I. Ogólne definicje

pH jest bardzo ważnym pojęciem chemicznym, i dlatego też powinno być znane wszystkim początkującym chemikom już w pierwszych latach nauki. W niniejszej pracy postarano się w prosty i klarowny sposób przedstawić główne zagadnienia związane z tym pojęciem.

 pH- to ilościowe określenie kwasowości oraz zasadowości roztworu wodnego. pH możemy wyrazić za pomocą wzoru:

  pH = -log10[H+]

Wartość pH to ujemny logarytm dziesiętny z aktywności jonów wodorowych. Istotne zatem jest stężenie jonów wodorowych [H+]. Jednostka- mol/dm3. Dla przykładu- wartość pH = 2 oznacza, że dm3 znajduje się 10-2 moli jonów H+. Ujemnej potęga sugeruje, że im mocniejszy jest roztwór badany, tym mniejsza musi być wartość pH. Wartość pH równa jeden świadczy o tym, że mamy do czynienia z  silnym kwasem. Wartość pH równa 14 oznacza silną zasadę. Skala pH  przyjmuje  wartości 0-14.

PH + pOH = 14

POH= -log[OH-]

Ujemny znak logarytmu w definicji pH przyjęto pierwotnie dla uniknięcia operowania liczbami ujemnymi.

POH to wykładnik koncentracji jonów wodorotlenowych (OH-) w badanym roztworze.

1M roztwór HCl ma pH= 0, zaś 1M roztwór NaOH ma pH=14.

Roztwory kwaśne mają zawsze pH mniejsze niż 7, zaś zasadowe większe niż 7. Woda destylowana powinna mieć pH=7, ale w rzeczywistości jest niższe, dlatego ze zawiera dwutlenek węgla - gaz zawarty w powietrzu, który wykazuje dobrą rozpuszczalność w wodzie.

Przykładowe pH roztworów;

- 1M HCl- 0;

- 1M NaOH- 14;

- Coca –Cola- 2;

- woda z ogórkami kiszonymi- 1.

IUPAC poważnie rozważa wprowadzenie oficjalnej definicji pH, która zapewne będzie zupełnym zaskoczeniem dla wielu chemików:

„pH jest to odczyt ze skali pH-metru, którego elektrody zanurzone są w badanym roztworze. pH-metr uprzednio powinien być wykalibrowany przy użyciu międzynarodowych wzorcowych roztworów buforowych”.

II. Reakcje zachodzące w roztworach

Do zrozumienia sensu skali pH należy odpowiednio zinterpretować reakcje, które zachodzą w wodzie. Cząsteczki wody destylowanej (H2O) samorzutnie ulegają reakcji dysocjacji, w wyniku której powstają jony H+ oraz OH-.

Reakcja przebiega następująco:

H2O  H+ + OH-

Jak widać reakcja charakteryzuje się odwracalnością, ale równowaga jest przesunięta bardziej w lewo. Jest to strona wody niezdysocjowanej. Koncentracja jonów wodorowych (H+) w wodzie w temperaturze 200C wynosi dokładnie 10-7 mol/dm3. Czyli wstawiając do wzoru: pH = -log10[H+] otrzymamy pH wody, które wynosi 7.

W roztworze kwasu solnego zachodzi reakcja:

   HCl H+ + Cl-

Dla kwasu solnego HCl, który jest bardzo silny równowaga reakcji przesuwa się w prawo. Strona prawa jest reprezentowana przez jony H+ oraz Cl-.

Gdy dodamy do jednego dm3 wody jeden mol kwasu solnego, to wówczas otrzymamy pH=0, gdyż koncentracja jonów H+ będzie równa 1 mol/dm3. Gdy dodamy do jednego dm3 wody jeden mol NaOH, to otrzymamy pH=14, gdyż koncentracja jonów H+ wynosi 10-14 mol/dm3. Jony wodorotlenowe powodują przesunięcie  równowagi reakcji dysocjacji wody. Minus przy logarytmu dziesiętnym w definicji skali pH został wprowadzony, aby uniknąć liczb ujemnych. Zachodzi zależność: im jest większa kwasu tym niższe pH. Paradoksalnie pH można określić jako miarę zasadowości roztworu.

III. Wskaźniki

Do oznaczenia pH używamy odpowiednich wskaźników. Są to substancje, zmieniające swoją barwę pod wpływem pH. Do podstawowych wskaźników należą;

- oranż metylowy;

- fenoloftaleina

- błękit bromotymolowy;

- czerwień metylowa

- lakmus;

- wywar z kapusty czerwonej.

W laboratorium często stosowane są papierki uniwersalne, które są nasączone mieszaniną wskaźników i są w stanie zmienić kolor w zależności od odczynu roztworu. Są bardzo wygodne w użyciu i popularne. Nie zajmują dużo miejsca i pozwalają w szybki sposób określić pH badanego roztworu. Do papierka dołączona jest barwna skala, na podstawie, której określamy pH. Odczyn badanego roztworu oznaczamy poprzez zanurzenie papierka wskaźnikowego i porównanie jego zabarwienia z wzorcową barwą odpowiadającą określonej wartości pH. Jeżeli kolor będzie różowy, to wówczas mamy do czynienia z roztworem kwaśnym, jeżeli kolor jest niebieski, to mamy do czynienia z roztworem zasadowym. Wskaźniki uniwersalne wskazują wartości pH z dokładnością do 1/2 jednostki pH.

Dokładniejsze oznaczenie koncentracji jonów H+ w roztworzy jest możliwe przy zastosowaniu pehametru.

