pH i stężenie jonów wodorowych

pH opisuje kwasowość albo zasadowość roztworu wodnego. Jest ono związane ze stężeniem jonów wodorowych oznaczanym jako $[H^+]$. Im więcej tych jonów znajduje się w określonej objętości roztworu, tym roztwór ma bardziej kwasowy charakter i tym jego pH jest niższe.

W roztworze wodnym zapis $H^+$ jest uproszczeniem. Jon wodorowy wiąże się z cząsteczką wody, dlatego można go przedstawić jako jon hydroniowy $H_3O^+$. W zadaniach szkolnych najczęściej posługujemy się jednak zapisem $[H^+]$.

W temperaturze około $25\,^\circ C$ roztwory klasyfikuje się według wartości pH:

• pH mniejsze niż $7$ oznacza odczyn kwasowy;
• $pH=7$ oznacza odczyn obojętny;
• pH większe niż $7$ oznacza odczyn zasadowy.

Czysta woda ma w przybliżeniu $pH=7$, ale nie oznacza to całkowitego braku jonów wodorowych. Jej stężenie $[H^+]$ wynosi około $10^{-7}\,mol/dm^3$. W typowych rozcieńczonych roztworach wodnych spotyka się skalę pH w przybliżeniu od $0$ do $14$.

Zależność ilościową opisuje wzór $pH=-\log[H^+]$. Stężenie $[H^+]$ wyraża się w $mol/dm^3$. Znak minus jest istotny: stężenia jonów wodorowych są zwykle mniejsze od $1\,mol/dm^3$, a pH przyjmuje wtedy dodatnie wartości.

Do obliczenia stężenia, gdy znane jest pH, stosuje się przekształcenie $[H^+]=10^{-pH}$. Jeśli $[H^+]=10^{-4}\,mol/dm^3$, to pH wynosi $4$. Natomiast dla $pH=3$ stężenie jonów wodorowych jest równe $10^{-3}\,mol/dm^3$.

W zadaniach najłatwiejsze są przypadki, w których stężenie ma postać potęgi liczby $10$. Wtedy wykładnik potęgi, po zmianie znaku, wskazuje wartość pH.

Skala pH jest logarytmiczna. Oznacza to, że wzrost pH o $1$ nie odpowiada niewielkiej zmianie, lecz dziesięciokrotnemu spadkowi stężenia $[H^+]$. Analogicznie obniżenie pH o $1$ oznacza dziesięciokrotny wzrost tego stężenia.

Jeżeli porównuje się roztwory o $pH=2$ i $pH=5$, różnica wynosi $3$ jednostki. Roztwór o $pH=2$ ma więc $10^3$, czyli $1000$ razy większe stężenie jonów wodorowych niż roztwór o $pH=5$. Nie należy zatem mówić, że jest „trzy razy bardziej kwasowy”.

W prostych obliczeniach dotyczących mocnych kwasów zakłada się ich niemal całkowitą dysocjację. Dla roztworu HCl o stężeniu $0{,}001\,mol/dm^3$ przyjmuje się zatem $[H^+]\approx0{,}001\,mol/dm^3$, czyli $10^{-3}\,mol/dm^3$. Z tego wynika $pH=3$.

Takiego bezpośredniego utożsamienia stężenia kwasu z $[H^+]$ nie należy automatycznie stosować do każdego kwasu, ponieważ kwasy mogą dysocjować w różnym stopniu. W zadaniu trzeba kierować się podanymi informacjami oraz poziomem przybliżenia.

Odczyn można badać za pomocą wskaźników barwnych, takich jak papierek uniwersalny, ale wynik jest wtedy orientacyjny. Dokładniejszy pomiar zapewnia pehametr, który przed użyciem wymaga właściwego przygotowania i kalibracji.