Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (29/43) · 10:22

pH a pOH Co se skrývá pod tajemnými písmeny pH a pOH? V tomto videu se dozvíme, co se takto označuje a jak si hravě poradit s výpočty.

Asi vás teď trochu vyděsím, ale nejsem úplně fanoušek osobní hygieny. Samozřejmě, že vím, k čemu je mýdlo a šampon, ale existuje spousta dalších věcí a všechny mají na sobě informace o pH. Mýdla, šampóny, deodoranty a makeupy s vyrovnaným pH, co mají v drogeriích. Dokonce jsem snad zahlédl i vodu s vyrovnaným pH. V minulých videích jsme se hodně bavili o rovnováhách a pH není nic jiného než rovnovážný stav dané zvratné reakce. Asi znáte pH stupnici a víte, že podle ní určujeme kyselost a zásaditost roztoků. Ale co je vlastně to pH? A proč se to zapisuje takhle divně s malým "p" a velkým "H"? A kromě toho, co znamená podobná zkratka pOH? Co se týče velikost písmen, věc se má tak, že nikdo pořádně neví, jak to je. Nikdo úplně neví, odkud "p" pochází. Poprvé s tímto označením přišel dánský chemik, chlápek se super jménem Søren Sørensen, ale nikdy nevysvětlil proč. Někdy bývá vysvětlováno, že je to od slova potenciál. Ten se ve francouzštině označuje puissance a v latině pondus. Možná to ale pochází z různého označování zkumavek, kdy vědci v americe značí vzorek "p" a srovnávací roztok "q". Avšak "potenciál" nám pomůže lépe při pochopení věci. Druhé písmeno, H, není nic jiného než značka vodíku. Vodíkové ionty, neboli protony, určují pH, a tedy celkovou kyselost nebo zásaditost. Proto si pH můžeme představit jako potenciál vodíku v roztoku. Vlastně to udává sílu kyseliny případně zásady. A celé se to točí kolem naší staré známé - vody. pH a pOH Pokud tento rychlokurz sledujete poctivě od prvního dílu, jistě jste již pochopili, že voda je výjimečná v mnoha ohledech a pH je jen dalším z nich. Vodu běžně bereme jako neutrální látku, tedy ani kyselou ani zásaditou. A tak je to správně. Jak již jsem ale zmiňoval dříve, voda se může někdy chovat jako kyselina... ...tedy odštěpuje vodíkové ionty, neboli protony.. ...a někdy jako zásada, jež je přijímá. Ale jak je toto možné? K vysvětlení si nejdříve budeme muset ujasnit, co nám vlastně pH roztoku říká. Z chemického pohledu pH představuje potenciál vodíkových iontů, matematická definice říká, že se jedná o: "záporně vzatý dekadický logaritmus z koncentrace vodíkových iontů v roztoku". Je to teď asi děsivé, ale jsem tu, abych to osvětlil. Logaritmy můžou člověka děsit, ale tady používáme jen ten nejjednodušší. Pokud jim navíc porozumíte tady, v matematice jakobyste to našli. Máme za sebou děsivou definici, pojďme si ukázat její jednodušší formu. V daném okamžiku je v roztoku určité velmi malé množství vodíkových iontů. To znamená, že koncentrace bude něco jako 10 na minus 5 molů na litr. Ta záporná pětku není nic jiného, než náš dekadický logaritmus. Minusy se vykrátí a vyjde nám pH rovno 5. Pojďme to prozkoumat ještě podrobněji. Logaritmus (log) je tedy číslo, na které musíme umocnit jiné číslo, tomu říkáme základ, a tím získáme argument. Pro dekadický logaritmus je základem 10. Používáme ho v chemii a je jednoduchý na pochopení. Zároveň je na něm postavený vědecký zápis čísla. Vezměme například dekadický logaritmus ze 100, což je 