Happo-emäs- ja pH-laskuri

Happo on protoninen (H⁺) luovuttaja ja emäs protoninen vastaanottaja — Brønsted–Lowry-määritelmä, jota tämän sivun jokainen paneeli käyttää. Etikka (etikkahappo) luovuttaa protonin vedelle; ammoniakki vastaanottaa sellaisen ja muuttuu ammoniumiksi. Jokainen happo on parissa sen jäljelle jäävän lajin kanssa, joka jää jäljelle luovutettuaan protoninsa: tämä pari — etikkahappo CH₃COOH asetaatin CH₃COO⁻ kanssa tai ammonium NH₄⁺ ammoniakin NH₃ kanssa — on konjugaattinen happo–emäs-pari, ja koko puskuri- ja titrauskemia on näiden parien kirjanpitoa.

Koska [H⁺] ulottuu yli neljäntoista potenssin akkuhaposta viemärinpuhdistusaineeseen, kemistit tiivistävät sen: pH = −log₁₀[H⁺]. Vesi itsekin hajoaa hieman aina, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ 25°C:ssa, mistä pH + pOH = 14: kun toinen nousee, toinen laskee saman verran. Neutraali tarkoittaa yksinkertaisesti [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, mikä on pH 7 vain 25°C:ssa — kuuma puhdas vesi on hieman alle 7:n ja on silti täysin neutraali. Asteikon tarkistukseksi sivu voi toistaa: pH 3,5 (suunnilleen appelsiinimehun happamuus) vastaa [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ mol/L.

Vahvat hapot, kuten HCl, dissosioituvat olennaisesti täysin — kaada ne veteen, ja lähes jokainen molekyyli luovuttaa protonin. Heikot hapot saavuttavat tasapainon: HA ⇌ H⁺ + A⁻, jota kuvaa K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. Etikkahapon K_a = 1,8×10⁻⁵, yleensä ilmaistuna pK_a = 4,74 (sama −log-temppu kuin pH:ssa). Hyödyllinen osa on pariutumissääntö: konjugaattiparille K_a × K_b = K_w, joten vahvempi happo tuottaa automaattisesti heikomman konjugaattiemäksen. Asetaatti, heikon etikkahapon pari, on hyvin heikko emäs, jonka K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — molemmat muunnokset tehdään yllä olevassa Ka & Kb -paneelissa.

Puskuri on heikko happo ja sen konjugaattiemäs samanlaisissa määrissä. Lisätty H⁺ syödään A⁻:lla; lisätty OH⁻ syödään HA:lla; kummassakin tapauksessa suhde liikkuu vain vähän, joten pH liikkuu vähän. Kirjanpito tiivistyy muotoon pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Kun kaksi pitoisuutta ovat yhtä suuret, pH = pK_a tarkasti, ja jokainen kymmenkertainen suhteen muutos siirtää pH:ta täsmälleen yhden yksikön — 1:10-näytepainike antaa asetaattipuskurille, jonka pK_a on 4,76, pH 5,76. Luotettava puskurointi ulottuu vain pK_a ± 1 -alueelle (suhde 0,1–10), minkä vuoksi puskuria valittaessa valitaan sellainen, jonka pK_a on lähellä tavoitepH:ta. Veri on esimerkki: bikarbonaatti/CO₂-pari pitää plasman pH:n 7,35–7,45:ssä, ja entsyymit lakkaavat toimimasta tämän ikkunan ulkopuolella.

Vahvan emäksen lisääminen happoon muuttaa jatkuvasti suhdetta [A⁻]/[HA], ja käyrä on Henderson–Hasselbalchin yhtälö piirrettynä. Alussa puskuri imee emäksen ja pH hiipii eteenpäin — tasainen alue. Ekvivalenttipisteessä emäksen moolimäärä vastaa täsmälleen hapon moolimäärää; siinä käyrä on lähes pystysuora, minkä vuoksi tämä piste merkitsee titrauksen päättymistä. Puolivälissä [A⁻] = [HA], joten pH on yhtä kuin pK_a — tavallinen tapa mitata pK_a käyrästä. Vahva happo + vahva emäs kohtaa pH 7:ssä, mutta heikko happo + vahva emäs päättyy 7:n yläpuolelle (noin 8,7 oletusetikkahapponäytteellä), koska astiaan jäljelle jäävä laji on heikko emäs.

• Vahva tarkoittaa väkevää. Ei — vahvuus kertoo, kuinka täydellisesti happo dissosioituu, pitoisuus kertoo, kuinka paljon sitä on. 0,001 M HCl on laimea vahva happo; jääetikka on väkevä heikko happo.
• Neutraali on aina pH 7. Vain 25°C:ssa, jossa K_w = 10⁻¹⁴. Neutraali tarkoittaa [H⁺] = [OH⁻], ei muuta.
• pH pysähtyy arvoihin 0 ja 14. Ne ovat vain 25°C:n vesiasteikon rajoja. 12 M HCl:n pH on noin −1, ja väkevä NaOH ylittää 14:n.
• Heikon hapon pH = −log sen pitoisuudesta. Tämä oikotie toimii vain vahvoille hapoille. Heikon hapon pH tarvitsee lisäksi K_a:n, koska suurin osa molekyyleistä ei koskaan dissosioidu.

Aiheeseen liittyvät työkalut: Kemiallinen tasapaino (mistä tasapainovakiot, kuten K_a, tulevat), Spektroskopia (pitoisuuksien mittaaminen valolla) ja Bio-laskurit (puskuriresepti mikromolaarisina yksikköinä).