Ácidos e álcalis são duas posições extremas da mesma escala: suas propriedades (completamente opostas) são determinadas pelo mesmo valor - a concentração de íons de hidrogênio (H+). No entanto, por si só, esse número é muito inconveniente: mesmo em ambientes ácidos, onde a concentração de íons de hidrogênio é maior, esse número é de centésimos, milésimos de unidade. Portanto, por conveniência, eles usam o logaritmo decimal desse valor, multiplicado por menos um. Costuma-se dizer que isso é pH (potentia Hydrogen), ou um indicador de hidrogênio.
O surgimento do conceito
Em geral, o fato de que um ambiente ácido e um ambiente alcalino são determinados pela concentração de íons hidrogênio H + e que quanto maior sua concentração, mais ácida é a solução (e vice-versa, menor o H + concentração, mais alcalino o ambiente e maior a concentração de íons OH opostos -), é conhecido pela ciência há muito tempo. No entanto, foi somente em 1909 que o químico dinamarquês Sørensen publicou pela primeira vez uma pesquisa na qual usou o conceito de índice de hidrogênio - PH, posteriormente substituído por pH.
Cálculo de acidez
Ao calcular o índice de pH, assume-se que as moléculas de água em solução, embora em quantidades muito pequenas, ainda se dissociam em íons. Esta reação é chamada de autoprotólise da água:
H2O H+ + OH-
A reação é reversível, então uma constante de equilíbrio é definida para ela (mostrando as concentrações médias de cada componente). Aqui está o valor da constante para condições padrão - temperatura 22 °C.
Abaixo entre colchetes - concentrações molares dos componentes indicados. A concentração molar de água na água é de aproximadamente 55 mol/litro, que é um valor de segunda ordem. Portanto, o produto das concentrações dos íons H+ e OH- é cerca de 10-14. Esse valor é chamado de produto iônico da água.
Em água pura, as concentrações de íons hidrogênio e íons hidróxido são 10-7. Assim, o valor de pH da água será de aproximadamente 7. Este valor de pH é considerado um ambiente neutro.
Em seguida, você precisa desviar o olhar da água e considerar uma solução de algum ácido ou álcali. Tomemos, por exemplo, o ácido acético. O produto iônico da água permanecerá o mesmo, mas o equilíbrio entre os íons H+ e OH- mudará para o primeiro: os íons hidrogênio provêm do ácido acético parcialmente dissociado, e os íons hidróxido "extra" irão para as moléculas de água não dissociadas. Assim, a concentração de íons de hidrogênio será maior e o pH será menor (não há necessidade deesqueça que o logaritmo é obtido com um sinal de menos). Assim, ácido e alcalino estão relacionados com o pH. E eles estão conectados da seguinte maneira. Quanto menor o valor do pH, mais ácido o ambiente.
Propriedades ácidas
Ambientes ácidos são soluções com pH inferior a 7. Deve-se notar que, embora o valor do produto iônico da água à primeira vista limite os valores de pH na faixa de 1 a 14, de fato, existem soluções com pH menor que um (e até menor que zero) e maior que 14. Por exemplo, em soluções concentradas de ácidos fortes (sulfúrico, clorídrico) o pH pode chegar a -2.
A solubilidade de certas substâncias pode depender se temos um ambiente ácido ou um ambiente alcalino. Por exemplo, tome hidróxidos de metal. A solubilidade é determinada pelo valor do produto de solubilidade, que tem a mesma estrutura do produto iônico da água: concentrações multiplicadas. No caso do hidróxido, o produto de solubilidade inclui a concentração do íon metálico e a concentração de íons hidróxido. No caso de um excesso de íons de hidrogênio (em um ambiente ácido), eles irão "puxar" mais ativamente os íons de hidróxido do precipitado, deslocando assim o equilíbrio para a forma dissolvida, aumentando a solubilidade do precipitado.
Vale destacar também que todo o trato digestivo humano possui um ambiente ácido: o pH do suco gástrico varia de 1 a 2. O desvio desses valores para cima ou para baixo pode ser sinal de várias doenças.
