Co to jest pH? W zawodowym piśmiennictwie spotykamy się coraz częściej z pojęciem wyrażanym literami pH i towarzyszącymi im liczbami od 0 do 14.
Przypuszczam, że już w niedalekiej przyszłości trzeba będzie w nowoczesnej serowni oznaczać pH choćby celem śledzenia przebiegu fermentacji w serach, lub dobrania odpowiedniej mieszanki masy serowej przeznaczonej na przetopienie przez dobór dla niej soli emulgujących itp. Zresztą przyrządy służące do oznaczania pH, tzw. pehametry, są coraz tańsze i prostsze w obsłudze, a jeszcze prostsze i tańsze jest oznaczanie pH za pomocą tzw. wskaźników.
Jeżeli weźmiemy równe ilości 1-normalnego kwasu solnego oraz takiegoż kwasu octowego i gdy zmiareczkujemy każdy z osobna 1 normalnym ługiem sodowym, stwierdzimy, że do zupełnego zobojętnienia kwasu solnego zużyjemy tyleż ługu, co do zobojętnienia kwasu octowego. Są to zatem kwasy o równej wartości albo jak zwykle się mówi, o równej mocy. Ale gdy je rozcieńczymy równymi ilościami wody i spróbujemy, to powiemy, że kwas solny jest mocny lub ostry, natomiast kwas octowy słaby lub łagodny. Skąd się bierze ta różnica?
Wiemy już z chemii elementarnej, że kwasy, zasady i sole dysocjują w roztworze wody, tj. rozpadają się na atomy lub grupy atomów, przy czym jedne mają dodatni ładunek elektryczny ( + ), inne ujemny (—). Tak zdysocjowane atomy lub icn grupy nazwano jonami, czyli wędrowcami. Skierują się one bowiem ku elektrodom, gdy przepuścimy prąd elektryczny przez roztwór, w którym się znajdują. Jony z dodatnim ładunkiem nazywają się kationami ( + ), ponieważ wędrują ku katodzie, ujemnie zaś naładowane zowią się anionami (—). Te skierowują się ku anodzie. Tak też jest w roztworze zdysocjonowanym:
Ale między obu kwasami jest tak wielka różnica, że w kwasie solnym rozpad na jony wynosi od razu około 91%, podczas gdy w kwasie octowym tylko 2%. Różnicę w zachowaniu się tych kwasów zauważymy też, gdy przez każdy z nich przepuścimy prąd elektryczny. Kwas solny przewodzi o wiele lepiej prąd i okazuje silniejsze wychylenie na mierniku prądu niż kwas octowy. Oznacza to silniejszą dysocjację na jony w kwasie solnym niż octowym. Ta właśnie różnica w ilości wolnych jonów wodorowych sprawia, że nazywamy kwas solny mocnym a kwas octowy słabym. Ponieważ reakcje chemiczne są najczęściej reakcjami między jonami, przeto w kwasie solnym może od razu działać 91% wolnych jonów, podczas gdy w kwasie octowym tylko 2%. Reszta jonów utworzy się z zasobu dopiero pod wpływem jakiegoś bodźca, którym jest np. ług dodany podczas miareczkowania albo rozcieńczania wodą.
Kwasowość, którą znaleźliśmy podczas miareczkowania bez względu na obecność już wolnych oraz następnie oswobadzających się jonów H+, nazywa się kwasowością potencjalną. Natomiast kwasowość, która wynika z obecności samych tylko w danej chwili wolnych jonów H+, nazywa się kwasowością aktualną albo też r e a l n ą, czyli czynną lub rzeczywistą, bo w rzeczywistości tylko ta kwasowość jako wynik wolnych jonów H+ jest czynna. Na przykład podczas fermentacji sera chcemy się dowiedzieć, jakie jest podłoże o charakterze kwaśnym działającym na życie bakterii. Obchodzi nas wtedy zagadnienie, jaka jest kwasowość czynna, a nie pytanie, ile kwasu z jonizowanego i nie z jonizowanego jest w całym zasobie.
Jak rozumieć symbol pH stosowany zwykle jako miara stężania jonów H+? W analizie używa się też pojęcia „gramocząsteczka” lub „mol”. Tak 1 mol HCl wynosi 1 + 35,5 = 36,5 g. Dla wody iloczyn ze stężeń obydwóch jonów jest zawsze stały. Oznaczając ten iloczyn literą K otrzymamy: K = [H+] X X [(OH—)]. Nawiasy łamane oznaczają oba jony w ich stężeniu (tj. zawartości) jonowym.
Stwierdzono, że ta stała K wynosi w wodzie 10-14. Z powyższego wynika, że z jednej cząsteczki wody zawsze powstaje przy dysocjacji po jednym jonie wodorowym H+ i jednym wodorotlenowym (OH)— , czyli ich koncentracje są zawsze sobie równe i wynoszą po 10-7.
Reakcja takiego roztworu nazywa się obojętna. Ponieważ ciężar atomowy wodoru wynosi 1, przeto 1 gramoatom wodoru — 1 g zatem stężenie jonów wodorowych w 1 litrze obojętnej wody wynosi 1 X 10-7. Dysocjacja w wodzie jest znikomo mała, ale mimo to dostępna do zmierzenia.
Jony wodorowe znajdujące się pierwotnie w wodzie wzrosną ilościowo, tj. ich stężenie będzie większe, gdy do wody dodamy kwasu np. HCl. Wtedy zamiast wartości H+ — 10—7 otrzymamy, np. wartości 10-4 lub 10-3, czyli ułamki z mniejszą ilością zer w mianowniku mniejszy wykładnik ujemnej potęgi, tym większa jej wartość, tym większe stężenie jonów.
Jak już poprzednio widzieliśmy, iloczyn z jonów wodorowych i wodorotlenowych jest zawsze stały. Jeżeli zatem wzrasta zawartość jonów wodorowych, zmniejsza się równocześnie w tym samym stopniu zawartość grup wodorotlenowych. Gdy zatem w poprzednio przytoczonym przykładzie stężenie jonów H+ wzrosło do 10-3, spadnie równocześnie stężenie jonów wodorotlenowych do 10-11, gdyż 10-3 x 10-11 = 10-14. Natomiast jeżeli dodamy zasady do roztworu np. NaOH, wówczas rozpadają się drobiny wodorotlenku sodowego na jony Na7” i (OH)—, czyli wzrasta koncentracja jonów (OH)-, równocześnie zaś spada stężenie jonów H+.
Jako kwaśne przyjmuje się środowisko w granicach stężeń jonów wodorowych od 10-7 do 10° = 1, a jako zasadowe—przy stężeniach jonów wodorowych od 10-7 do 10-14.
H+ Odczyn obojętny (OH)—
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
bardzo kwaśny słabo kwaśny słabo zasadowy silnie zasadowy.
Ponieważ operowanie ujemnymi potęgami jak np. H+ = 10-6 jest niewygodne, przeto Sorensen stworzył symbol pH, biorąc ujemny logarytm odpowiednich wartości tj. po prostu w z odwrotnym znakiem wykładnik potęgi (—log H+ = pH). W powyższym przykładzie otrzymuje się pH = 6.
Metoda kolorymetryczna. Stężenie jonów można oznaczać także wielu odczynnikami zmieniającymi barwę. Takim odczynnikiem jest np. alizaryna i fenoloftaleina.