Przypomnijcie sobie:
• reakcję zobojętnienia - to reakcja miądzy kwasem i zasadą, w rezultacie której tworzy się sól i woda;
• pod pojęciem czystej wody chemicy rozumieją chemicznie czystą wodę, która nie zawiera żadnych domieszek i rozpuszczonych soli, czyli wodę destylowaną.
Kwasowość środowiska
Dla różnych procesów chemicznych, przemysłowych i biologicznych bardzo ważną właściwością jest kwasowość roztworów, która określa ilość kwasu albo zasad w roztworach. Ponieważ kwasy i alkalia (zasady) są elektrolitami, to dla charakterystyki kwasowości środowiska wykorzystuje się zawartość jonów H+ lub OH-.
W czystej wodzie i w dowolnym roztworze wraz z cząsteczkami substancji rozpuszczonych są również jony H+ i OH-. Proces ten zachodzi dzięki dysocjacji samej wody. I chociaż uważamy wodę za nieelektrolit, tym nie mniej może ona dysocjować: H20 H+ + OH-. Ale proces ten zachodzi w bardzo niewielkim stopniu: w 1 wody na jony dysocjuje tylko 1 • 10-7 mola molekuł.
W roztworach kwasów w wyniku ich dysocjacji powstają dodatkowe jony H+. W takich roztworach jonów H+ jest o wiele więcej, niż jonów OH7, które utworzyły się podczas niewielkiej dysocjacji wody, dlatego
te roztwory nazywamy kwaśnymi (rys. 11.1, z lewej strony). Przyjęto mówić, że takie roztwory mają środowisko kwaśne. Im więcej jonów H+ mieści sią w roztworze, tym większa jest kwasowość środowiska.
W roztworach alkaliów w następstwie dysocjacji, na odwrót, przeważają jony OH-, a kationy H+ z powodu niewielkiej dysocjacji wody są prawie nieobecne. Środowisko takich roztworów jest alkaliczne (rys. 11.1, z prawej strony). Im wyższa jest koncentracja jonów OH-, tym bardziej alkaliczne jest środowisko roztworu.
W roztworze soli kuchennej ilość jonów H+ Ta OH- jest jednakowa i wynosi po o 1 ■ 10'7 mola w 1 1 roztworu. Takie środowisko nazywamy obojętnym (rys. 11.1, w środku). Oznacza to w praktyce, że roztwór nie zawiera ani kwasów, ani alkaliów. Środowisko obojętne charakterystyczne jest dla roztworów niektórych soli (utworzonych przez zasadę i mocny kwas) oraz wiele substancji organicznych. Czysta woda również posiada środowisko obojętne.
Skala pH
Jeżeli porównać smak kefiru i soku cytrynowego, to można z pewnością stwierdzić, że sok cytrynowy jest o wiele bardziej kwaśny, czyli kwasowość tych roztworów jest różna. Już dowiedzieliście się, że w czystej wodzie również znajdują się jony H+, ale kwaśny smak nie jest wyczuwalny. Jest to spowodowane zbyt małym stążeniem jonów H+. Często nie wystarczy powiedzieć, że środowisko jest kwaśne lub zasadowe (alkaliczne), a trzeba je scharakteryzować ilościowo.
Kwasowość środowiska jest określana ilościowo przez skalę pH (wymawiaj „pe-ha”), która jest związana z koncentracją jonów wodoru. Wartość
pH odpowiada pewnej zawartości kationów wodoru w 1 1 roztworu. W czystej wodzie i roztworach obojętnych w 1 1 znajduje się 1-10~7 mola jonów H+, a wartość pH równa się 7. W roztworach kwasów zawartość kationów H+ jest większa, niż w czystej wodzie, a w roztworach alkalicznych - mniejsza. Odpowiednio do tego zmienia się i wartość wskaźnika pH: w środowisku kwaśnym znajduje się on w granicach od 0 do 7, a alkalicznym - od 7 do 14. Po raz pierwszy skalę pH zaproponował wykorzystywać duński chemik Peder Sorensen.
Mogliście zauważyć, że wartość pH jest związana ze stężeniem jonów H+. Obliczenie pH bezpośrednio jest związane z obliczeniem logarytmu liczby, którą poznacie na lekcjach matematyki w klasie 11. Ale powiązania między zawartością jonów w roztworze i wartością pH można przeanalizować zgodnie z takim schematem:
Wartości skali pH roztworów wodnych wielu substancji oraz roztworów naturalnych znajdują się najczęściej w przedziale od 1 do 13 (rys. 11.2).
Rys. 11.2. Wartości ph różnych roztworów naturalnych i sztucznych
Duński fizykochemik i biochemik, prezes Duńskiego Towarzystwa Królewskiego. Ukończył Uniwersytet Kopenhaski. W wieku 31 lat został profesorem Duńskiego Instytutu Politechnicznego w Kopenhadze. Równocześnie kierował prestiżowym laboratorium fizykochemiczym przy fabryce piwa Carlsberg w Kopenhadze, w którym dokonał swoich najważniejszych odkryć. Główną działalność naukową poświęcił teorii roztworów: wprowadził pojęcie skali pH, badał zależność aktywności fermentów od kwasowości roztworów. Za swoje osiągnięcia naukowe Sorensen został włączony do spisu „100 najwybitniejszych chemików XX wieku", ale w historii nauki pozostał przede wszystkim znany jako ten uczony, który wprowadził do nauki pojęcie „pH" i „pH-metrii".
