Sav–bázis és pH-számológép

A sav protondonor (H⁺), a bázis protonakceptor — ez a Brønsted–Lowry-definíció, és ezt használja az oldal minden panelje. Az ecet (ecetsav) protont ad a víznek; az ammónia egyet fogad be, és ammóniummá alakul. Minden savhoz hozzátartozik az a faj, amely a protonjának leadása után marad: ez a pár — az ecetsav CH₃COOH és az acetát CH₃COO⁻, vagy az ammónium NH₄⁺ és az ammónia NH₃ — egy konjugált sav–bázis párt alkot, és a puffer- és titrálási kémia egésze ezeknek a pároknak a könyvelése.

Mivel a [H⁺] tizennégynél több nagyságrendet fog át az akkumulátorsav és a lefolyótisztító között, a kémikusok tömörítik: pH = −log₁₀[H⁺]. A víz is mindig kissé disszociál: [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ 25°C-on, ezért pH + pOH = 14: ha az egyik nő, a másik ugyanannyival csökken. A semleges egyszerűen azt jelenti, hogy [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, ami csak 25°C-on pH 7 — a forró tiszta víz kissé 7 alatt van, és mégis tökéletesen semleges. Skálaellenőrzésként, amelyet az oldal reprodukálni tud: a pH 3,5 (nagyjából a narancslé savassága) [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ mol/L értéknek felel meg.

Az erős savak, mint a HCl, lényegében teljesen disszociálnak — vízbe öntve gyakorlatilag minden molekula átadja a protonját. A gyenge savak egyensúlyra jutnak: HA ⇌ H⁺ + A⁻, amelyet K_a = [H⁺][A⁻]/[HA] ír le. Az ecetsav K_a = 1,8×10⁻⁵, általában pK_a = 4,74 formában szerepel (ugyanaz a −log trükk, mint a pH-nál). A hasznos rész a párosítási szabály: K_a × K_b = K_w egy konjugált párra, így az erősebb sav konjugált bázisa automatikusan gyengébb. Az acetát, a gyenge ecetsav párja, nagyon gyenge bázis, K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — mindkét átváltás a fenti Ka & Kb panelben fut.

A puffer gyenge sav és konjugált bázisa, összehasonlítható mennyiségben jelen. A hozzáadott H⁺-t az A⁻ fogyasztja el; a hozzáadott OH⁻-t a HA; mindkét esetben az arány alig mozdul, így a pH is alig. A könyvelés pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]) alakra egyszerűsödik. Ha a két koncentráció egyenlő, pH = pK_a pontosan, és az arány minden tízszeres eltolódása pontosan egy egységgel mozdítja a pH-t — az 1:10 minta gomb pH 5,76-ot ad egy olyan acetátpufferre, amelynek pK_a-ja 4.76. A megbízható pufferelés csak pK_a ± 1 tartományban (arány 0,1–10) működik, ezért a pufferválasztásnál olyat kell keresni, amelynek pK_a-ja a célzott pH közelében van. A vér a legszemléletesebb példa: a hidrogénkarbonát/CO₂ pár a plazmát 7,35–7,45 között tartja, az enzimek pedig e tartományon kívül leállnak.

Erős bázis hozzáadása savhoz folyamatosan változtatja az [A⁻]/[HA] arányt, és a görbe a Henderson–Hasselbalch-egyenlet kirajzolt alakja. Az elején a puffer elnyeli a bázist, és a pH csak lassan mozdul — ez a lapos szakasz. Az ekvivalenciapontnál a bázis mólja pontosan megegyezik a sav mólszámával; itt a görbe szinte függőleges, ezért jelzi ez a pont a titrálás végét. A félúton [A⁻] = [HA], így a pH egyenlő a pK_a-val — ez a pK_a görbéből való mérésének szokásos módja. Erős sav + erős bázis pH 7-nél találkozik, de a gyenge sav + erős bázis 7 fölött végződik (az alapértelmezett ecetsavmintánál 8,7 körül), mert a lombikban maradó anyag gyenge bázis.

• Az erős azt jelenti, hogy tömény. Nem — az erősség azt jelzi, mennyire teljesen disszociál egy sav, a koncentráció pedig azt, hogy mennyi van belőle. A 0,001 M HCl híg erős sav; a jégecet tömény gyenge sav.
• A semleges mindig pH 7. Csak 25°C-on, ahol K_w = 10⁻¹⁴. A semleges azt jelenti, hogy [H⁺] = [OH⁻], pont.
• A pH 0 és 14 között áll meg. Ezek csak a 25°C-os víz skálájának határai. A 12 M HCl pH −1 körül van, a tömény NaOH pedig meghaladja a 14-et.
• Gyenge sav pH-ja = a koncentrációja negatív logaritmusa. Ez a rövidítés csak erős savakra működik. Gyenge sav pH-jához a K_a is kell, mert a molekulák többsége sosem disszociál.

Kapcsolódó eszközök: a Kémiai egyensúly (honnan származnak az olyan egyensúlyi állandók, mint a K_a), a Spektroszkópia (koncentrációk mérése fénnyel), és a Bio számológépek (pufferreceptek mikromólos egységekben).