Odczyn roztworu i skala pH

W roztworze wodnym o odczynie decyduje relacja między stężeniami dwóch rodzajów jonów: kationów wodoru $\ce{H+}$ oraz anionów wodorotlenkowych $\ce{OH-}$. Ważna jest ich wzajemna przewaga, a nie sama obecność.

• Odczyn kwasowy występuje przy większym stężeniu kationów wodoru.
• Odczyn obojętny występuje przy równych stężeniach obu rodzajów jonów.
• Odczyn zasadowy występuje przy większym stężeniu anionów wodorotlenkowych.

Także w czystej wodzie znajdują się oba rodzaje jonów. Powstają one wskutek dysocjacji elektrolitycznej niewielkiej części cząsteczek wody:

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

Ponieważ w tym procesie powstają równe liczby obu rodzajów jonów, czysta woda jest obojętna.

pH umożliwia liczbowy opis kwasowości roztworu. Jego wartość zależy od stężenia kationów wodoru: gdy stężenie to rośnie, pH maleje; gdy stężenie maleje, pH rośnie.

Omawiana skala pH obejmuje wartości od $0$ do $14$. Punktem rozdzielającym odczyn kwasowy i zasadowy jest $7$.

• $\mathrm{pH}<7$ oznacza odczyn kwasowy.
• $\mathrm{pH}=7$ oznacza odczyn obojętny.
• $\mathrm{pH}>7$ oznacza odczyn zasadowy.

Skala nie opisuje zmian stężenia w sposób liniowy. Przesunięcie o $1$ jednostkę pH odpowiada zmianie stężenia kationów wodoru aż dziesięciokrotnie. Spadek pH oznacza wzrost tego stężenia, a wzrost pH - jego spadek.

Przy rozpatrywaniu zmiany odczynu trzeba sprawdzić końcową wartość pH. Samo obniżenie pH nie dowodzi, że roztwór stał się kwasowy: może nadal mieć wartość większą od $7$.

Produkty oraz płyny występujące w otoczeniu mają różne wartości pH. Aby określić ich odczyn, należy porównać zmierzone pH z $7$.

Czarna kawa zwykle ma odczyn kwasowy. Roztwory niektórych środków do czyszczenia zlewozmywaków są silnie zasadowe. Konkretne wartości pH zależą między innymi od składu i stężenia produktu.

Proszek do pieczenia zawiera wodorowęglan sodu oraz składniki kwasowe. Odczyn jego mieszaniny z wodą zależy od składu, dlatego nie należy przypisywać wszystkim proszkom do pieczenia zakresu pH od $9$ do $11$.

Woda użytkowa może mieć odczyn kwasowy, obojętny lub zasadowy, zależnie od rozpuszczonych substancji. Nie należy mylić jej z czystą wodą, w której stężenia kationów wodoru i anionów wodorotlenkowych są równe.

Płyny ustrojowe również różnią się wartością pH. Krew i płyn mózgowo-rdzeniowy mają w prawidłowych warunkach odczyn lekko zasadowy, natomiast sok żołądkowy ma odczyn kwasowy.

Silnie kwasowe wody występują także w przyrodzie, na przykład w jeziorach wulkanicznych.

Wskaźniki kwasowo-zasadowe pozwalają badać odczyn dzięki zmianie barwy. Ich zastosowanie jest przydatne, gdy trzeba szybko rozpoznać charakter roztworu lub oszacować pH. Nie zapewniają jednak tak dokładnego wyniku jak pomiar przyrządem.

Oranż metylowy jest czerwony w roztworze kwasu chlorowodorowego, natomiast w wodzie i roztworze wodorotlenku potasu pozostaje żółty. Fenoloftaleina w roztworze wodorotlenku potasu przyjmuje malinową barwę, a w wodzie i roztworze kwasu chlorowodorowego pozostaje bezbarwna. Różne wskaźniki nie muszą więc przyjmować tej samej barwy w tym samym roztworze.

Barwniki roślinne również mogą reagować na odczyn. Przykładem są hortensje: na glebie zasadowej ich płatki są różowe, a na kwasowej - niebieskie. Zmiana koloru pokazuje związek między właściwościami barwnika a warunkami, w których znajduje się roślina.

Gdy potrzebna jest dokładna wartość, stosuje się pehametr. Urządzenie to służy do pomiaru pH, podczas gdy wskaźniki przede wszystkim umożliwiają jego oszacowanie.

Badanie odczynu ma praktyczne znaczenie w wielu dziedzinach. W rolnictwie pH gleby pomaga ustalić, jakie rośliny warto uprawiać oraz jakie nawozy zastosować, aby odpowiednio zmienić jej odczyn. Jest to ważne, ponieważ warunki glebowe wpływają na wzrost i rozwój roślin. Do badania pH gleby można używać kwasomierza.

W medycynie analizuje się pH krwi. Nawet niewielka zmiana może świadczyć o nieprawidłowym funkcjonowaniu organizmu. Wskazano, że odchylenie pH krwi o $0{,}2$ jednostki jest oznaką choroby, co pokazuje znaczenie niewielkich zmian tej wielkości.

W przemyśle farmaceutycznym wykorzystuje się fakt, że kapsułki zawierające lek rozpuszczają się w roztworze o określonym pH. Znaczenie ma więc odczyn środowiska, w którym znajduje się kapsułka.

W ochronie środowiska oznaczanie pH jest jednym z początkowych działań przy rekultywacji składowisk odpadów. Rekultywacja polega na przywracaniu terenom funkcji przyrodniczych, między innymi przez zalesianie. Znajomość odczynu odpadów pozwala dobrać minerały i kompost potrzebne do sadzenia roślin.

Do przygotowania własnych papierków można wykorzystać wywar z czerwonej kapusty. Zawarty w nim barwnik jest naturalnym wskaźnikiem, a papier staje się jego nośnikiem.

• Drobno pokrojoną kapustę umieszcza się w naczyniu i zalewa wrzątkiem.
• Po wymieszaniu naczynie szczelnie się przykrywa.
• Ostudzony wywar należy przecedzić.
• W otrzymanym roztworze zanurza się białe filtry do kawy i czeka, aż dokładnie nasiąkną.
• Filtry wyjmuje się i suszy, a całkowicie suche tnie na cienkie paski.

Tak przygotowane papierki wskaźnikowe służą do badania odczynu produktów spożywczych i kosmetycznych. Podczas doświadczenia należy zapisywać obserwacje, czyli dostrzeżone zmiany barwy, a następnie sformułować wniosek dotyczący odczynu badanych produktów.

W opisie przygotowania nie podano zestawienia barw wywaru dla poszczególnych odczynów. Nie należy więc przypisywać jego kolorom znaczeń zaczerpniętych z działania oranżu metylowego lub fenoloftaleiny.