pH, happed ja alused
Happe-aluse keemia ühendab prootoniülekande ja keemilise tasakaalu. pH on vesinikioonide ehk täpsemalt hüdrooniumi aktiivsuse logaritmiline mõõt; pKₐ kirjeldab happe dissotsiatsioonitasakaalu asendit. Nende rollide eristamine aitab mõista, miks „tugev hape” ei tähenda „kontsentreeritud hape” ning miks puhver takistab pH muutust, kuid ei hoia pH-d täiesti muutumatuna.
Visuaalne mudel
Interaktiivne mudel
Brønstedi happed ja alused
Brønstedi hape loovutab prootoni ja alus võtab prootoni vastu. Võrrandis HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻ moodustavad HA ja A⁻ konjugeeritud happe-aluse paari. Tugev hape on lahjas vees peaaegu täielikult ioniseerunud, nõrk hape loob tasakaalu. Tugevus kirjeldab tasakaalu asendit, mitte seda, kui suur oli aine algkontsentratsioon.
pH, pOH ja vee autoionisatsioon
pH = −log a(H₃O⁺). 25 °C juures lahjades lahustes on K_w≈1,0×10⁻¹⁴ ja seega pH+pOH≈14. Vahemik 0–14 ei ole põhimõtteline piir: väga kontsentreeritud lahustes võib pH olla alla 0 või üle 14 ning K_w sõltub temperatuurist. Ühe pH ühiku erinevus tähendab ligikaudu kümnekordset hüdrooniumi aktiivsuse erinevust.
Kₐ ja pKₐ näitavad happe tugevust
HA korral Kₐ=a(H₃O⁺)a(A⁻)/a(HA) ja pKₐ=−logKₐ. Väiksem pKₐ tähendab tugevamat hapet. Prootoniülekande tasakaal kaldub tavaliselt nõrgema happe ja nõrgema aluse poole, kui võrreldakse samas lahustis. Mitmeprootonilisel happel on mitu järjestikust Kₐ väärtust ning iga aste võib anda oma puhverpiirkonna tiitrimiskõveral.
Puhvrid ja Henderson–Hasselbalch
Ideaalse HA/A⁻ puhvri jaoks pH=pKₐ+log([A⁻]/[HA]). Seos töötab kõige paremini siis, kui mõlemad vormid on märkimisväärses koguses ning kontsentratsioonid lähendavad aktiivsusi. Kui [A⁻]=[HA], siis pH=pKₐ. Puhvermaht sõltub ka absoluutsetest kontsentratsioonidest: sama suhe väga lahjas lahuses ei suuda neutraliseerida sama palju lisatud tugevat hapet või alust.
Tiitrimine ja ekvivalentpunkt
Ekvivalentpunkt määratakse stöhhiomeetrilise neutralisatsiooni järgi, mitte üldise reegliga „pH=7”. Nõrga happe tiitrimisel tugeva alusega on poolekvivalentpunktis [A⁻]=[HA] ja pH=pKₐ. Ekvivalentpunktis on lahuses peamiselt konjugeeritud alus ning pH on tavaliselt aluseline. Õige analüüs eristab stöhhiomeetriat, tasakaalu ja lahjenduse mõju.
Harjutused
Üks pH ühik
Mitu korda suurem on H₃O⁺ aktiivsus pH 3 lahuses võrreldes pH 4 lahusega?
Lahendus: Ligikaudu 10 korda suurem, sest pH on kümnendlogaritmiline skaala.
Puhver
Kui pKₐ=4,76 ja [A⁻]/[HA]=10, mis on Henderson–Hasselbalchi järgi pH?
Lahendus: pH=4,76+log10=5,76.
Poolekvivalentpunkt
Mis seos kehtib lihtsa nõrga happe tiitrimise poolekvivalentpunktis?
Lahendus: [A⁻]=[HA], logaritmiline liige on null ja seega pH=pKₐ.