pH, kisline in baze
Kislinsko-bazna kemija povezuje prenos protonov z ravnotežjem. pH je logaritemska mera aktivnosti H₃O⁺; v dovolj razredčenih raztopinah pri šolskih izračunih aktivnost pogosto približamo s koncentracijo. pKa pa opisuje položaj disociacijskega ravnotežja določene kisline. Ločitev teh dveh pojmov močno poenostavi razumevanje pufrov in titracij.
pH je logaritem, ne linearna lestvica
Termodinamska definicija je pH = −log₁₀ a(H₃O⁺). Desetkratna sprememba aktivnosti pomeni spremembo pH za eno enoto. Raztopina s pH 3 ima približno desetkrat večjo aktivnost H₃O⁺ kot raztopina s pH 4.
Pri preprostih nalogah z razredčenimi raztopinami uporabljamo pH ≈ −log₁₀[H₃O⁺]. V koncentriranih raztopinah in pri veliki ionski jakosti se aktivnost lahko precej razlikuje od koncentracije.
Jakost kisline je ravnotežna lastnost
Za HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻ konstanta Ka opisuje položaj ravnotežja. pKa = −log₁₀Ka, zato manjši pKa pomeni močnejšo kislino v danem topilu.
Močna kislina je v vodi skoraj popolnoma disociirana; šibka vzpostavi ravnotežje z znatno količino nedisociirane oblike. »Koncentrirana« in »močna« nista sopomenki: prvo opisuje količino, drugo ravnotežje.
Kalkulator pH iz [H₃O⁺]
Voda ima lastno ravnotežje
Avtoprotoliza vode da Kw = a(H₃O⁺)a(OH⁻). V šolskem približku pri 25°C uporabljamo Kw ≈ 1,0×10⁻¹⁴ in pH + pOH ≈ 14,00.
Nevtralnost pomeni enaki aktivnosti H₃O⁺ in OH⁻, ne vedno natančno pH 7. Nevtralni pH se spreminja s temperaturo, ker je Kw temperaturno odvisen.
Pufer uporablja konjugirani par
Mešanica šibke kisline HA in njene konjugirane baze A⁻ lahko sprejme zmerne dodatke H⁺ ali OH⁻. Henderson–Hasselbalchova enačba pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) je uporabna približna zveza, kadar sta obe obliki prisotni v smiselnih količinah.
Največja pufrska kapaciteta je blizu pH ≈ pKa in narašča s skupno koncentracijo para. Enačba ne nadomesti popolne bilance, ko je ena komponenta skoraj porabljena ali je raztopina izredno razredčena.
Titracija poveže stehiometrijo in ravnotežje
Pred ekvivalentno točko najprej opravimo stehiometrično reakcijo kisline z bazo. Pri šibki kislini po delni nevtralizaciji nastane pufer; na polovici ekvivalence velja [A⁻] = [HA], zato pH ≈ pKa.
V ekvivalentni točki šibke kisline z močno bazo raztopina vsebuje predvsem konjugirano bazo, zato je pH navadno nad 7. Po ekvivalenci pH določa presežek močnega titranta.
Model ima meje
Steklena elektroda meri potencial, povezan z aktivnostjo ionov, ne neposredno števila delcev H⁺. Za natančno merjenje so pomembni kalibracija, temperatura in sestava matrice.
pH je lahko v primernih koncentriranih sistemih manjši od 0 ali večji od 14; šolska lestvica 0–14 je uporabna slika za razredčene vodne raztopine, ne temeljna omejitev definicije.
Rešeni primeri
1. [H₃O⁺] = 1,0×10⁻³ mol/L
Rešitev
V koncentracijskem približku je pH = −log₁₀(10⁻³) = 3,00.
2. Pufer z enakima količinama HA in A⁻
Rešitev
V Henderson–Hasselbalchovi enačbi je log(1)=0, zato pH ≈ pKa.
3. Močna ali koncentrirana?
Rešitev
0,010 mol/L HCl je razredčena raztopina, HCl pa je močna kislina. Jakost opisuje disociacijo, ne količine.