Co je to pH zjednodušeně?

HODNOTA VODÍKU (PH). Jednou z nejdůležitějších vlastností vodných roztoků je jejich kyselost (neboli zásaditost), která je dána koncentrací iontů H + a OH – (cm. ELEKTROLYTICKÉ DISOCIACE. ELEKTROLYTY). Koncentrace těchto iontů ve vodných roztocích souvisí jednoduchou závislostí [H + ][OH – ] = К_w; (hranaté závorky obvykle udávají koncentraci v jednotkách mol/l). Množství Kw se nazývá iontový součin vody a je při dané teplotě konstantní. Takže při 0 °C se rovná 0,11 H10-14, při 20 °C – 0,69 H10-14 a při 100 °C – 55,0 H10-14. Nejčastěji používaný význam je K_w při 25 o C, což se rovná 1,00 H 10 –14. V absolutně čisté vodě, která neobsahuje ani rozpuštěné plyny, jsou koncentrace iontů H + a OH – stejné (roztok je neutrální). V ostatních případech se tyto koncentrace neshodují: v kyselých roztocích převažují ionty H +, v alkalických roztocích převažují ionty OH –. Ale jejich produkt v jakémkoli vodném roztoku je konstantní. Pokud tedy zvýšíte koncentraci jednoho z těchto iontů, sníží se o stejnou hodnotu i koncentrace druhého iontu. Tedy ve slabém kyselém roztoku, ve kterém [H + ] = 10 –5 mol/l, [OH – ] = 10 –9 mol/l a jejich součin je stále roven 10 –14. Podobně v alkalickém roztoku při [OH – ] = 3,7 H 10 –3 mol/l [H + ] = 10 –14 /3,7 H 10 –3 = 2,7 H 10 –11 mol/l.

Z výše uvedeného vyplývá, že kyselost roztoku lze jednoznačně vyjádřit uvedením koncentrace pouze vodíkových iontů v něm. Například v čisté vodě [H + ] = 10 –7 mol/l. V praxi je s takovými čísly nepohodlné pracovat. Koncentrace iontů H + v roztocích se navíc mohou lišit stabilionkrát – od přibližně 10–15 mol/l (silné alkalické roztoky) do 10 mol/l (koncentrovaná kyselina chlorovodíková), což nelze znázornit na žádném graf. Proto bylo dlouho dohodnuto, že pro koncentraci vodíkových iontů v roztoku by měl být uveden pouze exponent 10, braný s opačným znaménkem; K tomu je třeba koncentraci vyjádřit jako mocninu 10x, bez násobiče, například 3,7 H 10 –3 = 10 –2,43. (Pro přesnější výpočty, zejména v koncentrovaných roztocích, se místo koncentrace iontů používá jejich aktivity.) Tento exponent se nazývá vodíkový exponent a zkráceně pH – z označení vodíku a německého slova Potenz – matematický stupeň. Podle definice tedy pH = –log[H + ]; tato hodnota se může měnit v malých mezích – pouze od –1 do 15 (a častěji – od 0 do 14). V tomto případě 10násobná změna koncentrace iontů H + odpovídá změně pH o jednu jednotku. Označení pH zavedl do vědeckého použití v roce 1909 dánský fyzikální chemik a biochemik S. P. L. Sørensen, který v té době studoval procesy probíhající při kvašení pivního sladu a jejich závislost na kyselosti média.

Při pokojové teplotě v neutrálních roztocích pH = 7, v kyselých roztocích pH 7. Přibližnou hodnotu pH vodného roztoku lze určit pomocí indikátorů. Například methylová oranž při pH 7 žlutá; lakmus při pH 3,1 modrý atd. Přesněji (až setiny zlomku) lze hodnotu pH určit pomocí speciálních přístrojů – pH metrů. Taková zařízení měří elektrický potenciál speciální elektrody ponořené do roztoku; tento potenciál závisí na koncentraci vodíkových iontů v roztoku a lze jej měřit s vysokou přesností.

Zajímavé je srovnání hodnot pH roztoků různých kyselin, zásad, solí (v koncentraci 0,1 mol/l), ale i některých směsí a přírodních objektů. U špatně rozpustných sloučenin označených hvězdičkou se uvádí pH nasycených roztoků.

Tabulka 1. Vodíkové indikátory pro roztoky

Tabulka nám umožňuje provést řadu zajímavých postřehů. Hodnoty pH například okamžitě ukazují relativní sílu kyselin a zásad. Zřetelně je patrná i silná změna neutrálního prostředí v důsledku hydrolýzy solí tvořených slabými kyselinami a zásadami a také při disociaci kyselých solí.

