O pH i jego odbiciu lustrzanym – pOH

Reklamy nieustannie przypominają nam o kwasowym pH skóry, balansie wody w organizmie i odpowiednim odczynie jamy ustnej. Łatwo się w tym wszystkim pogubić, dlatego wyjaśniamy, jak wyznaczyć odczyn roztworu, czym jest skala pH i dlaczego zachwianie tej równowagi może sprawić nam wiele kłopotów.

Każdego dnia mamy kontakt z różnymi płynami: rano pijemy herbatę, po treningu wodę, a na pierwsze danie jemy zupę. W chemii płyny nazywamy roztworami, są one niezwykle ważnym środowiskiem przeprowadzania reakcji. Zazwyczaj jeżeli mówimy o mieszaninach, mamy na myśli wodę pełniącą funkcję rozpuszczalnika oraz substancję w niej rozpuszczoną. Każdy roztwór w chemii posiada swój unikatowy odczyn, który informuje nas o jego właściwościach. Ale od początku – czym jest pH?

Podstawy, czyli co to jest odczyn i skala pH?

Odczyn to właściwość roztworu, która określa stosunek jonów wodorowych do jonów wodorotlenkowych w nim występujących.

Zasadniczo wszystkie roztwory można podzielić na trzy kategorie:

• kwasowe – posiadają większe stężenie jonów wodorowych [H⁺]>[OH‾], 
• zasadowe – charakteryzują się większym stężeniem jonów wodorotlenowych [H⁺]<[OH‾], 
• obojętne – mają dokładnie takie samo stężenie jonów wodorowych co wodorotlenowych [H⁺]=[OH‾].

Do określania odczynu naukowcy używają specjalnej skali pH, która jest miarą kwasowości i zasadowości roztworów. Przyjmuje zawsze wartości dodatnie w zakresie od 0 do 14.

Rys. 1. Skala pH

Wiesz już, czym jest pH – określa stężenie jonów wodorowych w roztworze. Wszystkie substancje mieszczące się w zakresie skali od 0 do mniej niż 7 określane są kwasowymi. pH roztworów neutralnych jest równe 7, co łatwo zapamiętać – w końcu to szczęśliwa siódemka. Z kolei mieszaniny posiadające pH powyżej 7 do 14 nazywamy zasadowymi. 

Wzór na wyznaczenie pH to ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych 

pH = – log₁₀[H⁺]

Występujący w równaniu logarytm dziesiętny jest wykładnikiem potęgi, do której podniesiono liczbę 10. Dziesięciokrotna zmiana wartości liczby powoduje zmianę wartości jej logarytmu tylko o jeden. Dzięki temu roztwór o pH równym 5 jest 10 razy bardziej kwasowy niż roztwór o pH 6 i 100 razy bardziej kwasowy niż roztwór o pH 7 (10 x 10).

Jony w roztworach

No dobrze, ale skąd właściwie biorą się jony H⁺ i OH‾ w roztworze?  Rozpuszczalne związki ulegają rozpadowi w wodzie. Nazywamy to dysocjacją elektrolityczną. Substancje o charakterze kwasowym rozpadną się na aniony i kationy wodorowe, a te o charakterze zasadowym – na kationy i aniony wodorotlenkowe. Woda w roztworach może zachowywać się jak zasada lub kwas, dzięki czemu jest dobrym rozpuszczalnikiem wielu substancji. Tę właściwość możemy zaobserwować, przyglądając się równaniu autodysocjacji wody:

H₂O ⇄ H⁺ + OH‾

Rys. 2. Skala pH i pOH

Musimy pamiętać, że skala pH mówi nam o stężeniu kationów H⁺. Jednak w każdym roztworze, nawet kwasowym, część jonów stanowią aniony OH‾.  Możemy to w prosty sposób obliczyć za pomocą równania na wartość pOH, czyli ujemnego logarytmu dziesiętnego ze stężenia jonów wodorotlenkowych:

pOH = -log[OH‾ ]

