Калькулятор кислот, оснований и pH

Кислота — донор протона (H⁺), а основание — акцептор протона; это определение Брёнстеда–Лоури, которым пользуется каждая панель этой страницы. Уксус (уксусная кислота) отдаёт протон воде; аммиак принимает протон и становится аммонием. Каждой кислоте соответствует частица, оставшаяся после того, как она отдала протон: эта пара — уксусная кислота CH₃COOH с ацетатом CH₃COO⁻ или аммоний NH₄⁺ с аммиаком NH₃ — является сопряжённой парой кислота–основание, и вся химия буферов и титрования — это учёт таких пар.

Поскольку [H⁺] охватывает более четырнадцати порядков между аккумуляторной кислотой и средством для чистки труб, химики сжимают шкалу: pH = −log₁₀[H⁺]. Сама вода немного диссоциирует: [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ при 25°C, поэтому pH + pOH = 14: увеличьте одно, и другое уменьшится на ту же величину. Нейтральность означает просто [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, что соответствует pH 7 только при 25°C — горячая чистая вода немного ниже 7 и всё так же совершенно нейтральна. Контрольная точка шкалы, которую может воспроизвести страница: pH 3,5 (примерно кислотность апельсинового сока) соответствует [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ моль/л.

Сильные кислоты, такие как HCl, диссоциируют практически полностью — при растворении в воде почти каждая молекула отдаёт свой протон. Слабые кислоты приходят к равновесию: HA ⇌ H⁺ + A⁻, которое описывается K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. У уксусной кислоты K_a = 1,8×10⁻⁵, обычно приводится как pK_a = 4,74 (тот же приём −log, что и для pH). Полезно правило сопряжения: K_a × K_b = K_w для сопряжённой пары, поэтому более сильная кислота автоматически имеет более слабое сопряжённое основание. Ацетат, партнёр слабой уксусной кислоты, — очень слабое основание с K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — оба пересчёта выполняются в панели Ka и Kb выше.

Буфер — это слабая кислота и её сопряжённое основание в сравнимых количествах. Добавленный H⁺ поглощается A⁻; добавленный OH⁻ поглощается HA; в любом случае соотношение почти не меняется, поэтому почти не меняется и pH. Учёт сводится к pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Когда обе концентрации равны, pH = pK_a точно, и каждое десятикратное изменение соотношения сдвигает pH ровно на одну единицу — кнопка образца 1:10 даёт pH 5,76 для ацетатного буфера с pK_a 4,76. Надёжная буферность охватывает только pK_a ± 1 (соотношение 0,1–10), поэтому выбор буфера означает выбор того, у которого pK_a близка к нужному pH. Кровь — яркий пример: пара бикарбонат/CO₂ удерживает плазму в диапазоне 7,35–7,45, и ферменты перестают работать за пределами этого окна.

Добавление сильного основания к кислоте непрерывно меняет соотношение [A⁻]/[HA], а кривая — это уравнение Гендерсона–Хассельбаха, нарисованное целиком. В начале буфер поглощает основание, и pH медленно ползёт вверх — ровный участок. В точке эквивалентности основание точно соответствует молям кислоты; там кривая почти вертикальна, поэтому именно эта точка отмечает конец титрования. На полпути [A⁻] = [HA], поэтому pH равен pK_a — стандартный способ измерить pK_a по кривой. Сильная кислота + сильное основание сходятся при pH 7, но слабая кислота + сильное основание заканчиваются выше 7 (примерно 8,7 для образца уксусной кислоты по умолчанию), потому что в колбе остаётся слабое основание.

• Сильный означает концентрированный. Нет — сила означает, насколько полностью кислота диссоциирует, а концентрация — сколько её есть. 0,001 M HCl — это разбавленная сильная кислота; ледяная уксусная кислота — концентрированная слабая.
• Нейтральность — всегда pH 7. Только при 25°C, где K_w = 10⁻¹⁴. Нейтральность означает [H⁺] = [OH⁻], и точка.
• pH ограничен 0 и 14. Это лишь границы шкалы воды при 25°C. 12 M HCl имеет pH около −1, а концентрированный NaOH превышает 14.
• pH слабой кислоты = −log её концентрации. Этот приём работает только для сильных кислот. Для pH слабой кислоты нужна также её K_a, потому что большинство молекул никогда не диссоциируют.

Связанные инструменты: Химическое равновесие (откуда берутся константы равновесия вроде K_a), Спектроскопия (измерение концентраций светом) и Биокалькуляторы (рецепты буферов в микромолярных единицах).