اسید، باز و مقیاس pH

مزهٔ ترش آب لیمو، حالت لغزندهٔ محلول جوش‌شیرین روی انگشت و سوزش شویندهٔ لولهٔ فاضلاب، سه تجربهٔ روزمره از یک مفهوم واحدند: اسیدی یا بازی بودن. شیمی معدنی این تجربه‌ها را به یک عدد تبدیل می‌کند که هم دقیق است و هم قابل اندازه‌گیری: pH. در این درس می‌بینی آن عدد از کجا می‌آید و چرا مقیاسش لگاریتمی است.

سه تعریف از اسید و باز

در تعریف آرنیوس، اسید ماده‌ای است که در آب یون هیدروژن آزاد می‌کند و باز ماده‌ای است که یون هیدروکسید می‌دهد. تعریف برونستد و لوری گام جلوتر می‌رود: اسید دهندهٔ پروتون و باز گیرندهٔ پروتون است؛ با این تعریف آمونیاک هم باز است، هرچند در فرمولش هیچ OH ندارد. تعریف لوئیس از همه عام‌تر است: اسید گیرندهٔ جفت الکترون و باز دهندهٔ جفت الکترون است، و همین تعریف است که رفتار یون‌های فلزی مانند Al³⁺ را در آب توضیح می‌دهد.

پروتون آزاد در آب تنها نمی‌ماند؛ بلافاصله به یک مولکول آب می‌چسبد و یون هیدرونیوم H₃O⁺ می‌سازد. به همین دلیل در نوشتن دقیق واکنش‌ها به‌جای H⁺ از H₃O⁺ استفاده می‌کنیم.

خودیونش آب و تولد مقیاس pH

حتی خالص‌ترین آب هم کمی رسانا است، چون بخش بسیار کوچکی از مولکول‌هایش به یکدیگر پروتون می‌دهند. حاصل‌ضرب غلظت دو یون حاصل، در دمای ۲۵ درجهٔ سلسیوس همیشه برابر ۱٫۰ × ۱۰⁻¹⁴ است. در آب خالص غلظت هر دو یون برابر ۱۰⁻⁷ مولار است و همین عدد، «خنثی» را تعریف می‌کند.

چون این غلظت‌ها بسیار کوچک و در بازه‌ای بسیار پهن‌اند، به‌جای خود عدد از لگاریتم منفی آن استفاده می‌کنیم. نتیجه مقیاسی است که در آن هر یک واحد کاهش pH یعنی ده برابر شدن غلظت یون هیدرونیوم. محلولی با pH برابر ۳ صد برابر محلولی با pH برابر ۵ اسیدی‌تر است، نه کمی بیشتر.

دقت کن که pH برابر ۷ فقط در دمای ۲۵ درجهٔ سلسیوس معنای «خنثی» می‌دهد. با افزایش دما، خودیونش آب بیشتر می‌شود و نقطهٔ خنثی به مقادیر کمتر از ۷ جابه‌جا می‌شود؛ ولی محلول همچنان خنثی است، چون غلظت دو یون هنوز برابرند.

اسید قوی در برابر اسید ضعیف

اسید قوی مانند هیدروکلریک اسید در آب عملاً به‌طور کامل یونیده می‌شود؛ پس غلظت یون هیدرونیوم برابر غلظت خود اسید است. اسید ضعیف مانند استیک اسید فقط کسر کوچکی یونیده می‌شود و غلظت یون هیدرونیوم بسیار کمتر از غلظت اسید درمی‌آید. به همین دلیل سرکهٔ ۰٫۱ مولار pH نزدیک به ۲٫۹ دارد، در حالی که هیدروکلریک اسید ۰٫۱ مولار pH برابر ۱٫۰ نشان می‌دهد. توجه کن که «قوی» به معنای «غلیظ» نیست: یک اسید قوی خیلی رقیق می‌تواند از یک اسید ضعیف غلیظ ملایم‌تر باشد.

مثال عددی کاملاً حل‌شده

۲۵٫۰ میلی‌لیتر محلول هیدروکلریک اسید ۰٫۱۰ مولار را با آب مقطر به حجم ۲۵۰ میلی‌لیتر می‌رسانیم. pH محلول نهایی چند است؟

1. تعداد مول اسید ثابت است: n = ۰٫۱۰ × ۰٫۰۲۵۰ = ۲٫۵ × ۱۰⁻³ مول.
2. غلظت جدید: C = ۲٫۵ × ۱۰⁻³ ÷ ۰٫۲۵۰ = ۰٫۰۱۰ مولار.
3. چون HCl اسید قوی است، غلظت یون هیدرونیوم هم ۰٫۰۱۰ مولار یعنی ۱۰⁻² است.
4. پس pH = ۲٫۰۰ و در نتیجه pOH = ۱۴ − ۲ = ۱۲٫۰۰ و غلظت یون هیدروکسید برابر ۱۰⁻¹² مولار.

نتیجهٔ مهم این مثال یک قاعدهٔ سرانگشتی است: هر بار رقیق‌سازی ده برابری یک اسید قوی، pH را دقیقاً یک واحد بالا می‌برد. البته این قاعده تا نزدیکی pH برابر ۷ معتبر است؛ با رقیق‌سازی بی‌نهایت، محلول اسیدی هرگز بازی نمی‌شود و فقط به ۷ نزدیک می‌شود.

کاربرد واقعی

خون انسان pH را میان ۷٫۳۵ تا ۷٫۴۵ نگه می‌دارد و خروج از این بازهٔ باریک خطرناک است. در استخرهای شنا pH را حدود ۷٫۴ تنظیم می‌کنند تا هم کلر اثر ضدعفونی خود را از دست ندهد و هم چشم شناگر نسوزد. در کشاورزی هم pH خاک تعیین می‌کند کدام عنصر برای ریشه قابل جذب است؛ خاک بسیار قلیایی آهن را غیرقابل‌جذب می‌کند و برگ‌ها زرد می‌شوند.