Odczyn roztworu, skala pH i wskaźniki

W roztworach wodnych występują kationy wodoru $\ce{H+}$ oraz aniony wodorotlenkowe $\ce{OH-}$. O odczynie decyduje nie samo występowanie tych jonów, lecz porównanie ich stężeń.

• Odczyn kwasowy oznacza przewagę kationów wodoru.
• Odczyn obojętny występuje wtedy, gdy stężenia obu rodzajów jonów są jednakowe.
• Odczyn zasadowy oznacza przewagę anionów wodorotlenkowych.

Również czysta woda zawiera niewielką ilość jonów. Powstają one wskutek dysocjacji elektrolitycznej niewielkiej części jej cząsteczek:

$$\ce{H2O <=> H+ + OH-}$$

Ponieważ w tym procesie powstają jednakowe liczby obu rodzajów jonów, woda zachowuje odczyn obojętny.

pH opisuje kwasowość roztworu i zależy od stężenia kationów wodoru. Przedstawiona skala pH obejmuje wartości od $0$ do $14$. Im niższa wartość, tym większe stężenie jonów $\ce{H+}$; przy wyższej wartości ich stężenie jest mniejsze.

Najpierw porównuje się odczyt z wartością $7$:

• Poniżej $7$ występuje odczyn kwasowy.
• Przy wartości $7$ występuje odczyn obojętny.
• Powyżej $7$ występuje odczyn zasadowy.

Jednostki tej skali nie oznaczają jednakowych przyrostów stężenia. Zmiana o jedną jednostkę odpowiada zmianie dziesięciokrotnej. Przesunięcie ku niższym wartościom oznacza wzrost stężenia kationów wodoru, a ku wyższym - jego spadek.

Przy analizie zmiany trzeba oddzielić jej kierunek od końcowego odczynu. Roztwór może stać się mniej zasadowy, ale nadal pozostać zasadowy, jeżeli jego końcowe pH przekracza $7$.

Wskaźniki kwasowo-zasadowe umożliwiają rozpoznawanie odczynu dzięki zmianom barwy. Nie każdy wskaźnik pozwala jednak odróżnić wszystkie rodzaje roztworów.

Uniwersalny papierek wskaźnikowy po zanurzeniu porównuje się z dołączoną skalą barw. Na przedstawionej skali barwy czerwone i pomarańczowe odpowiadają roztworom kwasowym, żółta - obojętnemu, a zielone i niebieskie - zasadowym. Barwa pozwala oszacować pH, nie daje jednak tak dokładnego wyniku jak pomiar urządzeniem.

Oranż metylowy w roztworze kwasu chlorowodorowego jest czerwony, natomiast w wodzie i roztworze wodorotlenku potasu pozostaje żółty. Pozwala więc odróżnić ten kwas od pozostałych dwóch próbek, ale nie rozróżnia ich między sobą.

Fenoloftaleina działa inaczej: w roztworze wodorotlenku potasu przyjmuje malinową barwę, a w wodzie i roztworze kwasu chlorowodorowego jest bezbarwna. Połączenie obserwacji z obu wskaźników umożliwia identyfikację tych trzech cieczy.

Gdy potrzebna jest dokładna wartość, stosuje się pehametr. Wskaźniki obejmują zakresy pH, dlatego ich odczyty są przybliżone.

Barwniki roślinne mogą zmieniać kolor pod wpływem odczynu. Występują między innymi w płatkach hortensji, chabra bławatka oraz w czerwonej kapuście. U hortensji barwa płatków wiąże się z odczynem gleby: na glebie zasadowej jest różowa, a na kwasowej niebieska.

Z czerwonej kapusty można przygotować własne papierki wskaźnikowe:

• Drobno pokroić liście, zalać wrzątkiem, wymieszać i szczelnie przykryć naczynie.
• Po ostygnięciu przecedzić wywar.
• Zanurzyć w nim białe filtry do kawy i poczekać, aż dokładnie nasiąkną.
• Wyjąć filtry, wysuszyć je i dopiero wtedy pociąć na cienkie paski.

Tak przygotowane paski służą do badania odczynu produktów spożywczych i kosmetycznych. Należy zapisać obserwowane zabarwienie, a następnie sformułować wniosek o odczynie. Obserwacja opisuje widoczną zmianę; wniosek wyjaśnia, co ta zmiana oznacza. Nie należy przypisywać dokładnego pH wyłącznie na podstawie niekalibrowanego papierka z kapusty.

Substancje spotykane na co dzień mają różne wartości pH. Produkty spożywcze nie muszą być obojętne, a środki czyszczące mogą mieć wyraźny odczyn zasadowy.

• Czarna kawa ma pH około $5{,}5$, czyli odczyn kwasowy.
• Mleko ma pH od $6{,}3$ do $6{,}6$; mimo bliskości wartości obojętnej pozostaje kwasowe.
• Wybielacz ma pH od $12$ do $13$, a więc odczyn zasadowy.

Także płyny ustrojowe różnią się odczynem. Sok żołądkowy ma pH od $1$ do $3$, natomiast płyn mózgowo-rdzeniowy od $7{,}3$ do $7{,}8$. Zakres pH moczu wynosi od $4{,}8$ do $8{,}4$, więc obejmuje wartości po obu stronach granicy obojętności.

Bardzo niskie pH występuje również w przyrodzie. W wodach trzech jezior w kraterze wulkanu Kelimutu podano zakres od $0{,}4$ do $3{,}1$. Pokazuje to, że zbiornik wodny nie musi mieć odczynu obojętnego.

Pomiar odczynu ma znaczenie praktyczne w wielu dziedzinach, ponieważ warunki chemiczne wpływają zarówno na organizmy, jak i na zachowanie materiałów.

W rolnictwie odczyn gleby wiąże się ze wzrostem i rozwojem roślin. Znając pH, można dobrać odpowiednie uprawy oraz nawozy potrzebne do podwyższenia albo obniżenia pH gleby.

W medycynie bada się między innymi pH krwi. Nawet niewielkie odchylenia mogą świadczyć o zaburzeniach funkcjonowania organizmu, dlatego sam fakt, że wynik nadal odpowiada odczynowi zasadowemu, nie wystarcza do oceny zdrowia.

W przemyśle farmaceutycznym wykorzystuje się zależność rozpuszczania kapsułek od pH roztworu. Ważna jest określona wartość pH, a nie wyłącznie ogólne rozróżnienie na roztwór kwasowy i zasadowy.

W ochronie środowiska pomiar pH składowanych odpadów jest jednym z początkowych działań przy rekultywacji wysypisk. Pomaga wybrać minerały i kompost potrzebne do posadzenia roślin, a tym samym przywrócenia terenom funkcji przyrodniczych.