Happed ja leelised on sama skaala kaks äärmuslikku positsiooni: nende omadused (täiesti vastandlikud) määratakse sama väärtusega – vesinikioonide kontsentratsiooniga (H+). Iseenesest on see arv aga väga ebamugav: isegi happelises keskkonnas, kus vesinikioonide kontsentratsioon on suurem, on see arv ühiku sajandik, tuhandik. Seetõttu kasutavad nad mugavuse huvides selle väärtuse kümnendlogaritmi, mis on korrutatud miinus ühega. On tavaks öelda, et see on pH (potentia Hydrogen) või vesinikuindikaator.
Mõtete tekkimine
Üldiselt on tõsiasi, et happelise ja aluselise keskkonna määrab vesinikioonide H + kontsentratsioon ja mida suurem on nende kontsentratsioon, seda happelisem on lahus (ja vastupidi, seda madalam on H + kontsentratsioon, mida aluselisem on keskkond ja kõrgem on vastandlike OH ioonide kontsentratsioon -), on teadusele teada juba pikka aega. Kuid alles 1909. aastal avaldas Taani keemik Sørensen esmakordselt uurimuse, milles ta kasutas vesinikuindeksi mõistet – PH, mis hiljem asendati pH-ga.
Happesuse arvutamine
pH-indeksi arvutamisel eeldatakse, et lahuses olevad veemolekulid, kuigi väga väikestes kogustes, dissotsieeruvad siiski ioonideks. Seda reaktsiooni nimetatakse vee autoprotolüüsiks:
H2O H+ + OH-
Reaktsioon on pöörduv, seega on selle jaoks määratletud tasakaalukonstant (näitab iga komponendi keskmisi kontsentratsioone). Siin on konstandi väärtus standardtingimuste jaoks – temperatuur 22 °C.
Allpool nurksulgudes – näidatud komponentide molaarsed kontsentratsioonid. Vee molaarne kontsentratsioon vees on ligikaudu 55 mol/l, mis on teist järku väärtus. Seetõttu on H+ ja OH- ioonide korrutis ligikaudu 10-14. Seda väärtust nimetatakse vee ioonproduktiks.
Puhtas vees on vesinikuioonide ja hüdroksiidioonide kontsentratsioon 10-7. Sellest lähtuv alt on vee pH väärtus ligikaudu 7. Seda pH väärtust peetakse neutraalseks keskkonnaks.
Järgmisena peate vaatama veest eemale ja kaaluma mõne happe või leelise lahust. Võtame näiteks äädikhappe. Vee ioonsaadus jääb samaks, kuid tasakaal ioonide H+ ja OH- vahel nihkub endise poole: vesinikioonid pärinevad osaliselt dissotsieerunud äädikhappest ja "lisa" hüdroksiidioonid lähevad dissotsieerumata veemolekulidesse. Seega on vesinikuioonide kontsentratsioon suurem ja pH madalam (pole vajaunusta, et logaritm võetakse miinusmärgiga). Vastav alt on happeline ja aluseline seotud pH-ga. Ja need on ühendatud järgmisel viisil. Mida madalam on pH väärtus, seda happelisem on keskkond.
Happelised omadused
Happelised keskkonnad on lahused, mille pH on alla 7. Tuleb märkida, et kuigi vee ioonsaaduse väärtus esmapilgul piirab pH väärtusi vahemikus 1 kuni 14, tegelikult on lahuseid, mille pH on alla ühe (ja isegi alla nulli) ja suurem kui 14. Näiteks tugevate hapete (väävel, vesinikkloriid) kontsentreeritud lahustes võib pH ulatuda -2-ni.
Teatud ainete lahustuvus võib sõltuda sellest, kas meil on happeline või aluseline keskkond. Näiteks võtke metallhüdroksiidid. Lahustuvus määratakse lahustuvusprodukti väärtusega, mis on struktuurilt sama, mis vee ioonproduktil: korrutatud kontsentratsioonid. Hüdroksiidi puhul sisaldab lahustuvusprodukt metalliiooni kontsentratsiooni ja hüdroksiidioonide kontsentratsiooni. Vesinikuioonide liia korral (happelises keskkonnas) "tõmbavad" need hüdroksiidioonid sadest aktiivsem alt välja, nihutades seeläbi tasakaalu lahustunud vormi suunas, suurendades sademe lahustuvust.
Samuti tasub mainida, et kogu inimese seedekulglas on happeline keskkond: maomahla pH on vahemikus 1 kuni 2. Nendest väärtustest kõrvalekaldumine üles või alla võib viidata erinevatele haigustele.
