14.2 pH og pOH

Eins og áður hefur komið fram eru hýdróníum- og hýdroxíðjónir til staðar bæði í hreinu vatni og í öllum vatnslausnum og styrkur þeirra er í öfugu hlutfalli eins og jónafurð vatns (K_w) ákvarðar. Styrkur þessara jóna í lausn er oft afgerandi þáttur í eiginleikum lausnarinnar og efnafræðilegri hegðun annarra uppleystra efna hennar og sérstakur orðaforði hefur verið þróaður til að lýsa þessum styrk í afstæðum skilningi. Lausn er hlutlaus (e. neutral) ef hún inniheldur jafnan styrk hýdróníum- og hýdroxíðjóna; súr (e. acidic) ef hún inniheldur meiri styrk hýdróníumjóna en hýdroxíðjóna; og basísk (e. basic) ef hún inniheldur minni styrk hýdróníumjóna en hýdroxíðjóna.

Algeng leið til að tjá stærðir sem geta spannað margar stærðargráður er að nota lograkvarða. Einn slíkur kvarði sem er mjög vinsæll fyrir efnafræðilegan styrk og jafnvægisfasta byggist á p-fallinu, sem er skilgreint eins og sýnt er þar sem „X“ er stærðin sem um ræðir og „log“ er tugalogrinn:

pX = −log X

pH lausnar er því skilgreint eins og sýnt er hér, þar sem [H₃O⁺] er mólstyrkur hýdróníumjónarinnar í lausninni:

pH = −log [H_{3} O^{+}]

Með því að endurraða þessari jöfnu til að einangra mólstyrk hýdróníumjónarinnar fæst jafngild tjáning:

[H_{3} O^{+}] = 10^{−pH}

Sömuleiðis má tjá mólstyrk hýdroxíðjónarinnar sem p-fall, eða pOH:

pOH = −log [{OH}^{−}]

eða

[{OH}^{−}] = 10^{−pOH}

Loks er auðvelt að leiða sambandið milli þessara tveggja jónastyrkja, tjáð sem p-föll, út frá K_w-tjáningunni:

K_{w} = [H_{3} O^{+}] [{OH}^{−}]

−log K_{w} = −log ([H_{3} O^{+}] [{OH}^{−}]) = −log [H_{3} O^{+}] + −log [{OH}^{−}]

p K_{w} = pH + pOH

Við 25 °C er gildi K_w 1,0 $\times$ 10⁻¹⁴ og því:

14,00 = pH + pOH

Eins og sýnt var í Dæmi 14.1 er mólstyrkur hýdróníumjóna í hreinu vatni (eða hvaða hlutlausu lausn sem er) 1,0 $\times$ 10⁻⁷ M við 25 °C. pH og pOH hlutlausrar lausnar við þetta hitastig eru því:

pH = −log [H_{3} O^{+}] = −log (1,0 \times 1 0^{−7}) = 7,00

pOH = −log [{OH}^{−}] = −log (1,0 \times 1 0^{−7}) = 7,00

Og því, við þetta hitastig, eru súrar lausnir þær sem hafa mólstyrk hýdróníumjóna meiri en 1,0 $\times$ 10⁻⁷ M og mólstyrk hýdroxíðjóna minni en 1,0 $\times$ 10⁻⁷ M (sem samsvarar pH-gildum undir 7,00 og pOH-gildum yfir 7,00). Basískar lausnir eru þær sem hafa mólstyrk hýdróníumjóna minni en 1,0 $\times$ 10⁻⁷ M og mólstyrk hýdroxíðjóna meiri en 1,0 $\times$ 10⁻⁷ M (sem samsvarar pH-gildum yfir 7,00 og pOH-gildum undir 7,00).

