חומצות ואלקליות הן שני מצבים קיצוניים באותו קנה מידה: התכונות שלהם (הפוכות לחלוטין) נקבעות לפי אותו ערך - ריכוז יוני המימן (H+). עם זאת, כשלעצמו מספר זה מאוד לא נוח: גם בסביבות חומציות, שבהן ריכוז יוני המימן גבוה יותר, מספר זה הוא מאיות, אלפיות יחידה. לכן, מטעמי נוחות, הם משתמשים בלוגריתם עשרוני של ערך זה, כפול מינוס אחד. נהוג לומר שזהו pH (potentia Hydrogen), או מחוון מימן.
הופעת המושג
באופן כללי, העובדה שסביבה חומצית וסביבה בסיסית נקבעות על ידי ריכוז יוני המימן H+ וכי ככל שריכוזם גבוה יותר, התמיסה חומצית יותר (ולהיפך, ה-H + נמוך יותר ריכוז, ככל שהסביבה בסיסית יותר וככל שהריכוז של יוני OH מנוגדים גבוה יותר -), ידוע למדע מזה זמן רב. עם זאת, רק ב-1909 פרסם לראשונה הכימאי הדני Sørensen מחקר שבו השתמש במושג של אינדקס מימן - PH, שהוחלף מאוחר יותר ב-pH.
חישוב של חומציות
כאשר מחשבים את מדד ה-pH, ההנחה היא שמולקולות מים בתמיסה, אם כי בכמויות קטנות מאוד, עדיין מתפרקות ליונים. תגובה זו נקראת מים אוטופרוטוליזה:
H2O H+ + OH-
התגובה היא הפיכה, ולכן מוגדר עבורה קבוע שיווי משקל (המראה את הריכוזים הממוצעים של כל רכיב). הנה הערך של הקבוע לתנאים סטנדרטיים - טמפרטורה 22 מעלות צלזיוס.
למטה בסוגריים מרובעים - ריכוזים מולרים של הרכיבים המצוינים. הריכוז המולארי של המים במים הוא כ-55 מול/ליטר, שהוא ערך מסדר שני. לכן, המכפלה של הריכוזים של יונים H+ ו-OH- הוא בערך 10-14. ערך זה נקרא התוצר היוני של מים.
במים טהורים, הריכוזים של יוני מימן ויוני הידרוקסיד הם 10-7. בהתאם לכך, ערך ה-pH של המים יהיה כ-7. ערך ה-pH הזה נלקח כסביבה ניטרלית.
לאחר מכן, עליך להסיט את המבט מהמים ולשקול פתרון של חומצה או אלקליות כלשהי. קח, למשל, חומצה אצטית. התוצר היוני של המים יישאר זהה, אבל האיזון בין היונים H+ ו-OH- יעבור לכיוון הקודם: יוני מימן מגיעים מחומצה אצטית מפורקת חלקית, ויוני הידרוקסיד "נוספים" ייכנסו למולקולות מים לא מפורקות. לפיכך, ריכוז יוני המימן יהיה גבוה יותר וה-pH יהיה נמוך יותר (אין צורךשכח שהלוגריתם נלקח עם סימן מינוס). בהתאם לכך, חומצי ובסיסי קשורים ל-pH. והם מחוברים בדרך הבאה. ככל שערך ה-pH נמוך יותר, הסביבה חומצית יותר.
מאפיינים חומציים
סביבות חומציות הן פתרונות עם pH נמוך מ-7. יש לציין שלמרות שהערך של התוצר היוני של מים במבט ראשון מגביל את ערכי ה-pH בטווח שבין 1 ל-14, למעשה, קיימות פתרונות עם pH קטן מאחד (ואפילו פחות מאפס) ויותר מ-14. לדוגמה, בתמיסות מרוכזות של חומצות חזקות (גופרית, הידרוכלורית) ה-pH יכול להגיע ל-2.
המסיסות של חומרים מסוימים עשויה להיות תלויה בשאלה אם יש לנו סביבה חומצית או סביבה בסיסית. לדוגמה, קח הידרוקסיד מתכת. המסיסות נקבעת לפי ערכו של תוצר המסיסות, זהה במבנה לתוצר היונים של מים: ריכוזים מוכפלים. במקרה של הידרוקסיד, תוצר המסיסות כולל את ריכוז יון המתכת וריכוז יוני הידרוקסיד. במקרה של עודף של יוני מימן (בסביבה חומצית), הם "יוציאו" באופן אקטיבי יותר יוני הידרוקסיד מהמשקע, ובכך יעבירו את שיווי המשקל לכיוון הצורה המומסת, ויגדילו את מסיסות המשקע.
כדאי להזכיר גם שלכל מערכת העיכול האנושית יש סביבה חומצית: ה-pH של מיץ הקיבה נע בין 1 ל-2. סטייה מערכים אלו למעלה או למטה יכולה להיות סימן למחלות שונות.