W przypadku rzadko stosowanej na co dzień skali pOH należy pamiętać, że wartości od 0 do mniej niż 7 świadczą o odczynie zasadowym.  pOH jest lustrzanym odbiciem pH, dlatego dla każdego roztworu możemy obliczyć wartość obu parametrów, ponieważ stężenie jonów wodorowych i wodorotlenkowych pozostaje w stałej równowadze w roztworze. Z tego względu warto zapamiętać zależność:

pH + pOH = 14

Wynik tego równania to dokładnie 14, czyli maksymalna wartość, jaką można uzyskać na skali pH. W takiej sytuacji w roztworze stężenie jonów H⁺ jest znikome – niemal wszystkie jony to OH‾ .

Czy człowiek posiada charakterystyczne pH?

Utrzymywanie odpowiedniego pH w naszym organizmie jest niezwykle ważne. Zachwiana równowaga kwasowo-zasadowa prowadzi do wielu problemów zdrowotnych, a wszystko rozpoczyna się już w jamie ustnej. Szkliwo, które okala zęby, pełni istotną funkcję, chroniąc je przed uszkodzeniem i zepsuciem. W odpowiednich warunkach panujących w jamie ustnej pozostaje bardzo twarde i wytrzymałe. Wszystko się jednak zmienia, jeżeli pH spadnie poniżej wartości 5,5. Dzieje się tak, gdy resztki pokarmu znajdujące się między zębami zaczynają być rozkładane przez bakterie występujące naturalnie w naszej jamie ustnej. W wyniku tego procesu produkowane są substancje kwasowe obniżające pH i tym samym powoli niszczące szkliwo. Dlatego tak ważne jest, aby myć zęby co najmniej dwa razy dziennie. Dodatkowo pasty do zębów posiadają zasadowy odczyn, pozwalający zachować równowagę kwasowo-zasadową w jamie ustnej.

Rys. 3. Ciało człowieka

Kolejnym miejscem w naszym organizmie, gdzie odczyn pH odgrywa istotną rolę, jest żołądek. Sok żołądkowy posiada bardzo niskie pH poniżej 2. Dzieje się to za sprawą kwasu chlorowodorowego, który jest produkowany w komórkach błony śluzowej. Obecność kwasu jest bardzo ważna, np. dzięki niemu zabijane są bakterie, które trafiają do naszego organizmu wraz z pokarmem. W zależności od tego, co jemy, odczyn w żołądku ulega zmianie na bardziej kwasowy lub neutralny. Czasem po zjedzeniu niezdrowego jedzenia możemy odczuwać nieprzyjemne pieczenie w przełyku. W takiej sytuacji lekarze zalecają spożycie tabletki na nadkwasotę. Zawiera ona substancję zasadową, która w kontakcie z sokiem żołądkowym częściowo go neutralizuje, zmniejszając nieprzyjemne uczucie w przełyku. 

Co ciekawe, cały układ pokarmowy posiada środowiska o różnym pH, niezwykle istotne na każdym etapie trawienia. Na przykład w jelicie pH utrzymuje się w przedziale od 7 do 8, więc jest lekko zasadowe.

Podsumowanie

1. Substancje kwasowe posiadają pH poniżej 7, w większości możemy o nich myśleć jak o kwaśnych substancjach. 
2. Zasady mają pH powyżej 7 i są zazwyczaj gorzkie. 
3. Substancje kwasowe i zasadowe mają zdolność do reagowania ze sobą, dzięki czemu mogą powstać roztwory o neutralnym odczynie, czyli pH = 7, posiadające równe stężenie jonów H⁺ i OH‾ w roztworze. 
4. Skala pH umożliwia dokładne określenie odczynu substancji. Przyjmuje wartości liczbowe w zakresie od 0 do 14.

Sprawdź poprzedni wpis z serii “Ciekawa chemia”. Kliknij.

Materiały źródłowe