pH-ul soluţiilor apoase

Sigur ați observat că suntem înconjurați de tot felul de referințe la pH.

Avem șampon cu pH echilibrat și săpun și gel de duș cu pH echilibrat și tot felul de alte produse cosmetice sau de higiene.

Majoritatea oamenilor știu probabil că pH-ul are legătură cu aciditatea sau cu bazicitatea substantelor

și că un pH echilibrat se refere la un pH neutru egal cu 7.

Dar ce reprezintă de fapt pH-ul și de ce este notat în acest fel și mai ales de ce este atât de important?

Probabil cel mai ușor ne este să răspundăm la întrebarea de ce se notează așa întotdeauna cu P mic și cu litera H mare.

Este ușor să răspundem la întrebarea asta tocmai pentru că nu există un răspuns concret.

Nu se știe de fapt sigur de la ce vine acel P din pH, deoarece chimistul danez Soren Sorensen, care a introdus scala de pH,

nu și-a explicat niciodată foarte clar raționamentul de a nota astfel pH-ul.

Dar cum H vine sigur de la hidrogen, ne ajută să ne gândim că P se referă la puterea ionilor de hidrogen,

lucru ce are legătură de altfel cu semnificația termenului de pH.

Asta deoarece atât aciditatea cât și bazicitatea soluțiilor sunt strâns legate de existența ionilor de hidrogen sau a protonilor în soluție.

Deci ne putem gândi la pH ca la o măsură a puterii sau a tăriei caracterului acid sau bazic a unei substanțe.

Și totul se învârte în jurul unei substanțe despre care am tot vorbit și anume apa.

Dar înainte să discutăm iarăși despre apă, haideți să vedem de ce e atât de important să cunoaștem și să ținem sub control nivelul pH-ului.

Practic orice proces biologic este dependent de pH, reflectând importanța pH-ului local asupra tuturor proceselor care au loc în celulele noastre.

Să luăm exemplul mioglobinei.

Mioglobina e o proteină care se găsește în țesutul nostru musculat.

La pH 6, mioglobina are o activitate maximă, funcționează cel mai bine, deci și mușchii noștri funcționează foarte bine.

Mioglobina funcționează și de la pH 5 și până la pH 7.

Dar dacă pH-ul scade sub 5 sau crește mai mult de 7, mioglobina se va denatura iar mușchii noștri nu vor mai funcționa.

Deci este important ca nivelul pH-ului să rămână constant.

Revenind la apă, cred că vă mai amintiți că am tot vorbit despre cât de specială este apa.

În general, considerăm apa ca fiind o soluție neutră, fără caracter bazic și fără caracter acid.

Și totuși, apa este conducătoare de electricitate, deși conduce foarte puțin curentul electric.

Asta pentru că totuși apa conține ion hidroniu și ion hidroxid în cantități foarte mici.

După cum știm deja, apa este un amfolit acidobazic.

Deci poate funcționa fie ca un acid, donând un proton unei alte molecule de apă și transformându-se într-un ion hidroxid,

sau poate funcționa ca bază, acceptând un proton și transformându-se într-un ion hidroniu.

Și astfel, obținem reacția de autoprotoniză sau de ionizare a apei.

Această reacție se întâmplă deoarece, ocazional, au loc anumite schimbări întâmplătoare în câmpul electric al moleculelor de apă.

Dacă vă mai amintiți, am zis că moleculele de apă sunt într-o mișcare continuă răstogolindu-se unele peste altele și formând legături de hidrogen între ele.

Probabil că uneori, în tot vacarmul acela de molecule, unele se apropie prea tare de altele,

iar hidrogenul unei molecule de apă este atras de sargina parțial negativă a altei molecule de apă

și, fiind foarte aproape, se poate desprinde de molecula lui și poate forma un ion hidroniu cu cealaltă moleculă.

De aceea, apa este un amfolit. Poate atât să doneze cât să și accepte proton.

Această disociere a apei este reversibilă.

De fapt, ionii hidroniu și hidroxid vor forma din nou cele două molecule de apă în mai puțin de o secundă.

Deci, această reacție de autoprotoliză are loc chiar dacă se întâmplă atât de rapid.

Și aplicând legea acțiunii maselor asupra echilibrului reacției de autoprotoliză,

obținem constanta de echilibru K egală cu concentrația molară a ionilor hidroniu

ori concentrația molară a ionilor hidroxid, supra concentrația molară a apei, la puterea a doua,

pentru că avem două molecule de apă în reacție.

Oricum, într-un moment dat, adică într-un moment în care am reușit să oprim moleculele de apă ca într-un stop cadru și ne-am apucat să numărăm,

am observat că numai un număr foarte, foarte, foarte mic de molecule sunt disociate în ion.

De fapt, chimiștii cunosc foarte bine acest număr.

Numai o moleculă din câteva sute de milioane de molecule de apă ionizează.

De aceea, se consideră că valoarea concentrației molare a apei, la puterea a doua, este constantă.