Leeliselise keskkonna omadused
Baluselises keskkonnas omandab pH väärtused, mis on suuremad kui 7. Suure hüdroksiidioonide kontsentratsiooniga keskkondades asendatakse mugavuse huvides happesuse pH indikaator aluselisuse pH indikaatoriga pOH. On lihtne arvata, et see tähistab väärtust, mis on võrdne -lg[OH-] (hüdroksiidioonide kontsentratsiooni negatiivne kümnendlogaritm). Otse vee ioonsest produktist järgneb võrdsus pH + pOH=14. Seetõttu pOH=14 - pH. Seega kõigi väidete puhul, mis kehtivad pH indeksi kohta, kehtivad vastupidised väited pOH aluselisusindeksi kohta. Kui leeliselise keskkonna pH on definitsiooni järgi suur, siis on selle pOH ilmselgelt väike ja mida tugevam on leeliselahus, seda madalam on pOH väärtus.
See lause tõi just sisse loogilise paradoksi, mis ajab segadusse paljud happesuse teemalised arutelud: madal happesus näitab kõrget happesust ja vastupidi: kõrged pH väärtused vastavad madalale happesusele. See paradoks ilmneb seetõttu, et logaritm on võetud miinusmärgiga ja happesuse skaala on justkui ümberpööratud.
Happesuse praktiline määratlus
Söötme happesuse määramiseks kasutatakse nn indikaatoreid. Tavaliselt on need üsna keerukad orgaanilised molekulid, mis muudavad oma värvi sõltuv alt keskkonna pH-st. Indikaator muudab värvi väga kitsas pH vahemikus: seda kasutatakse happe-aluse tiitrimisel täpsete tulemuste saavutamiseks: tiitrimine peatatakse niipea, kui indikaator muudab värvi.
Kõige kuulsamad näitajad on metüüloranž (üleminekuintervall madala pH-ga piirkonnas), fenoolftaleiin (üleminekuintervall kõrge pH-ga piirkonnas), lakmus, tümoolsinine jt. Happelises ja leeliselises keskkonnas kasutatakse erinevaid indikaatoreid olenev alt piirkonnast, kus nende üleminekuintervall asub.
On olemas ka universaalsed indikaatorid – need muudavad oma värvi järk-järgult punasest sügavlillaks, kui liiguvad tugev alt happelisest keskkonnast tugev alt aluselise poole. Tegelikult on universaalsed näitajad segu levinud näitajatest.
Happesuse täpsemaks määramiseks kasutatakse seadet - pH-meetrit (potentsiomeetrit, meetodit nimetatakse vastav alt potentsiomeetriaks). Selle tööpõhimõte põhineb EMF mõõtmisel vooluringis, mille elemendiks on mõõdetud pH-ga lahus. Lahusesse sukeldatud elektroodi potentsiaal on tundlik vesinikioonide kontsentratsiooni suhtes lahuses – siit ka EMF muutus, mille alusel arvutatakse tegelik pH.
Erinevate keskkondade happesus igapäevaelus
Happesuse indeksil on igapäevaelus suur tähtsus. Säilitusainetena kasutatakse näiteks nõrku happeid – äädik-, õunhapet. Aluselised lahused on pesuvahendid, sealhulgas seep. Lihtsaim seep on rasvhapete naatriumisoolad. Vees nad dissotsieeruvad: rasvhappejäägil - väga pikal - ühelt poolt on negatiivne laeng ja teiselt poolt - pikk mittepolaarne süsinikuaatomite ahel. Seemolekuli ots, kus laeng osaleb hüdratatsioonis, kogub enda ümber veemolekule. Teine ots kinnitub muude mittepolaarsete asjadega, näiteks rasvamolekulidega. Selle tulemusena moodustuvad mitsellid - pallid, millest paistavad välja negatiivse laenguga "sabad", mille sisse peidetakse "sabad" ning rasva- ja mustuseosakesed. Pind pestakse rasvast ja mustusest tänu sellele, et pesuaine seob kogu rasva ja mustuse selliste mitsellide külge.
Happelisus ja tervis
Juba mainitud, et pH-l on inimkeha jaoks suur tähtsus. Lisaks seedetraktile on oluline kontrollida happesuse indeksit ka teistes kehaosades: veres, süljes, nahas – happeline ja aluseline keskkond on paljude bioloogiliste protsesside jaoks suure tähtsusega. Nende määratlus võimaldab teil hinnata keha seisundit.
Nüüd koguvad populaarsust pH-testid – happesuse kontrollimiseks mõeldud nn kiirtestid. Need on tavalised universaalse indikaatorpaberi ribad.