Schematyczny wzór wskaźnika, jeżeli to słaby kwas ma postać-  H-R, jeżeli zaś wskaźnik to słaba zasada, to wzór wygląda- R-OH. Po wprowadzeniu indykatora do badanego wodnego roztworu następuje dysocjacja. Mamy do czynienia ze stanem równowagi między cząsteczkami oraz jonami.

Za przykład weźmy oranż metylowy. Anion R- barwi badany roztwór na żółto, ale niezdysocjowane cząsteczki HR barwią roztwór na czerwono. Prześledźmy reakcje, które przebiegają. W wyniku obecności kwasu, kationy wodoru powodują przesunięcie równowagi reakcji w lewo oraz zauważalne jest czerwona zabarwienie. W wyniku obecności zasady, jony wodorotlenowe mogą połączyć się z jonami H+ i równowaga reakcji przesuwa się w prawo, co powoduje zmianę zabarwienia roztworu na żółto. Podobnie mogą zachowywać się inne indykatory. Jedynie barwa ulega zmianie.

IV. Potencjometria

Znacznie dokładniejszą metodą pomiarów pH jest potencjometria. Siła elektromotoryczna ogniwa (SEM ogniwa) o takich samych elektrodach, tylko umiejscowionych w roztworach różniących się  stężeniem jonów H+, jest wprost proporcjonalna do logarytmu ilorazu tych stężeń- teoria Nernsta.

Praktycznie wygląda to tak: zanurzamy pierwszą elektrodę w roztworze o określonym pH. Na podstawie tego możemy obliczyć pH drugiego badanego roztworu. Zanurzając elektrodę pomiarową (elektrodę szklaną) do roztworu wodnego powoduje uzyskanie SEM pomiędzy tą elektrodą oraz roztworem i wartość SEM jest miarą stężenia jonów H+. Do pomiaru SEM niezbędny jest tzw. potencjał odniesienia. Aby go uzyskać musimy zanurzyć elektrodę zwaną elektrodą kalomelową (elektroda odniesienia)

Najpopularniejszą elektrodą używaną do mierzenia pH jest elektroda szklana, która wykazuje odporność na metale ciężkie, utleniacze oraz reduktory. Membrana elektrody szklanej ma kształt bańki i wykonana jest ze specjalnego szkła, które jest przenikalne wyłącznie dla jonów H+

Wewnątrz elektrody jest roztwór o znanej wartości pH, do którego wprowadzamy elektrodę kalomelową, ewentualnie chlorosrebrową, jako kontakt elektryczny. Wyznaczenie pH roztworu jest możliwe przez zależność stężenia jonów H+ po obu stronach elektrody szklanej (pomiar SEM). Elektrodę szklaną możemy także stosować w niewodnych roztworach.

Praktyczne wykonanie pomiaru pH nie jest trudne: do roztworu wstawiane są elektrody, zaś wynik pomiaru jest odczytywany ze skali pH-metru. pH jest wielkością stężenia jonów wodorowych. Zamiast żmudnego miareczkowania: sporządzania oraz mianowania roztworów roboczych, poza tym męczącego miareczkowania, nie wystarczy zmierzyć wartość pH roztworu i obliczyć stężenie kwasu?

V Odczyn roztworu

Odczyn roztworu to cecha każdego roztworu dzięki niemu dowiadujemy się o nadmiarze jonów H+- odczyn kwaśny lub nadmiar jonów OH- - odczyn zasadowy, a gdy są w równowadze -odczyn obojętny. Jest to bardzo ważne pojęcie. Determinuje czasami przebieg, szybkość oraz rodzaj powstających produktów. Czasami określone reakcje mogą zachodzić tylko w ściśle określonym pH. Roztwory o pH od 1 do 6 mają odczyn kwasowy (zawierają nadmiar jonów wodorowych), zaś roztwory o pH od 8 do 14 maja odczyn zasadowy (zawierają nadmiar jonów wodorotlenowych). Roztwór o pH równym 7 jest obojętny.

Woda destylowana powinna mieć pH=7, ale w rzeczywistości ma zwykle niższe, gdyż zawiera pewne ilości dwutlenku węgla pochłanianego z powietrza. pH wówczas wynosi 4-5. Roztwór neutralny (obojętny), to roztwór charakteryzujący się równowagą jonów H+ oraz jonów OH-. pH roztworu obojętnego może być inne niż 7. Koncentracja jonów wodorowych to pierwiastek kwadratowy z iloczynu jonowego wody. Wartość liczbowa tego iloczynu nie jest równa 10-14, zależy od wartości mocy jonowej badanego roztworu, ale także od temperatury. W temperaturze wyższej niż 200C iloczyn jonowy wody jest różna od wartości 10-14. Dla przykładu wartość iloczynu w temperaturze 800C jest równa około 10-13.

[H+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3, roztwór ma odczyn obojętny;

[H+] > 10-7 mol/dm3, roztwór ma odczyn kwasowy;

[H+] < 10-7 mol/dm3, roztwór ma odczyn zasadowy.

Przyjmuje się, że jednostka pH jest bezwymiarowa. Wartość liczbowa pH zależy m.in. od tego, czy aktywność wyrażone jest w: molach na litr, czy jako stężenie procentowe. Poprawnym wymiarem pH jest logarytm wymiaru stężenia. Ponieważ w chemii jednostką stężenia jest stężenie molowe (M = mol/dm3), zatem w praktyce problem ten jest tak nieistotny.

Symbol “p” jednostki pH pochodzi od słowa łacińskiego: potentio = potęga (jej wykładnik ze zmienionym znakiem).

Skalę pH wprowadził w 1909 roku duński biochemik Sørensen,