Киселини, основи и pH
🍺 През 1909 г. датският химик Сьорен Сьоренсен работи в лабораторията на пивоварната „Карлсберг“ в Копенхаген и изучава . Оказва се, че те са изключително чувствителни към киселинността – но концентрациите на водородните йони са числа като 0,0000001 mol/L, с които е неудобно да се работи. Сьоренсен предлага прост трик: вместо самата концентрация да се записва показателят на степента ѝ, с обратен знак. Така се ражда pH – една от най-използваните величини в науката. Какво точно означава буквата „p“, и до днес се спори.
1. Киселини и основи по Арениус
Киселините имат кисел вкус, оцветяват лакмуса в червено и разтварят някои метали с отделяне на водород. Основите са сапунени на пипане, оцветяват лакмуса в синьо и неутрализират киселините. Първото обяснение на тези свойства дава Сванте Арениус през 1884 г.: във вода тези вещества се разпадат на .
Киселина и основа по Арениус
Свободен във вода всъщност не съществува – той веднага се свързва с молекула вода и образува хидроксониев йон . За краткост пишем , но трябва да помним, че имаме предвид . Теорията на Арениус обаче не обяснява защо амонякът е основа – в молекулата му няма .
2. Теорията на Брьонстед и Лоури
Киселина и основа по Брьонстед–Лоури
Тази идея предлагат независимо един от друг Йоханес Брьонстед и Томас Лоури през 1923 г. Щом киселината отдаде протон, остава частица, която може да го приеме обратно – спрегнатата ѝ основа. Двете образуват спрегната двойка, която се различава точно с един протон:
Тук водата е киселина, а в – основа. Вещества, които могат да бъдат и едното, и другото, се наричат амфотерни. Колкото по-силна е киселината, толкова по-слаба е спрегнатата ѝ основа: практически не приема протони, а ацетатният йон ги приема охотно.
Пример
Намерете спрегнатите двойки в реакцията .
- отдава протон – тя е киселината, а е спрегнатата ѝ основа.
- приема протон – тя е основата, а е спрегнатата ѝ киселина.
- Двойките са и .
3. Йонното произведение на водата и pH
Дори най-чистата вода провежда слабо ток: малка част от молекулите ѝ си разменят протони, . При 25 °C това са около две молекули на всеки милиард.
Йонно произведение на водата
pH и pOH
Понеже pH е , всяка единица pH означава десет пъти различна концентрация: с pH 3 е 10 пъти по-кисел от разтвор с pH 4 и 1000 пъти по-кисел от разтвор с pH 6. Константата зависи от температурата – при 100 °C неутралната вода има pH около 6,1, без да е кисела.
Пример
Какво е pH на разтвор на NaOH с концентрация 0,001 mol/L?
- NaOH е силна основа: ,
- Същото и през : .
Лимонов сок: pH ≈ 2,3 – кисела среда: [H⁺] е 2,5·10⁹ пъти по-голяма от [OH⁻].
💡 Избери вещество или мести плъзгача. Една единица pH означава 10 пъти по-голяма или по-малка концентрация на H⁺. Стойностите за веществата са приблизителни, а цветовете на индикаторите – схематични. Забележи: фенолфталеинът не различава кисела от неутрална среда (безцветен е и в двете), а метилоранжът е жълт във всичко над pH ≈ 4,4.
4. Силни и слаби киселини
Силните киселини – , , , , и (по първата степен) – в разреден разтвор дисоциират практически напълно, затова . Силни основи са на и на Ca, Sr, Ba. Слабите киселини дисоциират само частично и в разтвора се установява химично равновесие. Силата им се мери с константата на равновесието:
Константа на дисоциация на киселина
| Киселина | Формула | (25 °C) |
|---|---|---|
| флуороводородна | ||
| мравчена | ||
| оцетна | ||
| въглеродна (I степен) | ||
| хипохлориста | ||
| циановодородна | ||
| амониев йон |
Стойностите в различните справочници се разминават с няколко стотни. Ако киселината е слаба и не много разредена, дисоциира малка част от нея и . Тогава от следва прост извод:
Закон за разреждането на Оствалд
Пример
Каква е степента на дисоциация и pH на оцетна киселина с концентрация 0,1 mol/L ()?
- – само 1,34% от молекулите
- ,
- Солна киселина със същата концентрация има pH 1 – около 75 пъти повече .
По същия начин силата на слабите основи се мери с . За спрегната двойка : колкото по-слаба е киселината, толкова по-силна е спрегнатата ѝ основа.
5. Неутрализация и титруване
При реакцията между киселина и основа се получават сол и вода. Същността ѝ в разреден разтвор е една и съща за всички силни киселини и основи: . Затова неизвестна концентрация на киселина може да се намери, като към нея се добавя основа с известна концентрация, докато се неутрализира. Това е титруването.
Еквивалентна точка
Краят на титруването се вижда по индикатор – слаба органична киселина, чиято спрегната основа има друг цвят. Индикаторът сменя цвета си в интервал от около две единици pH около своето . Подходящ е този, чийто интервал попада в стръмния скок на кривата на титруване.
| Индикатор | Интервал на прехода (pH) | Кисела форма | Основна форма |
|---|---|---|---|
| метилоранж | червен | жълт | |
| метилчервено | червен | жълт | |
| лакмус | червен | син | |
| бромтимолово синьо | жълт | син | |
| фенолфталеин | безцветен | малиновочервен |
Пример
За неутрализацията на 20,0 mL солна киселина са изразходвани 16,0 mL NaOH с концентрация 0,100 mol/L. Каква е концентрацията на киселината?
