pH tarkoittaa potentiaalista vetyä, jossa ”p” tarkoittaa potentiaalia ja ”H” vetyä. pH-asteikko on asteikko, jota käytetään luokittelemaan aineiden suhteellista emäksisyyttä tai happamuutta muihin aineisiin nähden aineen vetyionien aktiivisuuden määrän perusteella.

Asteikko on luonteeltaan logaritminen, mikä tarkoittaa, että jokainen kokonainen pH-arvo edustaa 10-kertaista muutosta edelliseen arvoon verrattuna. pH-asteikko perustuu pH 7:n ympärille, joka on neutraali ja edustaa aineita, jotka eivät ole happoja eivätkä emäksiä.

PH-asteikon perusta

Vaikka et olisikaan perehtynyt syvällisesti happojen ja emästen käsitteisiin, olet varmasti jonkin verran altistunut niille. Emäksisiä aineita ovat esimerkiksi ruokasooda, kun taas happamia aineita ovat esimerkiksi appelsiinimehu ja sooda. Aineet luokitellaan emäksiksi tai hapoiksi sen perusteella, kuinka paljon vetyioneja aineessa on. H-kirjain pH:ssa kuvaa vetyionien aktiivisuuden tasoa tietyssä liuoksessa. Happamat ja emäksiset liuokset voidaan siis määritellä näin:

Hapan liuos on liuos, jossa vetyionien määrä on suurempi kuin puhtaassa vedessä (joka on neutraalissa seitsemässä). Emäksisessä liuoksessa sen sijaan vetyionien pitoisuus on pienempi kuin vedessä.

Koska puhdas vesi toimii pH-asteikon neutraalina pisteenä, tarkastellaan veden ominaisuuksia ja asetetaan se vetyionien yhteyteen. Veden ionisoitumisella tarkoitetaan sitä, miten pieni osa tietyn vesimäärän vesimolekyyleistä tuottaa spontaanisti vetyioneja, kun ne dissosioituvat eli jakautuvat pienemmiksi hiukkasiksi. Tätä kutsutaan joskus autoionisaatioksi. Autoionisaatioprosessi tuottaa yhtä paljon hydroksidi- (OH-) ioneja ja vety- (H+) ioneja. Huomaa, että vetyionit sitoutuvat yleensä suoraan läheisen vesimolekyylin kanssa muodostaen hydroniumia (H3O+). Tämä tarkoittaa, että vedessä ei todellisuudessa leiju kasa vetyioneja. Tutkijat käyttävät silti veden ionisoitumista ja sen tuottamia vetyioneja keinona luoda asteikko, jonka avulla voidaan verrata vedyn tasoja muissa liuoksissa. Hydroksidi-ionit tyypillisesti vain kelluvat ympäriinsä liuoksessa, toisin kuin vetyionit.

Autoionisaation kautta syntyvien vetyionien määrä on 1 x 10^-7 M (olettaen, että kyseessä on puhdas vesi). Merkintä viittaa mooleihin litraa vettä kohti. Ionisoituneiden vesimolekyylien määrä on uskomattoman pieni prosenttiosuus vesimolekyylien kokonaismäärästä, joka löytyy mistä tahansa määrästä puhdasta vettä.

Happoliuokset ja emäksiset liuokset

Nyttemmin, kun olemme luoneet vertailukohdan liuosten emäksisyydelle ja happamuudelle, voimme keskustella siitä, miten hapot ja emäkset määritellään. Happamat liuokset ovat liuoksia, joiden H+ -pitoisuus on suurempi kuin puhtaan veden, kun taas emäksiset liuokset ovat liuoksia, joiden H+ -pitoisuus on pienempi kuin puhtaan veden. Toisin sanoen:

emäs = H+-konsentraatio < 1 x 10^-7 M

happo = H+-konsentraatio > 1 x 10^-7 M

Liuoksen vetyionikonsentraatio ilmoitetaan yleensä pH-arvona, joka lasketaan kyseisen liuoksen vetyionikonsentraation käänteislogina.