Określenie kwasowości środowiska
Aby określić kwasowość roztworu w laboratoriach najczęściej wykorzystuje się papierek wsakźnikowy (rys. 11.3). Według jego zabarwienia można określić nie tylko obecność kwasu lub zasady, ale również wartość pH roztworu z dokładnością do 0,5.
Dla dokładniejszego zmierzenia pH istnieją specjalne urządzenia -pH-metry (rys. 11.49). Pozwalają one określić pH roztworu z dokładnością do 0,001-0,01.
Wykorzystując wskaźniki albo pH-metry, można śledzić za tym, w jaki sposób przebiegają reakcje chemiczne. Na przykład, jeżeli do roztworu wodorotlenku sodu dolewać kwas solny, to zajdzie reakcja zobojętnienia:
W tym przypadku roztwory reagentów i produktów reakcji są bezbarwne. Jeżeli jednak w początkowym roztworze alkalium (zasady) umieścić elektrodę pH-metru, to o całkowitym zobojętnieniu zasady kwasem można wysnuć wniosek według wartości pH powstałego roztworu.
Zastosowanie skali pH
Określenie kwasowości roztworów ma wielkie praktyczne znaczenie w wielu gałęziach nauki, przemysłu oraz innych sferach życia człowieka.
Ekolodzy regularnie mierzą pH wody deszczowej, wody rzek i jezior. Ostre podwyższenie kwasowości wód naturalnych może być następstwem zanieczyszczenia atmosfery albo przedostania sią do zbiorników wodnych odpadów przedsiębiorstw przemysłowych (rys. 11.5). Takie zmiany powodują wyginięcie roślin, ryb oraz innych mieszkańców zbiornika wodnego.
Skala pH - najważniejszy wskaźnik procesów, które zachodzą w organizmach żywych, ponieważ w komórkach zachodzą liczne reakcje chemiczne. W diagnostyce klinicznej określa się pH osocza krwi, moczu, soku żołądkowego itd. (rys. 11.6). Narmalna wartość pH krwi - od 7,35 do 7,45. Nawet niewielka zmiana pH krwi człowieka powoduje poważne choroby, a wraz ze wskaźnikiem pH = 7,1 i mniej rozpoczynają się nieodwracalne zmiany, które mogą doprowadzić do śmierci.
Dla większości roślin ważna jest kwasowość gleby, dlatego agronomowie wcześniej dokonują analizy gruntu, określając jego pH (rys. 11.7). Jeżeli kwasowość jest zbyt wielka dla jakiegoś gatunku roślin, glebę się wapnuje - dodaje się kredę lub wapno.
W przemyśle spożywczym przy pomocy kwasowo-zasadowych wskaźników dokonuje się kontroli jakości podczas produkcji różnych produktów spożywczych (rys. 11.8). Na przykład, norma dla mleka pH = 6,8. Jeżeli pH różni się od tego wskaźnika, świadczy to albo o obecności innych domieszek, albo o jego skwaśnieniu.
Rys. 11.5. Wpływ wskaźnika pH wody w zbiornikach wodnych na życie w nich roślin
Ważna jest wartość pH dla środków kosmetycznych, które wykorzystujemy w życiu codziennym. Średnio dla skóry człowieka pH = 5,5. Jeżeli skóra ma kontakt ze środkami, których kwasowość znacznie różni się od tej wartości, to doprowadzi to do przedwczesnego starzenia się skóry, jej uszkodzenia albo pojawienia się zapaleń. Zaobserwowano, że praczki, które przez długi czas wykorzystywały do prania zwyczajne mydło gospodarcze (pH = 8-10) albo sodę do prania (Na2C03, pH = 12-13), ich skóra rąk stawała się bardzo sucha i pokrywała się pęknięciami. Dlatego bardzo ważne jest wykorzystywanie różnych środków kosmetycznych (żele, kremy, szampony itd.) z podobnym do naturalnego pH skóry.
DOŚWIADCZENIA LABORATORYJNE nr 1-3
Przyrządy: statyw z probówkami, pipetka.
Odczynniki: woda, kwas solny, roztwory NaCl, NaOH, ocet stołowy, wskaźnik (roztwór albo papierek wskaźnikowy), produkty spożywcze i kosmetyczne (na przykład, cytryna, szampon, pasta do zębów, proszek do prania, napoje gazowane, soki itp.).
Zasady bezpieczeństwa:
• do doświadczeń wykorzystujcie niewielkie ilości reaktywów;
• uważajcie, żeby reaktywy nie trafiły na skórę, w oczy, na ubranie; w przypadku dostania się substancji żrącej zmyjcie ją obfitą ilością wody i przetrzyjcie uszkodzone miejsce rozcieńczonym roztworem kwasu bornego (w przypadku alkaliów) albo roztworem sody (w przypadku kwasu).