Фенолфталеин е подходящ: сменя цвета си вътре в скока на pH, така че краят на титруването съвпада с еквивалентната точка с точност по-добра от 0,1 mL.
💡 В колбата има 25 mL киселина с концентрация 0,1 mol/L, от бюретата капе NaOH 0,1 mol/L. Кривата е пресметната точно от равновесията в разтвора. Цветната ивица е интервалът на прехода на индикатора. При слаба киселина зелената точка (половината от еквивалентния обем) е при pH = pKa, а еквивалентната точка е над 7 – получената сол хидролизира. При HClO скокът е толкова малък, че от тези индикатори пасва само тимолфталеинът.
6. Буферни разтвори
Буферен разтвор
Как работи? Добавените се свързват от основата: , а добавените – от киселината: . Силната киселина или основа се превръща в слаба и pH едва се помръдва – докато не се изчерпи единият от компонентите.
Уравнение на Хендерсън–Хаселбалх (за напреднали)
Пример
Какво е pH на разтвор, съдържащ 0,1 mol/L оцетна киселина и 0,2 mol/L натриев ацетат ()?
Буфер: H⁺ се свързва с CH₃COO⁻ и pH се променя само с 0,18, а във водата – с 5,30.
💡 HA е оцетната киселина, A⁻ – ацетатът от натриевия ацетат. Чашите са оцветени с универсален индикатор. Концентрациите са в mol/L, добавката е в милимолове (като концентриран разтвор – промяната на обема пренебрегваме). pH е пресметнато точно. Буферът задържа pH най-добре, когато двата компонента са в близки количества – тогава pH ≈ pKa = 4,76. Нулирай натриевия ацетат, за да видиш степента на дисоциация на чистата оцетна киселина.
Буфери има навсякъде около нас: в кръвта ( и фосфатите поддържат pH 7,35–7,45), в морската вода, в почвата, в шампоаните и лекарствата. В лабораторията с буфери се калибрират pH-метрите.
7. Тренажор
pH на силни киселини и основи, pOH, концентрация на H⁺, разреждане, слаби киселини и неутрализация. Десетичните отговори въвеждай като 3,5.
Колко mL NaOH неутрализират киселината?
8. Киселини и основи в живота
Таблетки за , оцет, езера, лимони и собствената ни кръв – навсякъде pH има значение.
💊 Таблетка против киселини
Таблетка съдържа 400 mg магнезиев хидроксид . Колко милимола HCl неутрализира тя и колко милилитра стомашен сок с концентрация на HCl 0,1 mol/L отговаря това?
🫙 Колко е силен оцетът
За титруването на 10,0 mL оцет с фенолфталеин са изразходвани 15,0 mL разтвор на NaOH с концентрация 0,5 mol/L. Каква е моларната концентрация на оцетната киселина и колко грама от нея има в литър оцет?
🏞️ Вкиселено езеро
Заради киселинни дъждове pH на планинско езеро е спаднало от 6,5 на 5,0. Колко пъти се е увеличила концентрацията на водородните йони?
🍋 Лимон и кафе
Лимоновият сок има pH около 2,3, а кафето – около 5,0. Каква е концентрацията на H⁺ в лимоновия сок (в mmol/L) и колко пъти е по-голяма от тази в кафето?
🩸 Буферът в кръвта
pH на кръвта се поддържа около 7,4 главно от двойката . При телесна температура за нея се използва . Какво е отношението в кръвта?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
9. ⚠️ Чести грешки
pH е линейна скала
✗ pH 3 е два пъти по-кисело от pH 6.
✓ Разликата е 3 единици – пъти повече .
Разреждане до основна среда
✗ Ако разредим киселина 10⁹ пъти, pH става 10.
✓ pH на разредена киселина се доближава до 7, но не го надминава – остава водата.
Слаба = разредена
✗ Оцетната киселина е слаба, значи разтворът ѝ е разреден.
✓ „Слаба“ означава малка степен на дисоциация; ледената оцетна киселина е концентрирана, но слаба.
за всяка киселина
✗ pH на 0,1 M оцетна киселина е 1.
✓ Това важи само за силни киселини; за оцетната .
Неутрално в еквивалентната точка
✗ При титруване pH в еквивалентната точка винаги е 7.
✓ Само при силна киселина и силна основа; със слаба киселина е над 7.
Знакът в pH
✗
✓ – иначе pH би било отрицателно.
10. 🎯 Бърз тест
Какво е киселина според теорията на Брьонстед и Лоури?
11. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
12. Обобщение
- ✓ По Арениус киселините отделят , а основите – ; по Брьонстед–Лоури киселината е донор, а основата – акцептор на протони
- ✓ Спрегнатите двойки () се различават с един протон
- ✓ при 25 °C; ,
- ✓ Силните киселини дисоциират напълно; за слабите , и
- ✓ При неутрализация ; в еквивалентната точка ; индикаторът трябва да сменя цвета си в скока на pH
- ✓ Буферът (слаба киселина + спрегнатата ѝ основа) задържа pH:
💡 Интересен факт
Индикатор можеш да направиш и вкъщи: свари нарязано червено зеле и прецеди отварата. Багрилата в нея (антоцианите) са червени в кисела среда, лилави – в близка до неутралната, и синьо-зелени до жълти в силно основна. Капни от отварата в оцет, в разтвор на сода бикарбонат и в сапунена вода – ще получиш цяла дъга от цветове.