Přírodní voda má vždy kyselou reakci (pH < 7) díky tomu, že je v ní rozpuštěn oxid uhličitý; při reakci s vodou vzniká kyselina: CO₂ + N₂O « H + + NSO₃ 2– . Pokud nasytíte vodu oxidem uhličitým při atmosférickém tlaku, pH výsledné „sody“ bude 3,7; Tato kyselost je přibližně 0,0007% roztok kyseliny chlorovodíkové – žaludeční šťáva je mnohem kyselejší! Ale i když zvýšíte tlak CO₂ nad roztokem do 20 atm, hodnota pH neklesne pod 3,3. To znamená, že sycenou vodu (samozřejmě s mírou) lze pít bez újmy na zdraví, i když je nasycená oxidem uhličitým.

Určité hodnoty pH jsou pro život živých organismů nesmírně důležité. Biochemické procesy v nich musí probíhat při přesně stanovené kyselosti. Biologické katalyzátory – enzymy jsou schopny pracovat pouze v určitých mezích pH a při jejich překročení může jejich aktivita prudce klesnout. Například aktivita enzymu pepsinu, který katalyzuje hydrolýzu bílkovin a tím podporuje trávení bílkovinných potravin v žaludku, je maximální při hodnotách pH okolo 2. Proto je pro normální trávení nutné, aby žaludeční šťáva mají poměrně nízké hodnoty pH: normálně 1,53–1,67. U žaludečního vředu klesá pH průměrně na 1,48 a u dvanácterníkového může dosáhnout i 105. Přesná hodnota pH žaludeční šťávy se stanoví intragastrickým vyšetřením (pH sonda). Pokud má osoba nízkou kyselost, může lékař předepsat užívání slabého roztoku kyseliny chlorovodíkové s jídlem, a pokud je kyselost vysoká, užívejte antacida, například hydroxid hořčíku nebo hliníku. Zajímavé je, že pokud pijete citronovou šťávu, kyselost žaludeční šťávy. půjde dolů! Roztok kyseliny citrónové totiž pouze zředí silnější kyselinu chlorovodíkovou obsaženou v žaludeční šťávě.

V buňkách těla je pH asi 7, v extracelulární tekutině je to 7,4. Nervová zakončení, která jsou mimo buňky, jsou velmi citlivá na změny pH. Při mechanickém nebo tepelném poškození tkání jsou buněčné stěny zničeny a jejich obsah se dostává do nervových zakončení. V důsledku toho člověk cítí bolest. Skandinávský výzkumník Olaf Lindahl provedl následující experiment: pomocí speciálního bezjehlového injektoru byl přes kůži člověka vstříknut velmi tenký proud roztoku, který nepoškodil buňky, ale působil na nervová zakončení. Ukázalo se, že jsou to vodíkové kationty, které způsobují bolest, a jak se pH roztoku snižuje, bolest zesiluje. Podobně roztok kyseliny mravenčí, který se vstřikuje pod kůži bodavým hmyzem nebo kopřivami, přímo „působí na nervy“. Rozdílné hodnoty pH tkání také vysvětlují, proč u některých zánětů člověk pociťuje bolest a u jiných ne.

Zajímavé je, že vstřikování čisté vody pod kůži vyvolalo zvláště silnou bolest. Tento jev, na první pohled zvláštní, se vysvětluje následovně: při kontaktu buněk s čistou vodou následkem osmotického tlaku dochází k jejich prasknutí a jejich obsah ovlivňuje nervová zakončení.

Hodnota pH krve musí zůstat ve velmi úzkých mezích; i mírné okyselení (acidóza) nebo alkalizace (alkalóza) může vést ke smrti organismu. Acidóza je pozorována u nemocí, jako je bronchitida, oběhové selhání, nádory plic, zápal plic, cukrovka, horečka, poškození ledvin a střev. Alkolózu pozorujeme při hyperventilaci plic (nebo při vdechování čistého kyslíku), při anémii, otravě CO, hysterii, mozkovém nádoru, nadměrné konzumaci jedlé sody nebo alkalických minerálních vod a užívání diuretik. Je zajímavé, že pH arteriální krve by mělo být normálně v rozmezí 7,37–7,45 a pH žilní krve – 7,34–7,43. Různé mikroorganismy jsou také velmi citlivé na kyselost prostředí. Patogenní mikrobi se tedy rychle vyvíjejí v mírně zásaditém prostředí, zatímco kyselé prostředí nesnesou. Proto se pro konzervaci (moření, solení) produktů zpravidla používají kyselé roztoky, do kterých se přidávají ocet nebo potravinářské kyseliny. Správná volba pH má velký význam i pro chemické technologické procesy.