2. Důvodem je, že 10 na druhou je rovno 100. U dekadických logaritmů se často nepíše 10 do základu, považují se za základní. Pokud na kalkulačce uvidíte "log", znamená to dekadický logaritmus. Ale co to má ve jménu Sørena Sørensena do činění s kyselinami? Už se k tomu dostávám, vše odstartovala voda, co se chová jako kyselina i zásada. Náhodné změny elektrického pole, které vytváří molekuly vody, mohou způsobovat rozpad těchto molekul na ionty. Konkrétně se stává, že se odpojí vodíkový ion a připojí se k jiné molekule vody. Tím se vytvoří oxoniový kation, H3O+ a hydroxidový anion. A proto se voda může chovat někdy jako kyselina a někdy jako zásada. Tato molekula může odštěpovat i přijímat protony. Zatím jsme popsali jen interakci se sebou samou. Podobně však voda může reagovat s jinými kyselinami a zásadami. Může se vám stát, že místo oxoniového iontu uvidíte vodíkový, H+, díky čemuž stačí do reakce zapsat pouze jednu molekulu vody. V podstatě to není přesné, ale realitu to popisuje dostatečně a je to jednodušší. Když tedy říkáme, že pH je záporně vzatý dekadický logaritmus z koncentrace vodíkových iontů, myslíme tím ve skutečnosti koncentraci oxoniových iontů. Bohužel to nebylo zavedeno na začátku přesně a teď s tím musíme žít. Popsaná disociace vody je však reakcí zvratnou. Ve skutečnosti se ionty přeměňují zpět na vodu ve zlomku sekundy. To se ale děje pořád dokola. Jak v lahvi s vodou, tak ve vašich buňkách, i v oceánech. Neustále. V každém okamžiku je však jen malý počet molekul ve formě iontu. A chemici dokonce tento počet znají. Je totiž dán rovnovážnou konstantou této reakce. Tato reakce je velmi specifická, má i speciální název pro tuto konstantu: iontový součin vody a značí se Kw. Kw je rovno 1,0 krát 10 na minus 14. Vzoreček pro Kw je stejný, jako pro jakoukoli jinou rovnovážnou konstantu: koncetrace produktů dělená koncentrací reaktantů, to vše je následně umocněno na stechiometrické koeficienty z vyčíslené rovnice. Můžeme tu však vidět jednu specialitu. Voda obsahuje tak málo iontů, že ji můžeme považovat za úplně čistou. A pro čisté látky neexistují koncentrace, a proto nejsou zahrnuty v rovnovážných konstantách. Kw se proto vypočítá jako součin koncentrací oxonia a hydroxidového aniontu. Z vyčíslené rovnice autoionizace vody vidíme, že poměr oxoniového a hydroxidového iontu je 1 ku 1. Jejich rovnovážné koncentrace se proto musí rovnat. Z toho plyne, že když označím koncentraci H3O+ jako "x", koncentrace OH- bude také rovna tomuto "x". Vzoreček pro iontový součin vody 1,0 krát 10 na minus 4 se zjednoduší na: x krát x, tedy x na druhou. A najednou je to úplně jednoduché. Rovnovážná koncentrace každého iontu je odmocnina z 1,0 krát 10 na minus 14. Stačí jen jedno tlačítko na kalkulačce a máme výsledek. 