Þar sem sjálfjónunarfastinn K_w er háður hitastigi verða þessi tengsl milli pH-gilda og lýsingarorðanna súr/hlutlaus/basísk önnur við annað hitastig en 25 °C. Til dæmis sýndi „Prófaðu þekkingu þína“-æfingin sem fylgdi Dæmi 14.1 að mólstyrkur hýdróníumjóna í hreinu vatni við 80 °C er 4,9 $\times$ 10⁻⁷ M, sem samsvarar pH- og pOH-gildunum:

pH = −log [H_{3} O^{+}] = −log (4,9 \times 10^{−7}) = 6,31

pOH = −log [{OH}^{−}] = −log (4,9 \times 10^{−7}) = 6,31

Við þetta hitastig hafa hlutlausar lausnir því pH = pOH = 6,31, súrar lausnir hafa pH undir 6,31 og pOH yfir 6,31, en basískar lausnir hafa pH yfir 6,31 og pOH undir 6,31. Þessi greinarmunur getur verið mikilvægur þegar rannsökuð eru ákveðin ferli sem eiga sér stað við annað hitastig, svo sem ensímhvörf í jafnheitum lífverum við hitastig í kringum 36–40 °C. Nema annað sé tekið fram er gert ráð fyrir að tilvísanir í pH-gildi miðist við 25 °C (Tafla 14.2).

Tafla 14.2
Samantekt á samböndum fyrir súrar, basískar og hlutlausar lausnir
Flokkun	Afstæður jónastyrkur	pH við 25 °C
súr	[H₃O⁺] > [OH⁻]	pH < 7
hlutlaus	[H₃O⁺] = [OH⁻]	pH = 7
basískur	[H₃O⁺] < [OH⁻]	pH > 7

Mynd 14.2 sýnir sambandið milli [H₃O⁺], [OH⁻], pH og pOH fyrir lausnir sem eru flokkaðar sem súrar, basískar og hlutlausar.

Mynd 14.2 pH- og pOH-kvarðarnir tákna styrk H₃O⁺ og OH⁻, í sömu röð. pH- og pOH-gildi nokkurra algengra efna við 25 °C eru sýnd á þessu skýringarmynd.

Hvernig vísindagreinar tengjast

Umhverfisvísindi

Venjulegt regnvatn hefur pH-gildi á bilinu 5 til 6 vegna uppleysts CO₂ sem myndar kolsýru:

H_{2} O (l) + {CO}_{2} (g) ⟶ H_{2} {CO}_{3} (a q)

H_{2} {CO}_{3} (a q) ⇌ H^{+} (a q) + {HCO}_{3}^{−} (a q)

Súrt regn er regnvatn með pH-gildi undir 5 vegna ýmissa oxíða málmleysingja, þar á meðal CO₂, SO₂, SO₃, NO og NO₂, sem leysast upp í vatninu og hvarfast við það og mynda ekki aðeins kolsýru, heldur einnig brennisteinssýru og saltpéturssýru. Myndun og síðari jónun brennisteinssýru er sýnd hér:

H_{2} O (l) + {SO}_{3} (g) ⟶ H_{2} {SO}_{4} (a q)

H_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ H^{+} (a q) + {HSO}_{4}^{−} (a q)

Koldíoxíð er náttúrulega til staðar í andrúmsloftinu því flestar lífverur framleiða það sem úrgangsefni við efnaskipti. Koldíoxíð myndast einnig þegar eldar losa kolefni sem geymt er í gróðri eða jarðefnaeldsneyti. Brennisteinsþríoxíð í andrúmsloftinu myndast náttúrulega við eldvirkni, en það kemur einnig frá bruna jarðefnaeldsneytis, sem inniheldur snefil af brennisteini, og frá ferlinu við að „rista“ málmgrýti úr málmsúlfíðum við málmhreinsun. Nituroxíð myndast í brunahreyflum þar sem hátt hitastig gerir nitri og súrefni í loftinu kleift að bindast efnafræðilega.

