testai. Tai įprastos universalaus indikatorinio popieriaus juostelės.