Propriedades do meio alcalino
Bem um ambiente alcalino, o valor de pH assume valores superiores a 7. Por conveniência, em ambientes com alta concentração de íons hidróxido, o indicador de pH de acidez é substituído pelo indicador de pH de basicidade pOH. É fácil adivinhar que denota um valor igual a -lg[OH-] (logaritmo decimal negativo da concentração de íons hidróxido). Diretamente do produto iônico da água segue a igualdade pH + pOH=14. Portanto pOH=14 - pH. Assim, para todas as afirmações que são verdadeiras para o índice de pH, as afirmações opostas são verdadeiras para o índice de basicidade pOH. Se o pH de um meio alcalino é grande por definição, então seu pOH é obviamente pequeno, e quanto mais forte a solução alcalina, menor o valor de pOH.
Esta frase acaba de introduzir um paradoxo lógico que confunde muitas discussões sobre acidez: baixa acidez indica alta acidez, e vice-versa: valores altos de pH correspondem a baixa acidez. Este paradoxo aparece porque o logaritmo é tomado com um sinal de menos, e a escala de acidez é, por assim dizer, invertida.
Definição prática de acidez
Os chamados indicadores são usados para determinar a acidez do meio. Geralmente são moléculas orgânicas bastante complexas que mudam de cor dependendo do pH do meio. O indicador muda de cor em uma faixa de pH muito estreita: isso é usado em titulações ácido-base para obter resultados precisos: a titulação é interrompida assim que o indicador muda de cor.
Os indicadores mais famosos são metillaranja (intervalo de transição na região com pH baixo), fenolftaleína (intervalo de transição na região com pH alto), tornassol, azul de timol e outros. Em ambientes ácidos e alcalinos, diferentes indicadores são usados dependendo da área em que se encontra seu intervalo de transição.
Existem também indicadores universais - eles mudam sua cor gradualmente de vermelho para roxo profundo ao passar de ambientes fortemente ácidos para fortemente alcalinos. Na verdade, indicadores universais são uma mistura de indicadores comuns.
Para uma determinação mais precisa da acidez, é usado um aparelho - um medidor de pH (potenciômetro, o método, respectivamente, é chamado de potenciometria). Seu princípio de funcionamento é baseado na medição de EMF em um circuito, cujo elemento é uma solução com pH medido. O potencial de um eletrodo imerso em uma solução é sensível à concentração de íons de hidrogênio na solução - daí a mudança em EMF, com base na qual o pH real é calculado.
Acidez de vários ambientes no dia a dia
O índice de acidez é de grande importância no dia a dia. Por exemplo, ácidos fracos - acético, málico - são usados como conservantes. As soluções alcalinas são detergentes, incluindo sabão. O sabão mais simples são os sais de sódio de ácidos graxos. Na água, eles se dissociam: o resíduo de ácido graxo - muito longo - por um lado tem uma carga negativa e, por outro lado - uma longa cadeia não polar de átomos de carbono. Quea extremidade da molécula, na qual a carga participa da hidratação, coleta moléculas de água ao seu redor. A outra extremidade se liga a outras coisas não polares, como moléculas de gordura. Como resultado, são formadas micelas - bolas, nas quais "caudas" com carga negativa se destacam e "caudas" e partículas de gordura e sujeira ficam escondidas no interior. A superfície é lavada de graxa e sujeira devido ao fato de que o detergente retém toda graxa e sujeira em tais micelas.
Acidez e saúde
Já foi mencionado que o pH é de grande importância para o corpo humano. Além do trato digestivo, é importante controlar o índice de acidez em outras partes do corpo: sangue, saliva, pele - ambientes ácidos e alcalinos são de grande importância para muitos processos biológicos. Sua definição permite que você avalie o estado do corpo.
Agora os testes de pH estão ganhando popularidade - os chamados testes expressos para verificar a acidez. São tiras regulares de papel indicador universal.
