Калькулятор кислот–основ і pH

Кислота — донор протона (H⁺), а основа — акцептор протона; це визначення Бренстеда–Лоурі, яке використовує кожна панель цієї сторінки. Оцет (оцтова кислота) віддає протон воді; аміак його приймає і стає амонієм. Кожна кислота пов'язана з частинкою, що лишається після того, як вона віддала протон: ця пара — оцтова кислота CH₃COOH з ацетатом CH₃COO⁻ або амоній NH₄⁺ з аміаком NH₃ — є спряженою парою кислота–основа, і вся хімія буферів і титрування — це облік таких пар.

Оскільки [H⁺] охоплює понад чотирнадцять порядків між акумуляторною кислотою і засобом для чищення труб, хіміки стискають шкалу: pH = −log₁₀[H⁺]. Сама вода завжди трохи розщеплюється: [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0×10⁻¹⁴ за 25°C, тому pH + pOH = 14: підвищите одне — друге впаде на ту саму величину. Нейтральне просто означає [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷, що є pH 7 лише за 25°C — гаряча чиста вода трохи нижча за 7 і все одно цілком нейтральна. Як перевірку шкали, яку може відтворити сторінка: pH 3,5 (приблизна кислотність апельсинового соку) відповідає [H⁺] = 3,16×10⁻⁴ моль/л.

Сильні кислоти, як HCl, дисоціюють практично повністю — влийте їх у воду, і майже кожна молекула віддасть свій протон. Слабкі кислоти досягають рівноваги: HA ⇌ H⁺ + A⁻, яку описує K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]. Оцтова кислота має K_a = 1,8×10⁻⁵, зазвичай наводиться як pK_a = 4,74 (той самий прийом −log, що й для pH). Корисна частина — правило пари: K_a × K_b = K_w для спряженої пари, тож сильніша кислота автоматично має слабший спряжений основний залишок. Ацетат, партнер слабкої оцтової кислоти, — дуже слабка основа з K_b = 5,6×10⁻¹⁰ (pK_b = 9,26) — обидва перетворення виконуються на панелі Ka і Kb вище.

Буфер — це слабка кислота і її спряжена основа в порівнянних кількостях. Доданий H⁺ з'їдається A⁻; доданий OH⁻ з'їдається HA; у будь-якому разі співвідношення майже не змінюється, тож майже не змінюється і pH. Облік зводиться до pH = pK_a + log₁₀([A⁻]/[HA]). Коли обидві концентрації рівні, pH = pK_a рівно, і кожен десятикратний зсув співвідношення змінює pH рівно на одну одиницю — кнопка зразка 1:10 дає pH 5,76 для ацетатного буфера з pK_a 4,76. Надійна буферна дія охоплює лише pK_a ± 1 (співвідношення 0,1–10), тому вибір буфера — це вибір такого, у якого pK_a близька до вашого цільового pH. Кров — ідеальний приклад: пара бікарбонат/CO₂ утримує плазму на рівні 7,35–7,45, а ферменти перестають працювати поза цим вікном.

Додавання сильної основи до кислоти безперервно змінює співвідношення [A⁻]/[HA], а крива — це рівняння Гендерсона–Гассельбаха, накреслене повністю. Спочатку буфер поглинає основу, і pH повзе — це пласка ділянка. У точці еквівалентності основа точно відповідає молям кислоти; там крива майже вертикальна, тож саме ця точка позначає кінець титрування. На півдорозі [A⁻] = [HA], тож pH дорівнює pK_a — стандартний спосіб виміряти pK_a за кривою. Сильна кислота + сильна основа сходяться при pH 7, але слабка кислота + сильна основа завершуються вище 7 (близько 8,7 для стандартного зразка оцтової кислоти), бо в колбі лишається слабка основа.

• Сильна означає концентрована. Ні — сила визначає, наскільки повно кислота дисоціює, а концентрація — скільки її є. 0,001 M HCl — це розбавлена сильна кислота; льодяна оцтова — концентрована слабка.
• Нейтральне завжди pH 7. Лише за 25°C, де K_w = 10⁻¹⁴. Нейтральне означає [H⁺] = [OH⁻], крапка.
• pH обмежується 0 і 14. Це лише межі шкали води за 25°C. 12 M HCl має pH близько −1, а концентрований NaOH перевищує 14.
• pH слабкої кислоти = −log її концентрації. Це скорочення працює лише для сильних кислот. pH слабкої кислоти потребує ще й її K_a, бо більшість молекул ніколи не дисоціює.

Пов'язані інструменти: Хімічна рівновага (звідки беруться константи рівноваги на кшталт K_a), Спектроскопія (вимірювання концентрацій світлом) і Біо-калькулятори (рецепти буферів у мікромолярних одиницях).