Почему электролит аккумулятора прожигает ткань, а мыло скользкое? Капай индикаторы в двенадцать растворов, разбавляй их водой и смотри, как pH шагает по логарифмической шкале.
В любой воде часть молекул распадается на ион водорода H⁺ и гидроксид-ион OH⁻. Кислота добавляет в раствор лишние H⁺, щелочь добавляет OH⁻, которые «съедают» H⁺. Чем больше ионов водорода, тем раствор кислее, тем сильнее он разъедает металл и обжигает кожу.
Концентрации H⁺ бывают от 1 до 0,00000000000001 моль на литр. Писать такие числа неудобно, поэтому берут показатель степени с обратным знаком: это и есть pH. pH 2 значит 10⁻² моль/л, pH 7 значит 10⁻⁷. Ниже 7 кислая среда, ровно 7 нейтральная, выше 7 щелочная. Увидеть pH помогает индикатор: краситель, который меняет цвет в зависимости от кислотности.
ⓘ pH всех веществ рассчитан по их составу и константам кислотности при 25 °C. При разбавлении расчет делается заново, поэтому сильная кислота, слабая кислота и кровь ведут себя по-разному.
Три формулы описывают все, что происходит в опыте: как из концентрации получается pH, как связаны кислотность и щелочность и что делает разбавление. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас «работает», подсвечена.
Как из концентрации получить pH?
pH равен десятичному логарифму концентрации ионов водорода со знаком минус. Логарифм показывает, в какую степень надо возвести 10.
Почему кислотность и щелочность связаны?
Произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов в воде всегда одно и то же. Стало больше одних, стало меньше других. Отсюда pH + pOH = 14.
Что делает разбавление?
Разбавил сильную кислоту в N раз, концентрация H⁺ упала в N раз, pH вырос на lg N. В 10 раз: на 1, в 100 раз: на 2. Для щелочи pH так же падает.
Сильная кислота, например соляная HCl в желудочном соке, распадается на ионы полностью. Сколько кислоты, столько и H⁺, поэтому разбавление в 10 раз сдвигает pH ровно на 1.
Слабая кислота, например уксусная, распадается лишь частично: в столовом уксусе на ионы распалась примерно одна молекула из трехсот. Когда ее разбавляют, распадается большая доля молекул, и это частично возмещает потерю. Для слабой кислоты [H⁺] ≈ √(Ka · c), поэтому pH растет только на 0,5 за каждое разбавление в 10 раз.
И наконец, сколько ни разбавляй кислоту, щелочью она не станет: pH подходит к 7 и останавливается, потому что сама вода дает 10⁻⁷ моль/л ионов H⁺. Кровь при разбавлении почти не меняет pH: в ней есть буфер, это отдельная тема.
В свинцовом аккумуляторе раствор серной кислоты с pH около нуля. Он разъедает кожу, одежду и металл, поэтому доливают только дистиллированную воду и работают в очках и перчатках. Пролитый электролит нейтрализуют содой.
Свежий антифриз слабощелочной, pH около 8–10: в такой среде меньше ржавеют блок и радиатор. Со временем присадки срабатываются и pH падает. Полоска индикатора или pH-метр показывают, что жидкость пора менять.
Когда сульфидная руда в отвалах окисляется, вода становится кислой, pH 2–4, и растворяет тяжелые металлы. Перед сбросом такую воду нейтрализуют известью до pH 6,5–8,5 и постоянно контролируют.
Внутри бетона pH около 12,5: в такой щелочной среде сталь арматуры покрыта защитной пленкой и не ржавеет. Углекислый газ из воздуха постепенно снижает pH, и при pH ниже 9 арматура начинает корродировать. Глубину карбонизации проверяют фенолфталеином: где бетон не покраснел, защиты уже нет.
Питательную воду котлов держат слабощелочной, pH 8,5–9,5, чтобы трубы не растворялись. Для мойки техники и приготовления растворов тоже следят за pH: кислая вода ускоряет коррозию, сильно щелочная портит краску и резину.
Индикатор дает цвет с точностью до единицы pH, прибор с электродом до сотых. Электрод перед измерением калибруют по буферным растворам с pH 4, 7 и 10. Так проверяют воду, растворы, электролит и пробы масла.
Температура 25 °C, Kw = 10⁻¹⁴. pH считается через концентрации, а не через активности ионов: для разбавленных растворов это точно, для крепких (электролит аккумулятора, 1 М едкий натр) дает оценку, поэтому pH ниже 0 и выше 14 показан приближенно. Состав веществ упрощен до главной кислоты или щелочи: лимонный сок это лимонная кислота 0,3 моль/л с небольшой долей ее соли, кровь и морская вода это карбонатная система, дождь это вода с растворенным углекислым газом, мыло это соль слабой жирной кислоты. При разбавлении углекислый газ из воздуха не учитывается. Цвета индикаторов приблизительные; фенолфталеин в очень сильной щелочи со временем обесцвечивается, в модели этого нет.