pH, kwasy i zasady

Chemia kwasowo-zasadowa łączy przenoszenie protonów z równowagą. pH jest logarytmiczną miarą aktywności H₃O⁺; w dostatecznie rozcieńczonych roztworach szkolne obliczenia często zastępują aktywność stężeniem. pKa opisuje natomiast położenie równowagi dysocjacji konkretnego kwasu. Rozdzielenie tych dwóch pojęć porządkuje bufory i miareczkowanie.

01234567891011121314H3O+OH-pH = -log10 a(H3O+)

pH jest logarytmem, nie liniową skalą

Definicja termodynamiczna ma postać pH = −log₁₀ a(H₃O⁺). Dziesięciokrotna zmiana aktywności oznacza zmianę pH o jedną jednostkę. Roztwór o pH 3 ma około dziesięć razy większą aktywność H₃O⁺ niż roztwór o pH 4.

W prostych zadaniach z rozcieńczonymi roztworami przyjmuje się pH ≈ −log₁₀[H₃O⁺]. W stężonych roztworach i przy dużej sile jonowej aktywność może wyraźnie różnić się od samego stężenia.

Moc kwasu to równowaga

Dla HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻ stała Ka opisuje położenie równowagi. pKa = −log₁₀Ka, więc mniejsze pKa oznacza silniejszy kwas w danym rozpuszczalniku.

Mocny kwas jest w wodzie prawie całkowicie zdysocjowany; słaby ustala równowagę z istotną ilością niezdysocjowanej formy. „Stężony” i „mocny” nie są synonimami: pierwsze mówi o ilości, drugie o równowadze.

Kalkulator pH z [H₃O⁺]

Woda także tworzy równowagę

Autoprotoliza wody daje Kw = a(H₃O⁺)a(OH⁻). W szkolnym przybliżeniu przy 25°C stosuje się Kw ≈ 1,0×10⁻¹⁴ i pH + pOH ≈ 14,00.

Neutralność oznacza równe aktywności H₃O⁺ i OH⁻, a nie zawsze dokładnie pH 7. Wartość neutralnego pH zmienia się z temperaturą, ponieważ Kw jest zależne od temperatury.

Bufor opiera się nagłównej parze sprzężonej

Mieszanina słabego kwasu HA i jego zasady sprzężonej A⁻ może pochłaniać umiarkowane dodatki H⁺ lub OH⁻. Równanie Hendersona–Hasselbacha pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) jest użytecznym przybliżeniem, gdy obie formy są obecne w sensownych ilościach.

Największa pojemność buforowa występuje w pobliżu pH ≈ pKa i rośnie wraz z całkowitym stężeniem pary. Równanie nie zastępuje bilansu, gdy składnik jest prawie wyczerpany albo roztwór jest skrajnie rozcieńczony.

Miareczkowanie łączy stechiometrię i równowagę

Przed punktem równoważnikowym najpierw rozlicza się reakcję kwasu z zasadą. Dla słabego kwasu po częściowej neutralizacji powstaje bufor; w połowie punktu równoważnikowego [A⁻] = [HA], więc pH ≈ pKa.

W punkcie równoważnikowym słabego kwasu i mocnej zasady roztwór zawiera głównie zasadę sprzężoną, dlatego pH zwykle przekracza 7. Po przekroczeniu punktu równoważnikowego pH kontroluje nadmiar mocnego titranta.

Model ma granice

Elektroda szklana mierzy potencjał związany z aktywnością jonów, a nie liczy bezpośrednio cząsteczek H⁺. Kalibracja, temperatura i skład matrycy mają znaczenie w pomiarach dokładnych.

pH może być mniejsze od 0 lub większe od 14 w odpowiednich stężonych układach; szkolna skala 0–14 jest użytecznym obrazem dla rozcieńczonych roztworów wodnych, nie fundamentalnym ograniczeniem definicji.

Przykłady rozwiązane

1. [H₃O⁺] = 1,0×10⁻³ mol/L

Rozwiązanie

W przybliżeniu stężeniowym pH = −log₁₀(10⁻³) = 3,00.

2. Bufor z równymi ilościami HA i A⁻

Rozwiązanie

W równaniu Hendersona–Hasselbacha log(1)=0, więc pH ≈ pKa.

3. Mocny czy stężony?

Rozwiązanie

0,010 mol/L HCl jest rozcieńczony, lecz HCl jest mocnym kwasem. „Moc” opisuje dysocjację, nie ilość kwasu.