Υπολογιστής οξέων-βάσεων & pH

Ένα οξύ είναι δότης πρωτονίου (H⁺) και μια βάση είναι δέκτης πρωτονίου — ο ορισμός Brønsted–Lowry, που χρησιμοποιεί κάθε πάνελ αυτής της σελίδας. Το ξύδι (οξικό οξύ) δίνει ένα πρωτόνιο στο νερό· η αμμωνία δέχεται ένα και γίνεται αμμώνιο. Κάθε οξύ συνδέεται με το είδος που μένει αφού αποβάλει το πρωτόνιό του: αυτό το ζεύγος — οξικό οξύ CH₃COOH με οξικό CH₃COO⁻, ή αμμώνιο NH₄⁺ με αμμωνία NH₃ — είναι ένα συζυγές ζεύγος οξέος–βάσης, και ολόκληρη η χημεία των ρυθμιστικών και των τιτλοδοτήσεων είναι λογιστική αυτών των ζευγών.

Επειδή η [H⁺] εκτείνεται σε περισσότερες από δεκατέσσερις δυνάμεις του δέκα ανάμεσα στο οξύ μπαταρίας και στο καθαριστικό αποχετεύσεων, οι χημικοί τη συμπιέζουν: pH = −log₁₀[H⁺]. Το ίδιο το νερό διασπάται πάντα λίγο, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ στους 25°C, και γι' αυτό pH + pOH = 14: όταν αυξάνεται το ένα, το άλλο μειώνεται κατά το ίδιο ποσό. Το ουδέτερο σημαίνει απλώς [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, που είναι pH 7 μόνο στους 25°C — το καθαρό ζεστό νερό βρίσκεται ελαφρώς κάτω από το 7 και παραμένει απόλυτα ουδέτερο. Ως έλεγχος της κλίμακας που μπορεί να αναπαραγάγει η σελίδα: το pH 3,5 (περίπου η οξύτητα του πορτοκαλιού) αντιστοιχεί σε [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ mol/L.

Τα ισχυρά οξέα όπως το HCl διίστανται ουσιαστικά πλήρως — όταν ρίχνονται στο νερό, σχεδόν κάθε μόριο παραδίδει το πρωτόνιό του. Τα ασθενή οξέα φτάνουν σε ισορροπία: HA ⇌ H⁺ + A⁻, που περιγράφεται από το K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. Το οξικό οξύ έχει K_a = 1,8×10⁻⁵, συνήθως αναφερόμενο ως pK_a = 4,74 (το ίδιο κόλπο του −log με το pH). Το χρήσιμο μέρος είναι ο κανόνας των ζευγών: K_a × K_b = K_w για ένα συζυγές ζεύγος, οπότε ένα ισχυρότερο οξύ έχει αυτόματα ασθενέστερη συζυγή βάση. Το οξικό, ο σύντροφος του ασθενούς οξικού οξέος, είναι πολύ ασθενής βάση με K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — και οι δύο μετατροπές εκτελούνται στο πάνελ Ka & Kb παραπάνω.

Ένα ρυθμιστικό διάλυμα είναι ένα ασθενές οξύ και η συζυγής του βάση σε συγκρίσιμες ποσότητες. Το προστιθέμενο H⁺ καταναλώνεται από το A⁻· το προστιθέμενο OH⁻ καταναλώνεται από το HA· και στις δύο περιπτώσεις ο λόγος σχεδόν δεν μετακινείται, οπότε και το pH σχεδόν δεν μετακινείται. Η λογιστική συμπυκνώνεται στο pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Όταν οι δύο συγκεντρώσεις είναι ίσες, pH = pK_a ακριβώς, και κάθε δεκαπλάσια μετατόπιση του λόγου μετακινεί το pH κατά ακριβώς μία μονάδα — το δείγμα 1:10 δίνει pH 5,76 για ρυθμιστικό οξικού άλατος με pK_a 4,76. Η αξιόπιστη ρύθμιση εκτείνεται μόνο σε pK_a ± 1 (λόγος 0,1–10), γι' αυτό η επιλογή ρυθμιστικού σημαίνει επιλογή εκείνου του οποίου το pK_a βρίσκεται κοντά στο επιθυμητό pH. Το αίμα είναι το κλασικό παράδειγμα: το ζεύγος διττανθρακικού/CO₂ κρατά το πλάσμα στα 7,35–7,45, και τα ένζυμα παύουν να λειτουργούν εκτός αυτού του παραθύρου.

Η προσθήκη ισχυρής βάσης σε ένα οξύ μεταβάλλει συνεχώς τον λόγο [A⁻]/[HA], και η καμπύλη είναι η εξίσωση Henderson–Hasselbalch σχεδιασμένη σε μορφή γραφήματος. Στην αρχή το ρυθμιστικό απορροφά τη βάση και το pH ανεβαίνει αργά — η επίπεδη περιοχή. Στο σημείο ισοδυναμίας η βάση αντιστοιχεί ακριβώς στα mol του οξέος· εκεί η καμπύλη είναι σχεδόν κάθετη, γι' αυτό το σημείο σηματοδοτεί το τέλος της τιτλοδότησης. Στη μέση, [A⁻] = [HA], οπότε το pH ισούται με το pK_a — ένας τυπικός τρόπος μέτρησης του pK_a από μια καμπύλη. Το ισχυρό οξύ με την ισχυρή βάση συναντιούνται στο pH 7, αλλά το ασθενές οξύ με την ισχυρή βάση καταλήγει πάνω από το 7 (κοντά στο 8,7 για το προεπιλεγμένο δείγμα οξικού οξέος), επειδή αυτό που μένει στη φιάλη είναι ασθενής βάση.

• Ισχυρό σημαίνει συμπυκνωμένο. Όχι — η ισχύς είναι πόσο πλήρως διίσταται ένα οξύ, η συγκέντρωση είναι πόσο από αυτό υπάρχει. Το HCl 0,001 M είναι αραιό ισχυρό οξύ· το παγόξινο οξικό οξύ είναι συμπυκνωμένο ασθενές.
• Το ουδέτερο είναι πάντα pH 7. Μόνο στους 25°C, όπου K_w = 10⁻¹⁴. Ουδέτερο σημαίνει [H⁺] = [OH⁻], τελεία.
• Το pH σταματά στο 0 και το 14. Αυτά είναι απλώς τα όρια της κλίμακας του νερού στους 25°C. Το HCl 12 M βρίσκεται περίπου στο pH −1, και το πυκνό NaOH ξεπερνά το 14.
• Το pH ασθενούς οξέος = −log της συγκέντρωσής του. Η συντόμευση αυτή ισχύει μόνο για ισχυρά οξέα. Το pH ενός ασθενούς οξέος χρειάζεται και το K_a του, επειδή τα περισσότερα μόρια δεν διίστανται ποτέ.

Σχετικά εργαλεία: Χημική ισορροπία (από πού προέρχονται σταθερές ισορροπίας όπως το K_a), Φασματοσκοπία (μέτρηση συγκεντρώσεων με φως) και Βιο υπολογιστές (συνταγές ρυθμιστικών σε μικρομοριακές μονάδες).