Kalkulačka kyselín, zásad a pH

Kyselina je darca protónu (H⁺) a zásada je jeho akceptor — definícia Brønstedovej–Lowryho, ktorú používa každý panel na tejto stránke. Ocot (kyselina octová) odovzdá protón vode; amoniak ho prijme a stane sa amóniovým iónom. Každá kyselina je spárovaná s časticou, ktorá zostane po odovzdaní protónu: tento pár — kyselina octová CH₃COOH s acetátom CH₃COO⁻, alebo amóniový ión NH₄⁺ s amoniakom NH₃ — je konjugovaný pár kyselina–zásada a celá chémia pufrov a titrácie je účtovanie týchto párov.

Pretože [H⁺] sa rozprestiera na viac než štrnástich rádoch medzi kyselinou z autobatérie a čistiacim prostriedkom do odpadu, chemici ju stlačia: pH = −log₁₀[H⁺]. Samotná voda sa vždy mierne štiepi, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ pri 25°C, preto pH + pOH = 14: keď jedno stúpne, druhé klesne o rovnakú hodnotu. Neutrálne jednoducho znamená [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, čo je pH 7 len pri 25°C — horúca čistá voda je mierne pod 7 a stále je dokonale neutrálna. Ako kontrolu stupnice, ktorú stránka dokáže zreprodukovať: pH 3,5 (približne kyslosť pomarančového džúsu) zodpovedá [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ mol/L.

Silné kyseliny ako HCl disociujú prakticky úplne — keď sa vlejú do vody, takmer každá molekula odovzdá svoj protón. Slabé kyseliny dosiahnu rovnováhu: HA ⇌ H⁺ + A⁻, opísanú K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. Kyselina octová má K_a = 1,8×10⁻⁵, zvyčajne uvádzané ako pK_a = 4,74 (ten istý trik s −log ako pri pH). Užitočná je pravidlo párovania: K_a × K_b = K_w pre konjugovaný pár, takže silnejšia kyselina má automaticky slabšiu konjugovanú zásadu. Acetát, partner slabej kyseliny octovej, je veľmi slabá zásada s K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — obe prepočítania bežia v paneli Ka a Kb vyššie.

Pufor je slabá kyselina a jej konjugovaná zásada prítomné v porovnateľných množstvách. Pridaný H⁺ spotrebuje A⁻; pridaný OH⁻ spotrebuje HA; v oboch prípadoch sa pomer takmer nezmení, takže sa takmer nezmení ani pH. Účtovanie sa zredukuje na pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Keď sú obe koncentrácie rovnaké, pH = pK_a presne, a každý desaťnásobný posun pomeru zmení pH presne o jednu jednotku — vzorkové tlačidlo 1:10 dá pH 5,76 pre acetátový pufer, ktorého pK_a je 4,76. Spoľahlivé pufrovanie pokrýva len pK_a ± 1 (pomer 0,1–10), preto výber pufra znamená vybrať taký, ktorého pK_a leží blízko cieľového pH. Krv je typický príklad: pár hydrogenuhličitan/CO₂ drží plazmu na 7,35–7,45 a enzýmy mimo tohto okna prestanú fungovať.

Pridávanie silnej zásady k kyseline mení pomer [A⁻]/[HA] spojito a krivka je Henderson-Hasselbalchova rovnica vykreslená ako graf. Na začiatku pufer pohlcuje zásadu a pH sa plazí — plochá oblasť. V bode ekvivalencie sa zásada presne zhoduje s molmi kyseliny; tam je krivka takmer zvislá, preto tento bod označuje koniec titrácie. Na polceste je [A⁻] = [HA], takže pH sa rovná pK_a — štandardný spôsob merania pK_a z krivky. Silná kyselina + silná zásada sa stretnú pri pH 7, ale slabá kyselina + silná zásada končí nad 7 (blízko 8,7 pre predvolenú vzorku kyseliny octovej), pretože v banke zostáva slabá zásada.

• Silná znamená koncentrovaná. Nie — sila je to, ako úplne kyselina disociuje, koncentrácia je to, koľko jej je. 0,001 M HCl je zriedená silná kyselina; ľadová kyselina octová je koncentrovaná slabá.
• Neutrálne je vždy pH 7. Len pri 25°C, kde K_w = 10⁻¹⁴. Neutrálne znamená [H⁺] = [OH⁻], bodka.
• pH sa zastavuje na 0 a 14. To sú len hranice vodnej stupnice pri 25°C. 12 M HCl má pH okolo −1 a koncentrovaný NaOH presahuje 14.
• pH slabej kyseliny = −log jej koncentrácie. Tento skrat funguje len pre silné kyseliny. pH slabej kyseliny potrebuje aj jej K_a, pretože väčšina molekúl sa nikdy nerozpadne.

Súvisiace nástroje: Chemická rovnováha (odkiaľ pochádzajú rovnovážne konštanty ako K_a), Spektroskopia (meranie koncentrácií svetlom) a Bio kalkulačky (recepty na pufre v mikromolárnych jednotkách).