pH = -log10

Sijoittamalla siis veden vetyionikonsentraatio tähän kaavaan saadaan arvoksi 7,0 eli neutraali pH pH-asteikolla. Kuten voit ehkä arvata, pääasiassa vedestä koostuvien aineiden, kuten soluissa olevan sytosolin tai ihmiskehon veren, pH-arvot ovat hyvin lähellä neutraalia seitsemää. Vesipohjaiseen liuokseen voidaan lisätä happoja ja emäksiä, jolloin liuoksen pitoisuus siirtyy pois neutraalista pH-pisteestä. Emäkset nostavat yleensä pH-arvoa tuomalla ympäristöön hydroksidia, joka kerää vetyioneja ja vetää ne pois liuoksesta. Samaan aikaan happamat aineet ovat aineita, jotka lisäävät vetyionien pitoisuutta dissosioitumalla ja tuomalla yhden vetyatominsa liuokseen.

Mitä voimakkaampi happo on, sitä nopeammin se hajoaa ja vapauttaa H+. Esimerkki vahvasta haposta on HCl, joka veteen yhdistettynä dissosioituu nopeasti ja täydellisesti kloridi- ja vetyioneiksi. Sen sijaan heikot hapot, kuten etikka, eivät dissosioidu kokonaan. Vahva emäksinen aine vapauttaa veteen joutuessaan hydroksidi-ioneja, jotka kykenevät absorboimaan H+:n. Ne hajoavat täysin samaan tapaan kuin vahva hapan aine. Esimerkki vahvasta emäksestä on natriumhydroksidi.

PH-asteikon vahvuus

Kuten aiemmin mainittiin, pH-asteikko auttaa luokittelemaan erilaisia kemiallisia koostumuksia niiden emäksisyyden (jota kutsutaan myös emäksisyydeksi) ja happamuuden mukaan. On logaritminen luonne tarkoittaa, että jokaista tapahtuvaa yhden pH-yksikön nousua kohden H+ -pitoisuudet kymmenkertaistuvat. Vaikka on olemassa joitakin aineita, jotka voivat jäädä pH-alueen 0-14 ulkopuolelle, useimmat liuokset jäävät tälle alueelle, ja siksi pH-asteikko esitetään yleensä siten, että se kulkee välillä 0-14, jolloin emäksiset aineet ovat mitä tahansa arvoa, joka on yli seitsemän, ja happamat aineet mitä tahansa arvoa, joka on alle neutraalin 7.

Aineet, jotka sijaitsevat pH-asteikon ääripäässä, joko erittäin emäksiset tai erittäin happamat aineet, voivat olla orgaaniselle materiaalille varsin haitallisia ja vahingoittaa soluja huomattavasti. Sekä erittäin emäksiset että erittäin happamat aineet voivat olla luonteeltaan syövyttäviä ja vahingoittaa ihmisten kudoksia. Liuoksen pH-arvo sekä liuoksen määrä, jolle henkilö altistuu, ja altistumisen kesto ovat kaikki tekijöitä, jotka määrittävät, kuinka paljon vahinkoa aine aiheuttaa. Olet ehkä huomannut, että mahahappo, vatsahapposi, on erittäin hapan aine. Miten kehosi suojautuu tältä hapolta? On olemassa tiettyjä mahalaukun soluja, jotka on luotu nimenomaan toimimaan esteenä mahahapon ja kehon muiden solujen välillä.

Esimerkkejä

Esimerkkejä tavallisista liuoksista ja niiden pH-arvoista ovat:

1. Maito – lievästi hapanta, jonka pH-arvo on noin 6,5.
2. Sade – lievästi hapanta, jonka pH-arvo on noin 5,5.
3. Kahvi – lievästi hapanta, jonka pH-arvo on noin 4.8.
4. Tomaattimehu – lievästi hapanta pH-arvon ollessa noin 3,0
5. Patterihappo – erittäin hapanta pH-arvon ollessa noin 1,0.
6. Veri – lievästi emäksistä ph-arvon ollessa noin 7,3
7. Merivesi – lievästi emäksistä pH-arvon ollessa noin 8.0.
8. Sooda – lievästi emäksinen, jonka ph-arvo on noin 8.0.
9. Magnesiamaito – kohtalaisen emäksinen, jonka ph-arvo on noin 10.6
10. Liuoksidi – Erittäin emäksinen, jonka ph-arvo on noin 13.5

.