Kalkulačka kyselin, zásad a pH

Kyselina je donor protonu (H⁺) a zásada je jeho akceptor — definice Brønstedové–Lowryové, kterou používají všechny panely této stránky. Ocet (kyselina octová) předává proton vodě; amoniak jej přijímá a mění se na amonný iont. Každá kyselina tvoří dvojici s látkou, která zůstane, když proton odevzdá: tento pár — kyselina octová CH₃COOH s acetátem CH₃COO⁻, nebo amonný iont NH₄⁺ s amoniakem NH₃ — je konjugovaný pár kyselina–zásada a celá chemie pufrů a titrací je účetnictví těchto párů.

Protože [H⁺] se mezi kyselinou z baterie a čisticím prostředkem na odpad liší o víc než čtrnáct řádů, chemici ji zkomprimují: pH = −log₁₀[H⁺]. Samotná voda se vždy částečně štěpí, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ při 25°C, proto pH + pOH = 14: zvýšíte-li jedno, druhé klesne o totéž. Neutrální prostě znamená [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, což je pH 7 jen při 25°C — horká čistá voda leží mírně pod 7 a je stále zcela neutrální. Jako kontrolu stupnice, kterou stránka dokáže reprodukovat: pH 3,5 (zhruba kyselost pomerančového džusu) odpovídá [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ mol/L.

Silné kyseliny jako HCl se disociují prakticky úplně — nalijete-li je do vody, téměř každá molekula předá proton. Slabé kyseliny dosahují rovnováhy: HA ⇌ H⁺ + A⁻, popsané K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. Kyselina octová má K_a = 1,8×10⁻⁵, obvykle uváděné jako pK_a = 4,74 (stejný trik s −log jako u pH). Užitečné je pravidlo párování: K_a × K_b = K_w pro konjugovaný pár, takže silnější kyselina má automaticky slabší konjugovanou zásadu. Acetát, partner slabé kyseliny octové, je velmi slabá zásada s K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — oba přepočty běží v panelu Ka a Kb výše.

Pufr je slabá kyselina a její konjugovaná zásada přítomné ve srovnatelném množství. Přidaný H⁺ spotřebuje A⁻; přidaný OH⁻ spotřebuje HA; v obou případech se poměr téměř nehýbe, takže se nehýbe ani pH. Účetnictví se zjednoduší na pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Když jsou obě koncentrace stejné, pH = pK_a přesně, a každý desetinásobný posun poměru pohne pH přesně o jednu jednotku — tlačítko vzorku 1:10 dá pro acetátový pufr s pK_a 4,76 pH 5,76. Spolehlivě pufruje jen rozsah pK_a ± 1 (poměr 0,1–10), proto výběr pufru znamená vybrat takový, jehož pK_a leží blízko cílového pH. Krev je názorný případ: pár hydrogenuhličitan/CO₂ drží plazmu na 7,35–7,45 a enzymy mimo toto okno přestávají fungovat.

Přidávání silné zásady ke kyselině spojitě mění poměr [A⁻]/[HA] a křivka je vykreslená Henderson–Hasselbalchova rovnice. Na začátku pufr pohlcuje zásadu a pH se plazí — to je plochá oblast. V ekvivalenčním bodě zásada přesně odpovídá molům kyseliny; tam je křivka téměř svislá, a proto tento bod označuje konec titrace. V polovině je [A⁻] = [HA], takže pH se rovná pK_a — standardní způsob, jak změřit pK_a z křivky. Silná kyselina + silná zásada se setkají při pH 7, ale slabá kyselina + silná zásada končí nad 7 (kolem 8,7 u výchozí vzorové kyseliny octové), protože v baňce zbývá slabá zásada.

• Silná znamená koncentrovaná. Ne — síla je míra, do jaké se kyselina úplně disociuje, koncentrace je to, kolik jí je. 0,001 M HCl je zředěná silná kyselina; ledová kyselina octová je koncentrovaná slabá.
• Neutrální je vždy pH 7. Jen při 25°C, kde K_w = 10⁻¹⁴. Neutrální znamená [H⁺] = [OH⁻], nic víc.
• pH končí na 0 a 14. To jsou jen hranice stupnice vody při 25°C. 12M HCl má pH kolem −1 a koncentrovaný NaOH překračuje 14.
• pH slabé kyseliny = −log její koncentrace. Tato zkratka platí jen pro silné kyseliny. Pro pH slabé kyseliny je třeba i K_a, protože většina molekul se vůbec nedisociuje.

Související nástroje: Chemická rovnováha (odkud pocházejí rovnovážné konstanty jako K_a), Spektroskopie (měření koncentrací světlem) a Bio kalkulačky (recepty pufrů v mikromolárních jednotkách).