מאפיינים של מדיום אלקליין
Bבסביבה בסיסית, ערך ה-pH מקבל ערכים גבוהים מ-7. מטעמי נוחות, בסביבות עם ריכוז גבוה של יוני הידרוקסיד, מחוון ה-pH לחומציות מוחלף במדד ה-pH של בסיסיות pOH. קל לנחש שהוא מציין ערך השווה ל-lg[OH-] (לוגריתם עשרוני שלילי של ריכוז יוני הידרוקסיד). ישירות מהתוצר היוני של מים עוקב אחר השוויון pH + pOH=14. לכן pOH=14 - pH. לפיכך, עבור כל ההצהרות שנכונות לאינדקס ה-pH, ההצהרות ההפוכות נכונות לאינדקס הבסיסיות של pOH. אם ה-pH של תווך אלקליין גדול בהגדרה, אז ה-pOH שלו הוא כמובן קטן, וככל שהתמיסה האלקלית חזקה יותר, כך ערך ה-pOH נמוך יותר.
משפט זה הציג זה עתה פרדוקס לוגי שמבלבל דיונים רבים על חומציות: חומציות נמוכה מעידה על חומציות גבוהה, ולהיפך: ערכי pH גבוהים תואמים לחומציות נמוכה. פרדוקס זה מופיע מכיוון שהלוגריתם נלקח עם סימן מינוס, וסולם החומציות הוא, כביכול, הפוך.
הגדרה מעשית של חומציות
מה שנקרא אינדיקטורים משמשים לקביעת החומציות של המדיום. בדרך כלל מדובר במולקולות אורגניות מורכבות למדי שמשנות את צבען בהתאם ל-pH של המדיום. המחוון משנה צבע בטווח pH צר מאוד: זה משמש בטיטרציות חומצה-בסיס כדי להשיג תוצאות מדויקות: הטיטרציה מופסקת ברגע שהמחוון משנה את צבעו.
האינדיקטורים המפורסמים ביותר הם מתילכתום (מרווח מעבר באזור עם pH נמוך), פנולפטלין (מרווח מעבר באזור עם pH גבוה), לקמוס, כחול תימול ואחרים. בסביבות חומציות ובסביבות אלקליות, נעשה שימוש באינדיקטורים שונים בהתאם לאזור שבו נמצא מרווח המעבר שלהם.
ישנם גם אינדיקטורים אוניברסליים - הם משנים את צבעם בהדרגה מאדום לסגול עמוק כאשר עוברים מסביבות חומציות חזקות לסביבות אלקליות חזקות. למעשה, אינדיקטורים אוניברסליים הם תערובת של אינדיקטורים נפוצים.
לקביעה מדויקת יותר של חומציות משתמשים במכשיר - מד pH (פוטנציומטר, השיטה, בהתאמה, נקראת פוטנציומטריה). עקרון הפעולה שלו מבוסס על מדידת EMF במעגל, שהיסוד שלו הוא תמיסה בעלת pH נמדד. הפוטנציאל של אלקטרודה שקועה בתמיסה רגיש לריכוז יוני המימן בתמיסה - ומכאן השינוי ב-EMF, שעל בסיסו מחושב ה-pH האמיתי.
חומציות של סביבות שונות בחיי היומיום
למדד החומציות יש חשיבות רבה בחיי היומיום. לדוגמה, חומצות חלשות - אצטית, מאלית - משמשות כחומרים משמרים. תמיסות אלקליות הן חומרי ניקוי, כולל סבון. הסבון הפשוט ביותר הוא מלחי נתרן של חומצות שומן. במים הם מתנתקים: לשארית חומצת השומן - ארוכה מאוד - מצד אחד יש מטען שלילי, ומצד שני - שרשרת ארוכה לא קוטבית של אטומי פחמן. זֶהקצה המולקולה, שבו המטען משתתף בהידרציה, אוסף מולקולות מים סביבו. הקצה השני מתחבר לדברים אחרים שאינם קוטביים, כמו מולקולות שומן. כתוצאה מכך נוצרים מיצלות - כדורים, שבהם בולטים "זנבות" בעלי מטען שלילי, ובתוכם מסתתרים "זנבות" וחלקיקי שומן ולכלוך. המשטח נשטף משומן ולכלוך בשל העובדה שחומר הניקוי קושר את כל השומן והלכלוך למיצלות כאלה.
חומציות ובריאות
כבר הוזכר של-PH יש חשיבות רבה לגוף האדם. בנוסף למערכת העיכול, חשוב לשלוט על מדד החומציות בחלקים אחרים של הגוף: דם, רוק, עור – לסביבות חומציות ובסיסיות יש חשיבות רבה לתהליכים ביולוגיים רבים. ההגדרה שלהם מאפשרת לך להעריך את מצב הגוף.
עכשיו בדיקות pH צוברות פופולריות - מה שנקרא בדיקות אקספרס לבדיקת חומציות. הן רצועות רגילות של נייר מחוון אוניברסלי.