Iar produsul dintre constanta de echilibru a reacției de autoprotoliză și această constantă

va fi tot o constantă pe care o notăm cu K-indice W.

Indicele W vine de la denumirea în engleză a apei și anume water.

Această constantă care este egală cu produsul dintre concentrația ionilor hidroxid și concentrația ionilor hidroniu

se numește produsul ionic al apei.

Deci, pentru că e vorba de o reacție atât de specială, constanta are numele ei propriu.

Apa pură este neutră, deoarece ea cumține un număr egal de ion hidroniu și de ion hidroxid

care se formează la ionizare.

La 25 grade Celsius, concentrația ionilor hidroniu, care este egală cu concentrația ionilor hidroxid,

este de 1 ori 10 la minus 7 mol pe litru.

Practic, asta înseamnă că o moleculă din 10 milioane este ion hidroniu,

iar o altă moleculă din alte 10 milioane este ion hidroxid.

Și, după cum am mai spus, chimiștii cunosc foarte bine valoarea produsului ionic al apei la 25 grade Celsius

în apa pură sau în soluție apoasă.

Produsul ionic al apei este egal cu 1 ori 10 la minus 7, totul la puterea a doua, mol pe litru,

adică este egal cu 1 ori 10 la minus 14 mol pe litru.

Dacă adăugăm acid în apă pură, se înmărește concentrația de ion hidroniu.

Și pentru că produsul ionic al apei este o constantă, deci va rămâne tot 10 la minus 14,

înseamnă că o să scadă concentrația de ion hidroxid din soluție.

Așadar, în soluțiile acide, concentrația ionilor hidroniu este mai mare decât concentrația ionilor hidroxid.

În soluțiile bazice, concentrația ionilor hidroniu este mai mică decât concentrația ionilor hidroxid.

Iar în soluțiile neutre, cele două concentrații sunt egale.

De aceea, pentru a măsura caracterul acid sau bazic al soluțiilor,

se putem folosi în special de concentrația ionilor hidroniu.

Totuși, există o mică problemă aici.

Am văzut că acești ioni se găsesc în concentrații foarte, foarte mici în soluții.

10 la minus 7 este un număr foarte mic, este 0,0000001 mol pe litru.

Ca să nu mai zic de 10 la minus 14.

Nu e de mirare că oamenii de știință s-au săturat de atâtea calcule.

De aceea, când în 1909 Soren Sorensen a introdus scala de pH, aceasta a fost primită cu bratele deschise.

Bun, am zis mai devreme că pH-ul este o măsură pentru tăria bazicității sau acidității soluțiilor apoase,

dar cum anume putem ajunge să măsurăm asta.

Rolul principal este jucat de ionii de hidrogen.

E bine, realitate nu de ionii de hidrogen ci de ionii hidroniu,

dar atunci, de mult, acum mai bine de 100 de ani când s-a introdus scala de pH,

s-a introdus și această simplificare, nu neapărat corectă,

pentru că noi știm acum că ionii de hidrogen sau protonii nu există în stare liberă în soluție.

Definiția matematică a pH-ului este aceasta.

pH-ul este egal cu minus logarit decimal din concentrația ionilor de hidrogen existenți în soluție

sau, mai corect spus, din concentrația ionilor hidroniu.

Probabil deja v-a uitat speriat la definiție, dar nu este cazul.

Oamenii de știință sunt foarte bun prieteni cu logaritmi.

Poate că unii dintre voi nu ați ajuns încă la matematică, la capitolul cu logaritmi.

Nu e nicio problemă, ba, din contră, o să vă ajute foarte mult pe viitor la matematică

faptul că voi deja v-ați întâlnit cu logaritmul decimal sau, i se mai spune, logaritm în baza 10.

Știm că în apa pură, la 25 de grad de Celsius, s-a determinat o concentrație de ion hidroniu

de 1 ori 10 la minus 7 moli pe litru.

Acest minus 7 reprezintă logaritmul nostru decimal.

Eliminăm semnul minus și obținem pH-ul 7.

Deci logaritmul este, de fapt, exponentul puterii la care trebuie ridicat un alt număr numit bază

pentru a se obține numărul dat.

Poate vă pare complicat, dar este foarte, foarte simplu.

Logaritmul în baza 10 din x este egal cu y.

Logaritmul în baza 10 se mai notează pe scurt lg pentru că e foarte desutilizat și e mult mai simplu de notat așa.

Deci logaritm decimal din 100 este egal cu 2.

Asta pentru că 10 la puterea a doua este egal cu 100.

Sau logaritm decimal din 0,1 este egal cu minus 1.

Asta pentru că 10 la puterea minus 1 este egal cu 0,1.

pH-ul la peipure este egal cu minus logaritm din concentrația ionilor de hidrogen,

sau, mă rog, de hidroniu, adică este egal cu minus logaritm din 1 ori 10 la minus 7

și obținem astfel un pH egal cu 7.

