Шкала pH: кислоты, основания и индикаторы

Шкала для H⁺

Одни жидкости кислые на вкус, другие скользкие на ощупь. Химики измеряют кислотность жидкости с помощью pH. В воде несколько молекул распадаются на ионы H⁺ и OH⁻, а pH = −log₁₀[H⁺], где [H⁺] — концентрация ионов водорода в молях на литр. В чистой воде при 25 °C она равна 10⁻⁷, значит, pH = 7: среда нейтральная. Каждый шаг вниз по шкале — это в десять раз больше H⁺, поэтому при pH 3 их в 100 раз больше, чем при pH 5. Картина показывает шкалу от 0 до 14 и стакан, цвет которого меняется вдоль неё. Двигайте ползунок и смотрите, как появляются ионы.

Кислоты

Кислота отдаёт в воде ионы H⁺. У лимонного сока pH около 2 из-за лимонной кислоты, у уксуса от 2,5 до 3 из-за уксусной, а желудочный сок — это соляная кислота — между 1,5 и 3,5. Эта сильная кислота убивает многие микробы и помогает переваривать еду, а слой слизи защищает стенку желудка. Кислоты в пище слабые и безопасные. Сильные кислоты в лабораториях и в некоторых чистящих средствах могут обжечь кожу, поэтому никогда не пробуйте и не нюхайте неизвестные жидкости и следуйте этикетке. На картине долька лимона падает в стакан, и отметка pH сдвигается влево.

Основания

Основание связывает ионы H⁺ или отдаёт ионы OH⁻. Морская вода слегка щелочная, около 8,1. Раствор пищевой соды — около 8,3, а мыло — от 9 до 10; скользкость на ощупь типична для оснований. Средства для прочистки труб и чистки духовок могут иметь pH 13–14 и обжигают кожу, поэтому на этикетках просят надевать перчатки. Основание, растворимое в воде, называют ещё щёлочью. Выбирайте в песочнице под картиной жидкости — лимонный сок, уксус, кофе, чистую воду, морскую воду, раствор соды и мыло — и смотрите их pH.

Кислота плюс основание

Если смешать кислоту с основанием, они гасят друг друга. Это нейтрализация: кислота плюс основание дают соль и воду. Для соляной кислоты и гидроксида натрия: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Суть процесса — H⁺ + OH⁻ → H₂O; ионы Na⁺ и Cl⁻ лишь зрители и остаются в растворе как обычная соль. Пример: в 25 мл 0,10 моль/л HCl содержится 0,025 л × 0,10 моль/л = 0,0025 моль H⁺. Нужно ровно 0,0025 моль OH⁻, то есть 25 мл 0,10 моль/л NaOH. Таблетки от изжоги работают именно так: слабое основание нейтрализует лишнюю кислоту.

Цвет, читающий pH

Некоторые растительные пигменты меняют цвет в зависимости от pH. В соке краснокочанной капусты есть антоцианы: в кислотах они краснеют до розового, около нейтральной среды становятся фиолетовыми, а по мере роста щёлочности — синими, зелёными и, наконец, жёлтыми. Это природный индикатор и безопасный кухонный опыт с лимонным соком и пищевой содой. Выберите жидкость в песочнице и посмотрите её pH и цвет индикатора. Спокойное напоминание: некоторые чистящие средства, прежде всего отбеливатель, никогда нельзя смешивать с другими, потому что может выделиться ядовитый газ. Используйте одно средство за раз и при свежем воздухе.

Кислоты, основания и pH