1,0 krát 10 na minus 7 molů na litr v rovnováze. pH si pak vypočítáme jako záporný logaritmu z toho, což vyjde 7. A to je, vážení, základ pH stupnice. Voda je neutrální látkou, tedy 7 je uprostřed stupnice. A i to jsem schopný vám dokázat. Toto je papírek, který byl napuštěn látkou zvanou lakmus. Lakmus je pH indikátorem, tedy látkou, která mění barvu na základě pH. Existuje spoustu jiných indikátorů, s různými barvami, o těch si povíme příště. Teď si ukážeme, že se lakmusový papírek barví do růžova v kyselinách, do bodra v zásadách a do světle fialova v neutrálních roztocích. Jednu věc je třeba mít při práci s pH stupnicí stále na mysli; pH vychází ze záporného logaritmu, proto je vše jaksi převráceno. Když se koncentrace vodíkových iontů zvyšuje, pH se snižuje. Například, když přidáme slabou kyselinu, řekněme ocet do vody, koncentrace oxoniových iontů se zvýší na 1,0 krát 10 na minus 4 molů na litr. Což je tisíckrát víc, než bylo na začátku. Tím se ale pH sníží na hodnotu 4. Na druhou stranu, pokud přidáme zásadu, třeba amoniak. vodíkové ionty se k němu přidají a bude jich v roztoku méně. Tím klesne koncentrace vodíkových iontů třeba na 1,0 krát 10 na minus 11. Což je tisícina původní koncentrace, ale pH bude 11. V podstatě vzato jsou logaritmy takové zkratky, díky nim nemusíme pracovat s hodně malými, nebo naopak hodně velkými čísly. Můžeme tak mít pH stupnici mezi celými čísly 0 a 14. Hodnoty pod 7 mají kyseliny a nad 7 zásady. V extrémních případech se dokonce můžeme dostat mimo tuto stupnici, s těmi se asi jen tak nepotkáte. Teda aspoň doufám. Kyselina chlorovodíková nebo dusičná disociuje úplně, uvolní se u toho mnoho protonů a říkáme jim proto silné kyseliny. Tím, že výrazně zvyšují koncentraci vodíkových iontů, mají velmi nízká pH. Slabé kyseliny, jako je třeba octová, disociují jen částečně, tím uvolní jen malé množství vodíkových iontů, a proto mají vyšší pH. Běžně v rozmezí 4 až 6. Silné báze, jako je hydroxid sodný, váže velké množství vodíkových iontů, proto je pak jejich koncentrace malá, a pH pak velké. Slabé zásady, jako uhličitan sodný (jedlá soda), spotřebují méně vodíkových iontů, jejich pH se pohybuje v rozmezí 8 až 11. Neutrální pH je technicky vzato 7,0, ale obecně bereme rozmezí 6 až 8. pH je tedy založeno na koncentraci vodíkových nebo oxoniových iontů. Jak je to s hydroxidovými ionty? Stejně jako jsme počítali pH roztoku z koncentrace H+ iontů, můžeme zavést i pOH. Záporně vzatý dekadický logaritmus z koncentrace OH-. A to díky tomu, že hodnota Kw je stále stejná. Jen v neutrálním roztoku jsou koncentrace vodíkových a hydroxidových iontů shodné, jejich součin nám vždy musí dát 1,0 krát 10 na minus 14 v jakémkoli vodném roztoku. Například pomerančový džus je vlastně jen vodný roztok cukru a kyseliny citronové, řekněme že má koncentraci vodíkových iontů 3,2 krát 10 na minus 4 molů na litr. Jen tak pro zábavu si tu můžeme vypočítat jeho pH, které bude rovno 3,5. Můžeme však pomocí Kw vypočítat koncentraci hydroxidového iontu, stačí nám k tomu jen vydělit dvě čísla a vyjde nám 3,1 krát 10 na minus 11 molů na litr. Teď když máme koncentraci, můžeme se posunout na další krok. Tím je výpočet pOH roztoku, podobný vzorec jako pro pH, jen pro výpočet bereme koncentraci hydroxidových iontů. pOH je v tomto případě 10,5. Teď vám řeknu něco, co je ještě suprovější než zmrlina s příchutí slaný karamel: součet pH a pOH je vždy roven 14. Například pokud je pH 5,4, pak pOH musí být 8,6 a to je dohromady, přesně, 14! Ok, možná to přijde super jen mně. Ale to mě nezastaví, zbožňuji to! Příště vás mám v plánu uchvátit způsoby, jak udržet stálé pH roztoku, i když bychom přidávali tvrdohlavou silnou zásadu nebo kyselinu.
video