Și dacă tot nu v-am convins că logaritmul decimal este simplu, putem să definim pH-ul în acest fel.

Concentrația de ion hidroniu este egală cu 10 la minus pH.

Deci pH-ul unei soluții este egal cu puterea cu semn schimbată a concentrației molare a ionilor de hidroniu dintr-o soluție.

De exemplu, o soluție în care concentrația ionilor hidroniu este 0,1 mol pe litru va avea pH-ul egal cu 1.

Deci concentrația ionilor de hidroniu este egal cu 10 la minus 1 mol pe litru.

Deci pH-ul este egal cu puterea cu semn schimbată a concentrației, deci cu plus 1.

Ori revenind la apa pură, concentrația ionilor hidroniu este egală cu 1 ori 10 la minus 7

și pH-ul este egal cu 7.

Iar aceasta, valoarea pH-ului apei pure, este baza scalei de pH.

pH-ul apei este 7, deci se află la mijlocul scalei.

Soluțiile cu pH mai mic decât 7 sunt acizi, iar soluțiile cu pH mai mare decât 7 sunt baze.

Legat de scala de pH, e foarte important să ținem minte că pH-ul este calculat dintr-un logaritm negativ.

E vorba de acel minus din definiția matematică a pH-ului.

Asta înseamnă că lucrurile stau puțin pe dos.

Când crește concentrația de ion de hidrogen dintr-o soluție, pH-ul scade.

Iar când concentrația de ion de hidrogen din soluție scade, pH-ul crește.

Avem apă pură cu concentrația de ion de hidrogen egală cu 1 ori 10 la minus 7, adică egală cu 0.0000001 mol pe litru și deci cu pH-ul 7.

Dacă adăugăm în apă un acid precum sucul de lămâie, concentrația de ion de hidrogen crește la 1 ori 10 la minus 3 mol pe litru.

Adică este egală cu 0.001 mol pe litru și rezultă că pH-ul este egal cu 3.

Deci vedem că avem o concentrație de ion hidroniu de 10.000 de ori mai mare decât în cazul precedent, dar pH-ul a scăzut.

Pe de altă parte, pornind tot de la o soluție de apă pură, dacă adăugăm o bază în apă precum amoniacul, aceasta ar consuma ionii de hidrogen existenții în apă.

Și atunci concentrația de ion hidroniu poate să scadă până la 1 ori 10 la minus 11 mol pe litru, ceea ce înseamnă un număr cu multe, multe 0-uri după virgulă și corespunde unui pH egal cu 11.

Concentrația de ion hidroniu este de 1000 de ori mai mică decât în cazul apei, dar pH-ul este mai mare.

Așadar, vedem că de fapt logaritmii sunt prietenii noștri pentru că ne ajută foarte mult atunci când trebuie să lucrăm cu numere foarte, foarte mici sau cu numere foarte mari.

Scala de pH cuprinde valori de la 0 la 14, cu numerele între 0 și 7 reprezentând acizii și cu numerele între 7 și 14 reprezentând bazele.

Acizitari, după cum am mai zis lecția trecută, ionizează complet, deci donează foarte rapid mulți ioni de hidrogen, scăzând imediat pH-ul unei soluții.

Acizitari au, în general, pH foarte scăzut.

Acizii slabi, care disocează incomplet, eliberează mai puțin ion de hidrogen, deci au valori ale pH-ului de la 4 la 6.

Bazele tari, precum hidroxidul de sodiu, consumă foarte mulți ioni de hidrogen din soluție.

În consecință, concentrația de ion de hidrogen scade, deci pH-ul bazelor tari va fi foarte ridicat.

Bazele slabe, precum bicarbonatul de sodiu, consumă mai puțin ion de hidrogen și au, de obicei, un pH între 8 și 11.

Teoretic, pH-ul neutru este 7,0.

Însă, practic, sunt considerate soluții neutre soluțiile care au pH-ul între 6 și 8.

Pentru foarte multe procese chimice este foarte important să se cunoască valoarea pH-ului soluțiilor,

mai ales procesele biochimice au loc la valori bine determinate ale pH-ului.

În laborator, valoarea aproximativă a pH-ului soluțiilor poate fi determinată cu ajutorul hârtiei indicatoare de pH.

Aceasta se colorează diferit pentru diferite valori ale pH-ului.

Când este vorba de pH, în anumite cărți de chimie sau cu legeri de probleme, autorii notează concentrația ionilor hidroniu,

ca și cum ar fi concentrația ionilor de hidrogen.

Este o simplificare și sunt considerate corecte amândouă notațiile.

Trebuie doar să ținem noi minte că ionii de hidrogen nu există liberi în soluție,

ci de obicei, sub formă de ion hidroniu, s-au atașat de alte molecule.

Până acum am văzut cât de important este să putem monitoriza transferul de protoni în reacțiile acidobazice.

Începând cu lecția viitoare, vom studia și transferul de electroni, deci vom vorbi despre reacțiile de oxidoreducere.