pH, kyseliny a zásady
Acidobázická chémia spája prenos protónov s rovnováhou. pH je logaritmická miera aktivity H₃O⁺; v dostatočne zriedených roztokoch sa v školských výpočtoch aktivita často nahrádza koncentráciou. pKa naopak opisuje polohu disociačnej rovnováhy konkrétnej kyseliny. Oddelenie týchto pojmov výrazne sprehľadní tlmivé roztoky aj titrácie.
pH je logaritmus, nie lineárna stupnica
Termodynamická definícia je pH = −log₁₀ a(H₃O⁺). Desaťnásobná zmena aktivity znamená zmenu pH o jednu jednotku. Roztok s pH 3 má približne desaťkrát vyššiu aktivitu H₃O⁺ než roztok s pH 4.
V jednoduchých úlohách so zriedenými roztokmi sa používa pH ≈ −log₁₀[H₃O⁺]. V koncentrovaných roztokoch a pri vysokej iónovej sile sa aktivita môže od koncentrácie výrazne líšiť.
Sila kyseliny je rovnovážna vlastnosť
Pre HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻ opisuje Ka polohu rovnováhy. pKa = −log₁₀Ka, takže menšie pKa znamená v danom rozpúšťadle silnejšiu kyselinu.
Silná kyselina je vo vode takmer úplne disociovaná; slabá nastavuje rovnováhu s významným množstvom nedisociovanej formy. „Koncentrovaná“ a „silná“ nie sú synonymá: prvé opisuje množstvo, druhé rovnováhu.
Kalkulačka pH z [H₃O⁺]
Voda má vlastnú rovnováhu
Autoprotolýza vody dáva Kw = a(H₃O⁺)a(OH⁻). V školskom priblížení pri 25°C sa používa Kw ≈ 1,0×10⁻¹⁴ a pH + pOH ≈ 14,00.
Neutralita znamená rovnaké aktivity H₃O⁺ a OH⁻, nie vždy presne pH 7. Neutrálne pH sa mení s teplotou, pretože Kw je teplotne závislé.
Tlmivý roztok využíva konjugovaný pár
Zmes slabej kyseliny HA a jej konjugovanej zásady A⁻ môže zachytiť mierne prídavky H⁺ alebo OH⁻. Hendersonova–Hasselbalchova rovnica pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) je užitočné priblíženie, ak sú obe formy prítomné v rozumnom množstve.
Najväčšia tlmivá kapacita leží blízko pH ≈ pKa a rastie s celkovou koncentráciou páru. Rovnica nenahrádza úplnú bilanciu, keď je jedna zložka takmer vyčerpaná alebo je roztok extrémne zriedený.
Titrácia spája stechiometriu a rovnováhu
Pred bodom ekvivalencie sa najprv vykoná stechiometrická reakcia kyseliny so zásadou. Pri slabej kyseline po čiastočnej neutralizácii vzniká tlmivý roztok; v polovici ekvivalencie platí [A⁻] = [HA], preto pH ≈ pKa.
V bode ekvivalencie slabej kyseliny so silnou zásadou obsahuje roztok najmä konjugovanú zásadu, takže pH býva nad 7. Za bodom ekvivalencie pH určuje prebytok silného titračného činidla.
Model má hranice
Sklenená elektróda meria potenciál súvisiaci s aktivitou iónov, nie priamo počet H⁺ častíc. Pre presné meranie sú dôležité kalibrácia, teplota a zloženie matrice.
pH môže byť vo vhodných koncentrovaných systémoch menšie než 0 alebo väčšie než 14; školská stupnica 0–14 je užitočný obraz pre zriedené vodné roztoky, nie základné obmedzenie definície.
Vyriešené príklady
1. [H₃O⁺] = 1,0×10⁻³ mol/L
Riešenie
V koncentračnom priblížení pH = −log₁₀(10⁻³) = 3,00.
2. Tlmivý roztok s rovnakým množstvom HA a A⁻
Riešenie
V Hendersonovej–Hasselbalchovej rovnici je log(1)=0, takže pH ≈ pKa.
3. Silná alebo koncentrovaná?
Riešenie
0,010 mol/L HCl je zriedený roztok, ale HCl je silná kyselina. Sila opisuje disociáciu, nie množstvo.