Súrt regn er sérstakt vandamál á iðnaðarsvæðum þar sem myndefnum frá bruna og bræðslu er sleppt út í loftið án þess að brennisteins- og nituroxíð séu fjarlægð. Í Norður-Ameríku og Evrópu fram á níunda áratuginn olli það eyðileggingu skóga og ferskvatnsvatna, þegar sýrustig regnsins drap í raun tré, skemmdi jarðveg og gerði vötn óbyggileg fyrir allar nema sýruþolnustu tegundirnar. Súrt regn tærir einnig styttur og framhliðar bygginga sem eru gerðar úr marmara og kalksteini (Mynd 14.3). Reglur sem takmarka magn brennisteins- og nituroxíða sem iðnaður og bifreiðar mega losa út í andrúmsloftið hafa dregið úr alvarleika sýruskemmda á bæði náttúrulegu og manngerðu umhverfi í Norður-Ameríku og Evrópu. Það er nú vaxandi vandamál á iðnaðarsvæðum í Kína og Indlandi.

Fyrir frekari upplýsingar um súrt regn, heimsæktu þennan vef sem Umhverfisstofnun Bandaríkjanna (US Environmental Protection Agency) hýsir.

Mynd 14.3 (a) Súrt regn gerir tré viðkvæmari fyrir þurrkum og skordýraplágum og eyðir næringarefnum úr jarðveginum. (b) Það tærir einnig styttur sem eru skornar úr marmara eða kalksteini. (mynd a: breyting á verki eftir Chris M Morris; mynd b: breyting á verki eftir „Eden, Janine and Jim“/Flickr)

Sýrustig lausnar er venjulega metið með tilraunum með mælingu á pH-gildi hennar. pOH lausnar er yfirleitt ekki mælt, þar sem auðvelt er að reikna það út frá pH-gildi sem ákvarðað er með tilraunum. Hægt er að mæla pH lausnar beint með pH-mæli (Mynd 14.4).

This figure contains two images. The first, image a, is of an analytical digital p H meter on a laboratory counter. The second, image b, is of a portable hand held digital p H meter. — Mynd 14.4 (a) pH-mælir í rannsóknargæðum sem notaður er á rannsóknarstofu getur haft upplausn upp á 0,001 pH-einingar, hittni upp á ± 0,002 pH-einingar og kostað yfir 1000 dali. (b) Færanlegur pH-mælir hefur minni upplausn (0,01 pH-einingar), minni hittni (± 0,2 pH-einingar) og mun lægra verð. (mynd b: breyting á verki eftir Jacopo Werther)

Einnig er hægt að meta pH lausnar sjónrænt með lituðum litvísum (Mynd 14.5). Sýru-basa jafnvægið sem gerir kleift að nota þessi litarefni sem litvísa fyrir pH-mælingar er lýst í síðari hluta þessa kafla.

This figure contains two images. The first shows a variety of colors of solutions in labeled beakers. A red solution in a beaker is labeled “0.10 M H C l.” An orange solution is labeled “0.10 M C H subscript 3 C O O H.” A yellow-orange solution is labeled “0.1 M N H subscript 4 C l.” A yellow solution is labeled “deionized water.” A second solution beaker is labeled “0.10 M K C l.” A green solution is labeled “0.10 M aniline.” A blue solution is labeled “0.10 M N H subscript 4 C l (a q).” A final beaker containing a dark blue solution is labeled “0.10 M N a O H.” Image b shows pHydrion paper that is used for measuring pH in the range of p H from 1 to 12. The color scale for identifying p H based on color is shown along with several of the test strips used to evaluate p H. — Mynd 14.5 (a) Lausn sem inniheldur litarefnablöndu, sem kallast alheimslitvísir, tekur á sig mismunandi liti eftir pH-gildi hennar. (b) Þægilegar prófunarstrimlar, kallaðir pH-pappír, innihalda innfelld litarefni sem gefa litabreytingar sem eru háðar pH við snertingu við vatnslausnir. (mynd: breyting á verki eftir Sahar Atwa)

Námsmarkmið