Udržení požadované hodnoty pH a zabránění jeho nápadnému odchýlení jedním či druhým směrem při změně podmínek je možné pomocí tzv. pufrovacích (z angl. buff – změkčit šoky) roztoků. Takové roztoky jsou často směsí slabé kyseliny a její soli nebo slabé báze a její soli. Takové roztoky „odolávají“ pokusům o změnu pH v určitých mezích (nazývaných pufrovací kapacita). Pokud se například pokusíte mírně okyselit směs kyseliny octové a octanu sodného, ​​acetátové ionty navážou přebytečné ionty H + na mírně disociovanou kyselinu octovou a pH roztoku se téměř nezmění (je zde mnoho acetátových iontů v tlumivém roztoku, protože vznikají jako výsledek úplné disociace octanu sodného). Na druhou stranu, pokud do takového roztoku přidáte trochu alkálie, přebytečné OH – ionty zneutralizuje kyselina octová při zachování hodnoty pH. Ostatní tlumivé roztoky působí podobným způsobem, přičemž každý z nich si zachovává určitou hodnotu pH. Pufrační účinek mají i roztoky kyselých solí kyseliny fosforečné a slabých organických kyselin – šťavelová, vinná, citrónová, ftalová aj. Konkrétní hodnota pH tlumivého roztoku závisí na koncentraci složek tlumivého roztoku. Acetátový pufr tedy umožňuje udržovat pH roztoku v rozmezí 3,8–6,3; fosfát (směs KN₂RO₄ a Na₂HPO₄) – v rozmezí 4,8 – 7,0, boritan (směs Na₂B₄O₇ a NaOH) – v rozmezí 9,2–11 atd.

Mnoho přírodních kapalin má pufrační vlastnosti. Příkladem je mořská voda, jejíž pufrační vlastnosti jsou z velké části způsobeny rozpuštěným oxidem uhličitým a hydrogenuhličitanovými ionty HCO₃ – . Zdrojem posledně jmenovaného je kromě CO₂, jsou obrovské množství uhličitanu vápenatého ve formě lastur, křídy a vápencových sedimentů v oceánu. Zajímavé je, že fotosyntetická aktivita planktonu, jednoho z hlavních dodavatelů kyslíku do atmosféry, vede ke zvýšení pH prostředí. To se děje v souladu s Le Chatelierovým principem v důsledku posunu rovnováhy při absorpci rozpuštěného oxidu uhličitého: 2H + + CO₃ 2– « Н + + НСО₃ – „N₂S₃ “N₂O + CO₂. Když během fotosyntézy CO₂ + H₂O + hv® 1/n(CH₂O)_n + O.₂ CO se z roztoku odstraní₂, rovnováha se posune doprava a prostředí se stává zásaditější. Hydratace CO v tělesných buňkách₂ katalyzován enzymem karboanhydrázou.

Buněčná tekutina a krev jsou také příklady roztoků přírodních pufrů. Krev tedy obsahuje asi 0,025 mol/l oxidu uhličitého a jeho obsah u mužů je přibližně o 5 % vyšší než u žen. Koncentrace hydrogenuhličitanových iontů v krvi je přibližně stejná (u mužů je jich také více).

Při testování půdy je pH jednou z nejdůležitějších charakteristik. Různé půdy mohou mít pH od 4,5 do 10. Hodnotu pH lze použít zejména k posouzení obsahu živin v půdě a také k posouzení toho, které rostliny mohou v dané půdě úspěšně růst. Například růst fazolí, salátu a černého rybízu je omezován, když je pH půdy nižší než 6,0; zelí – pod 5,4; jabloně – pod 5,0; brambory – pod 4,9. Kyselé půdy jsou obecně méně bohaté na živiny, protože jsou méně schopné zadržovat kovové kationty potřebné pro rostliny. Například vodíkové ionty vstupující do půdy z ní vytěsňují vázané ionty Ca 2+. A hliníkové ionty vytěsněné z jílovitých (hlinitosilikátových) hornin ve vysokých koncentracích jsou pro zemědělské plodiny toxické.

K dezoxidaci kyselých půd se používá vápnění – přidávání látek, které postupně vážou přebytečnou kyselinu. Takovou látkou mohou být přírodní minerály – křída, vápenec, dolomit, stejně jako vápno, struska z hutních závodů. Množství aplikovaného deoxidačního činidla závisí na pufrační kapacitě půdy. Například vápnění jílovité půdy vyžaduje více deoxidačních látek než písčitá půda.

Velký význam mají měření pH dešťové vody, která může být značně kyselá kvůli přítomnosti kyselin sírové a dusičné v ní. Tyto kyseliny se tvoří v atmosféře z oxidů dusíku a síry (IV), které jsou emitovány s odpady z mnoha průmyslových odvětví, dopravy, kotelen a tepelných elektráren. Je známo, že kyselé deště s nízkou hodnotou pH (méně než 5,6) ničí vegetaci a živý svět vodních ploch. Proto je pH dešťové vody neustále sledováno.