Wykrycie jonów wodoru i jonów wodorotlenkowych w roztworach. Określenie przybliżonej wartości pH wody, roztworów zasadowych i kwaśnych
1. Do pięciu probówek nalejcie po 1-2 ml wody, kwasu solnego, roztworów chlorku sodu, wodorotlenku sodu i octu stołowego.
2. Do każdej probówki dodajcie po 2-3 krople roztworu wskaźnika uniwersalnego albo zanurzcie papierk lakmusowy. Określcie pH roztworów, porównując kolor wskaźnika ze skalą porównawczą. Wysnujcie wnioski o obecności w każdej probówce kationów wodoru albo jonów wodorotlenkowych. Ułóżcie równania dysocjacji tych związków.
Badanie pH produktów spożywczych i kosmetycznych
Zbadajcie papierkiem wskaźnikowym próbki produktów spożywczych i kosmetycznych. Aby zbadać próbki suche, jak na przykład proszek do prania, trzeba je rozpuścić w niewielkiej ilości wody (1 łopatka suchej substancji na 0,5-1 ml wody). Określcie pH roztworów. Wysnujcie wnioski o kwasowości środowiska w każdym z badanych produktów.
Myśl główna
Pytania kontrolne
130. Obecność jakich jonów w roztworze warunkuje jego kwasowość?
131. Jakie jony są obecne w reszcie roztworów kwasowych? W zasadowych?
132. Jaki wskaźnik ilościowo opisuje kwasowość roztworów?
133. Jakie wartości pH i zawartość jonów H+ są w roztworach: a) obojętnych; b) słabokwaśnych; c) słabo zasadowych; d) mocno kwaśnych; e) mocno zasadowych?
Zadania utrwalające wiedzę
134. Roztwór wodny pewnej substancji ma środowisko zasadowe. Których jonów jest więcej w tym roztworze: H+ czy OH"?
135. W dwóch probówkach znajdują się roztwory kwasu azotowego i azotanu potasu. Jakie wskaźniki można wykorzystać, żeby określić, w której probówce znajduje się roztwór soli?
136. W trzech probówkach znajdują się roztwory wodorotlenku baru, kwasu azotowego i azotanu wapnia. Jak przy pomocy jednego odczynnika poznać te roztwory?
137. Z podanego spisu wypiszcie wzory substancji, których roztwory mają środowisko: a) kwaśne; b) zasadowe; c) obojętne.
NaCI, HCI, NaOH, HN03, H3P04, H2S04, Ba(OH)2, H2S, KN03.
138. Woda deszczowa ma pH = 5,6. Co to oznacza? Która substancja występująca w powietrzu, w przypadku rozpuszczenia w wodzie warunkuje taką kwasowość środowiska?
139. Jakie środowisko (kwasowe czy zasadowe) występuje: a) w roztworze szamponu (pH = 5,5); b) we krwi zdrowego człowieka (pH = 7,4); c) w soku żołądkowym człowieka (pH = 1,5); d) w ślinie (pH = 7,0)?
140. W składzie węgla kamiennego, który wykorzystuje się w elektrowniach cieplnych znajdują się związki azotu i siarki. Wyrzucenie do atmosfery produktów spalania węgla prowadzi do tworzenia się tak zwanych kwaśnych deszczy, które zawierają niewielkie ilości kwasów azotowego i siarkawego. Jaka wartość pH jest charakterystyczna dla takiej wody deszczowej: ponad 7 czy mniej niż 7?
141. Czy zależy pH roztworu mocnego kwasu od jego koncentracji? Odpowiedź uzasadnijcie.
142. Do roztworu, który zawiera 1 mol wodorotlenku potasu dolano roztwór fenoloftaleiny. Czy zmieni się zabarwienie roztworu, jeżeli do niego potem dodać kwas solny o ilości substancji. A) 0,5 mola; b) 1 mola; c) 1,5 mola?
143. W trzech niepodpisanych probówkach znajdują się substancje bezbarwne: siarczanu sodu, wodorotlenku sodu i kwasu siarkowego. Dla wszystkich roztworów zmierzono wskaźnik pH: w pierwszej probówce - 2,3, w drugiej -12,6, w trzeciej - 6,9. Jaka substancja znajduje się, w której probówce?
144. Uczeń kupił w aptece wodę destylowaną. pH-metr wskazał, że wskaźnik pH tej wody równa się 6,0. Potem uczeń gotował tę wodę przez długi czas, napełnił pojemnik po brzegi gorącą wodą i zamknął pokrywką. Kiedy woda wystygła do temperatury pokojowej, pH-metr wskazał wartość pH 7,0. Potem uczeń przepuszczał powietrze przez wodę przy pomocy rurki i pH-metr znowu wskazał 6,0. Jak można objaśnić rezultaty tych pomiarów pH?
145. Jak uważacie, dlaczego w dwóch butelkach octu pochodzących od jednego producenta mogą znajdować się roztwory z nieco inną wartością pH?
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz