Что такое кислоты и основания?
Кислота — донор протона (H+), а основание — акцептор протона; это определение Брёнстеда–Лоури, которым пользуется каждая панель этой страницы. Уксус (уксусная кислота) отдаёт протон воде; аммиак принимает протон и становится аммонием. Каждой кислоте соответствует частица, оставшаяся после того, как она отдала протон: эта пара — уксусная кислота CH3COOH с ацетатом CH3COO− или аммоний NH4+ с аммиаком NH3 — является сопряжённой парой кислота–основание, и вся химия буферов и титрования — это учёт таких пар.
Одно число, которое нужно запомнить: шкала pH логарифмическая. Одна единица pH означает десятикратное изменение [H+], поэтому pH 3 — это не «немного кислее», чем pH 7, а в 10 000 раз кислее.
pH и pOH: подсчёт протонов на логарифмической шкале
Поскольку [H+] охватывает более четырнадцати порядков между аккумуляторной кислотой и средством для чистки труб, химики сжимают шкалу: pH = −log10[H+]. Сама вода немного диссоциирует: [H+][OH−] = Kw = 1,0×10−14 при 25°C, поэтому pH + pOH = 14: увеличьте одно, и другое уменьшится на ту же величину. Нейтральность означает просто [H+] = [OH−] = 10−7, что соответствует pH 7 только при 25°C — горячая чистая вода немного ниже 7 и всё так же совершенно нейтральна. Контрольная точка шкалы, которую может воспроизвести страница: pH 3,5 (примерно кислотность апельсинового сока) соответствует [H+] = 3,16×10−4 моль/л.
| Вещество | Примерный pH | Вещество | Примерный pH |
| Желудочный сок | 1.5–2 | Чистая вода (25°C) | 7.0 |
| Лимонный сок | ~2.4 | Кровь человека | 7.35–7.45 |
| Чёрный кофе | ~5 | Морская вода | ~8.1 |
| Молоко | ~6.7 | Бытовой аммиак | ~11.5 |
Ka, Kb и pKa: насколько сильна кислота?
Сильные кислоты, такие как HCl, диссоциируют практически полностью — при растворении в воде почти каждая молекула отдаёт свой протон. Слабые кислоты приходят к равновесию: HA ⇌ H+ + A−, которое описывается Ka = [H+][A−]/[HA]. У уксусной кислоты Ka = 1,8×10−5, обычно приводится как pKa = 4,74 (тот же приём −log, что и для pH). Полезно правило сопряжения: Ka × Kb = Kw для сопряжённой пары, поэтому более сильная кислота автоматически имеет более слабое сопряжённое основание. Ацетат, партнёр слабой уксусной кислоты, — очень слабое основание с Kb = 5,6×10−10 (pKb = 9,26) — оба пересчёта выполняются в панели Ka и Kb выше.
Буферы и уравнение Гендерсона–Хассельбаха
Буфер — это слабая кислота и её сопряжённое основание в сравнимых количествах. Добавленный H+ поглощается A−; добавленный OH− поглощается HA; в любом случае соотношение почти не меняется, поэтому почти не меняется и pH. Учёт сводится к pH = pKa + log10([A−]/[HA]). Когда обе концентрации равны, pH = pKa точно, и каждое десятикратное изменение соотношения сдвигает pH ровно на одну единицу — кнопка образца 1:10 даёт pH 5,76 для ацетатного буфера с pKa 4,76. Надёжная буферность охватывает только pKa ± 1 (соотношение 0,1–10), поэтому выбор буфера означает выбор того, у которого pKa близка к нужному pH. Кровь — яркий пример: пара бикарбонат/CO2 удерживает плазму в диапазоне 7,35–7,45, и ферменты перестают работать за пределами этого окна.
Кривые титрования: наблюдаем, как буфер ломается
Добавление сильного основания к кислоте непрерывно меняет соотношение [A−]/[HA], а кривая — это уравнение Гендерсона–Хассельбаха, нарисованное целиком. В начале буфер поглощает основание, и pH медленно ползёт вверх — ровный участок. В точке эквивалентности основание точно соответствует молям кислоты; там кривая почти вертикальна, поэтому именно эта точка отмечает конец титрования. На полпути [A−] = [HA], поэтому pH равен pKa — стандартный способ измерить pKa по кривой. Сильная кислота + сильное основание сходятся при pH 7, но слабая кислота + сильное основание заканчиваются выше 7 (примерно 8,7 для образца уксусной кислоты по умолчанию), потому что в колбе остаётся слабое основание.
Распространённые заблуждения
- Сильный означает концентрированный. Нет — сила означает, насколько полностью кислота диссоциирует, а концентрация — сколько её есть. 0,001 M HCl — это разбавленная сильная кислота; ледяная уксусная кислота — концентрированная слабая.
- Нейтральность — всегда pH 7. Только при 25°C, где Kw = 10−14. Нейтральность означает [H+] = [OH−], и точка.
- pH ограничен 0 и 14. Это лишь границы шкалы воды при 25°C. 12 M HCl имеет pH около −1, а концентрированный NaOH превышает 14.
- pH слабой кислоты = −log её концентрации. Этот приём работает только для сильных кислот. Для pH слабой кислоты нужна также её Ka, потому что большинство молекул никогда не диссоциируют.
Связанные инструменты: Химическое равновесие (откуда берутся константы равновесия вроде Ka), Спектроскопия (измерение концентраций светом) и Биокалькуляторы (рецепты буферов в микромолярных единицах).