Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 23

Zapis chemiczny wody wyraża się jako H₂O – jest on nam powszechnie znany. Dwa atomy wodoru są związane z atomem tlenu i tworzą cząsteczkę wody. Czasem jednak dwie cząsteczki wody tak silnie się ze sobą zderzają, że atom wodoru przeskakuje do innej cząsteczki wody, porzucając swój elektron. W ten sposób będący protonem jon H⁺ zmienia swoją cząsteczkę rdzenną, w wyniku czego dochodzi do powstania jonu oksoniowego (H₃O⁺) oraz jonu wodorotlenkowego (OH^–). Jeśli takie jony spotkają się w późniejszym czasie, jest bardzo prawdopodobne, że proton „przeskoczy” z powrotem. Reakcja ta – zwana również autoprotolizą – przebiega zatem w obie strony:

2 H₂O H₃O⁺ + OH^–

Przejście jonu H⁺ (protonu) na inną cząsteczkę wody. Czerwone kule są jądrami atomowymi, a zielone chmury przedstawiają przestrzenie występowania (orbitale) zewnętrznych par elektronów

Równowaga leży przy tym daleko po lewej stronie. W zwykłej szklance czystej wody w temperaturze 25°C stężenie jonów oksoniowych i wodorotlenkowych wynosi jedną dziesięciomilionową mola na litr (czyli 10^–7 mol/l) dla każdej grupy tych jonów. Mol oznacza konkretną liczbę cząsteczek. Tak jak tuzin cząsteczek zawsze oznacza dwanaście cząsteczek, 1 mol zawsze zawiera około 6,022 ⋅ 10²³ cząsteczek. Ta bardzo duża, nieco nierówna liczba nazywana jest również stałą Avogadro. Została ona wybrana tak, by 1 mol atomów węgla ¹²C ważył dokładnie 12 g i by 1 mol protonów lub neutronów ważył około 1 g (lekkie elektrony można tu zignorować). W przypadku cząsteczek wody otrzymujemy w ten sposób wagę 18 g na 1 mol, a więc jeden litr wody (1000 g) zawiera 55,6 moli cząsteczek wody. 10^–7 moli jonów H₃O⁺ w tym litrze wody oznacza, że na 1,8 miliarda cząsteczek wody przypada tylko jeden jon H₃O⁺ (oraz analogicznie jeden jon OH^–).

Gdyby z 1 mola (ok. 6,022∙10²³) ziarenek piasku o objętości ziarenka wynoszącej 0,001 mm³ ulepić kulę piaskową, to miałaby ona średnicę około 10 km, czyli tyle, co małe miasto

Jeśli na przykład dodać kwas solny HCl do wody, wówczas protony (H⁺) uwalniają się od cząsteczek kwasu i tworzą wraz z cząsteczkami wody dodatkowe jony H₃O⁺. Zakładając, że liczba jonów H₃O⁺ wzrasta przez to o współczynnik 100, to ów naddatek jonów H₃O⁺ wyłapuje 100 razy szybciej niż uprzednio jony OH^– i tworzy z nimi cząsteczki wody. Wówczas liczba jonów OH^– spada o współczynnik 100.

Sytuacja przedstawia się analogicznie, gdy dodamy zasadę taką jak na przykład wodorotlenek sodu (NaOH) do wody, w wyniku czego wzrośnie liczba jonów OH^–. Liczba jonów H₃O⁺ spadnie o ten sam współczynnik, z jakim wzrosła liczba jonów OH^–.

Aby określić, jak kwaśny lub zasadowy jest roztwór wodny, wystarczy podać stężenie jonów H₃O⁺, ponieważ wówczas można automatycznie określić stężenie jonów OH^–. Przez wygodę zazwyczaj nie podaje się bezpośrednio stężenia H₃O⁺ w molach na litr, lecz jedynie liczbę w wykładniku potęgi z symbolem minusa. Liczba ta to właśnie pH!

Przykłady substancji o różnych wartościach pH

Jeśli więc na przykład stężenie H₃O⁺ w kwaśnym roztworze cieczy jest zwiększone stukrotnie i wynosi 10^–5 mol/l, wówczas wartość pH jest równa 5. Stężenie OH^– jest wtedy odpowiednio stukrotnie zredukowane i wynosi 10^–9 mol/l. W obojętnej, czystej wodzie o temperaturze 25°C wartość pH wynosi 7 i odpowiada stężeniu jonów H₃O⁺ i OH^– po 10^–7 mol/l. W przypadku roztworu zasadowego ze stukrotnie zwiększonym stężeniem OH^– (10^–5 mol/l) i odpowiednio stukrotnie zredukowanym stężeniem H₃O⁺ (10^–9 mol/l) wartość pH wyniosłaby 9. Podsumowując, wartość pH mniejsza niż 7 oznacza roztwór kwaśny, większa niż 7 – zasadowy, a równa 7 – neutralny.

W przypadku wielu barwników kolor zależy od pH, dzięki czemu są one dobrymi wskaźnikami