Водородный показатель pH¶

pH (водородный показатель) — мера активности ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность. Водородный показатель определяется как отрицательный десятичный логарифм активности ионов водорода, выраженной в молях на литр: pH = −lg a(H⁺). Для разбавленных растворов активность приближённо равна концентрации, поэтому pH = −lg[H⁺]. Шкала pH обычно применяется для водных растворов и находится в диапазоне от 0 до 14, где значение 7 соответствует нейтральной среде, значения менее 7 — кислой, а более 7 — щелочной (основной).

¶История понятия

Концепция водородного показателя была введена датским биохимиком Сёреном Петером Лаурицем Сёренсеном в 1909 году. Изначально учёный использовал обозначение pH (от лат. potentia hydrogenii — сила водорода, либо pondus hydrogenii — вес водорода) для характеристики среды в пивоваренных процессах, где контроль кислотности имел решающее значение. В 1924 году Сёренсен совместно с немецким химиком Германом Люндегордом уточнил определение, перейдя от концентрации ионов водорода к их активности, что позволило учитывать межионные взаимодействия в растворах электролитов.

¶Теоретические основы

Водородный показатель связан с константой автопротолиза воды Kw, которая при температуре 25 °C составляет 1·10⁻¹⁴. В чистой воде концентрации ионов H⁺ и OH⁻ равны и составляют 1·10⁻⁷ моль/л, что соответствует pH 7. При изменении температуры константа автопротолиза меняется: при 100 °C нейтральная точка смещается до pH ≈ 6,1, поэтому нейтральность среды корректнее определять по равенству концентраций ионов H⁺ и OH⁻, а не по фиксированному значению pH.

Формально шкала pH не ограничена диапазоном 0–14. В концентрированных растворах сильных кислот и щелочей значения pH могут выходить за эти пределы: например, 36-процентная соляная кислота имеет pH около −1,1, а насыщенный раствор гидроксида калия — около 15,5. Для измерения активности ионов водорода в таких системах применяют функцию кислотности Гаммета.

¶Методы измерения

Индикаторная бумага — простейший способ приблизительной оценки pH. Бумага, пропитанная смесью кислотно-основных индикаторов, изменяет цвет в зависимости от кислотности среды. Сравнение полученной окраски с эталонной шкалой позволяет определить pH с точностью до 0,5–1 единицы.

Жидкие индикаторы — органические соединения, меняющие цвет в узком диапазоне pH. К классическим индикаторам относятся лакмус (красный в кислой среде, синий в щелочной), метиловый оранжевый (переход при pH 3,1–4,4) и фенолфталеин (переход при pH 8,2–10,0). Универсальный индикатор представляет собой смесь нескольких веществ, обеспечивающую плавное изменение цвета во всём диапазоне шкалы.

pH-метр (потенциометрический метод) — прибор, измеряющий электродвижущую силу электрохимической цепи, состоящей из измерительного (обычно стеклянного) и вспомогательного электродов. Метод отличается высокой точностью (до ±0,01 единицы) и применяется для лабораторных и промышленных измерений. Современные pH-метры калибруются по стандартным буферным растворам и автоматически компенсируют температурную погрешность.

Титрование — аналитический метод определения кислотности, при котором к исследуемому раствору постепенно добавляют раствор щёлочи известной концентрации до достижения точки эквивалентности, фиксируемой по скачку pH или изменению цвета индикатора.

¶Буферные растворы

Буферные растворы — системы, поддерживающие практически постоянное значение pH при добавлении небольших количеств кислот или щелочей, а также при разбавлении. Они состоят из слабой кислоты и её соли с сильным основанием либо из слабого основания и его соли с сильной кислотой. Способность буфера сопротивляться изменению pH описывается уравнением Гендерсона — Хассельбаха. Важнейшие природные буферные системы — гидрокарбонатная в крови человека (поддерживает pH плазмы в узком диапазоне 7,35–7,45) и фосфатная в клетках.

¶Значение pH в биологии и медицине

В живых организмах pH биологических жидкостей строго регулируется. Кровь человека имеет слабощелочную реакцию (pH 7,35–7,45); сдвиг за эти пределы приводит к патологическим состояниям — ацидозу (снижение pH) или алкалозу (повышение pH). Желудочный сок отличается высокой кислотностью (pH около 1,5–2,0), что необходимо для активации ферментов и уничтожения патогенных микроорганизмов. Слюна имеет pH 6,0–7,4, моча — 4,5–8,0. Ферменты проявляют максимальную активность только в узком диапазоне pH: например, пепсин желудочного сока работает при pH 1,5–2,0, а трипсин поджелудочного сока — при pH 7,8–8,7. Нарушение кислотно-щелочного равновесия в почве влияет на доступность питательных веществ для растений: большинство культур предпочитают слабокислые или нейтральные почвы (pH 5,5–7,0).

¶Применение в промышленности и технике

В пищевой промышленности pH контролируют при производстве молочных продуктов, пива, вина, хлебобулочных изделий и консервов. Значение pH определяет условия стерилизации: споры бактерий погибают при менее жёсткой тепловой обработке в кислой среде. В водоподготовке pH корректируют для предотвращения коррозии трубопроводов и образования накипи. В химической технологии показатель используется для управления скоростью реакций, процессами кристаллизации и экстракции. В аквакультуре и содержании аквариумных рыб pH воды контролируют для создания оптимальных условий обитания. В косметологии pH средств по уходу за кожей подбирают близким к естественному значению pH кожи (около 5,5). В сельском хозяйстве известкование кислых почв и подкисление щелочных проводят на основании агрохимического анализа pH.

¶Интересные факты

• Вода Мирового океана имеет слабощелочную реакцию (pH около 8,1); закисление океана вследствие растворения атмосферного углекислого газа рассматривается как одна из глобальных экологических проблем.
• Кислотные дожди имеют pH ниже 5,6 и способны повреждать растительность, здания и памятники архитектуры.
• Некоторые организмы способны существовать в экстремальных условиях: серные бактерии рода Acidithiobacillus обитают в шахтных водах с pH около 0, а щелочелюбивые микроорганизмы рода Natronobacterium — в содовых озёрах с pH до 11.
• Цвет многих природных пигментов зависит от pH: антоцианы, содержащиеся в краснокочанной капусте, чернике и вишне, служат природными индикаторами.