pH staat voor potentiële waterstof, waarbij de “p” staat voor potentieel en de “H” voor waterstof. De pH-schaal is een schaal die wordt gebruikt om de relatieve basiteit of zuurgraad van stoffen ten opzichte van andere stoffen te rangschikken, gebaseerd op de hoeveelheid waterstofionactiviteit in een stof.
De schaal is logaritmisch van aard, wat betekent dat elke hele pH-waarde een verandering van 10 keer de vorige waarde vertegenwoordigt. De pH-schaal is gebaseerd rond pH 7, die neutraal is en stoffen vertegenwoordigt die noch een zuur noch een base zijn.
De basis voor de pH-schaal
Zelfs als je niet intiem bekend bent met de concepten van zuren en basen, heb je zeker enige blootstelling aan hen. Basische stoffen zijn dingen als zuiveringszout, terwijl zure stoffen dingen zijn als sinaasappelsap en soda. Stoffen worden geclassificeerd als een base of een zuur op basis van de concentratie van waterstofionen die de stof heeft. De H in pH staat voor het niveau van waterstofionactiviteit in een bepaalde oplossing. Het is dus mogelijk om zure en basische oplossingen op deze manier te definiëren:
Een zure oplossing is een oplossing met niveaus van waterstofionen groter dan de hoeveelheid die in zuiver water wordt gevonden (dat bij de neutrale zeven is). Een basische oplossing daarentegen heeft een waterstofionenconcentratie die lager is dan die van water.
Omdat zuiver water fungeert als het neutrale punt op de pH-schaal, laten we eens kijken naar de eigenschappen van water en deze plaatsen in de context van waterstofionen. De ionisatie van water verwijst naar de manier waarop een klein percentage van de watermoleculen in een bepaalde hoeveelheid water spontaan waterstofionen zal genereren wanneer ze dissociëren, of splitsen in kleinere deeltjes. Dit wordt ook wel auto-ionisatie genoemd. Het proces van autoionisatie produceert gelijke aantallen hydroxide (OH-) ionen en waterstof (H+) ionen. Merk op dat de waterstofionen zich meestal direct binden met een nabijgelegen watermolecuul om hydronium (H3O+) te vormen. Dit betekent dat er in feite niet een heleboel waterstofionen in het water rondzweven. Toch gebruiken wetenschappers de ionisatie van water en de waterstofionen die ze produceren als een manier om een schaal te maken waarmee waterstofniveaus in andere oplossingen vergeleken kunnen worden. De hydroxide-ionen zweven typisch gewoon rond in de oplossing, in tegenstelling tot de waterstofionen.
In termen van het aantal waterstofionen dat door auto-ionisatie wordt geproduceerd, is de hoeveelheid gelijk aan 1 x 10^-7 M (ervan uitgaande dat het zuiver water is). De notatie verwijst naar mol per liter water. Het aantal geïoniseerde watermoleculen is een ongelooflijk klein percentage van het totale aantal watermoleculen dat in om het even welke hoeveelheid zuiver water wordt aangetroffen.
Zure oplossingen en basische oplossingen
Nu we een referentiepunt hebben vastgesteld voor de basische en de zure van oplossingen, kunnen we bespreken hoe zuren en basen worden gedefinieerd. Zure oplossingen zijn die oplossingen welke een grotere H+ concentratie hebben dan zuiver water, terwijl basische oplossingen die oplossingen zijn welke een H+ concentratie hebben die lager is dan die van zuiver water. Om het anders te zeggen:
Base = H+ concentratie < 1 x 10^-7 M
Zuur = H+ concentratie > 1 x 10^-7 M
De concentratie van waterstofionen in een oplossing wordt gewoonlijk uitgedrukt in pH-termen, die worden berekend als de omgekeerde log van de waterstofionenconcentratie voor die bepaalde oplossing.
pH = -log10
Dus wanneer u de waterstofionenconcentratie van water in deze formule stopt, krijgt u een waarde van 7,0, of de neutrale pH op de pH-schaal. Zoals u wellicht kunt raden, hebben stoffen die voornamelijk uit water bestaan, zoals de cytosol in cellen of het bloed in het menselijk lichaam, pH-waarden die zeer dicht bij de neutrale zeven liggen. Zuren en basen kunnen worden toegevoegd aan een oplossing op waterbasis, waardoor de concentratie van die oplossing verschuift van het neutrale pH-punt. Basen verhogen gewoonlijk de pH-waarde door de introductie van hydroxide in het milieu, dat de waterstofionen verzamelt en ze uit de oplossing trekt. Ondertussen zijn zure stoffen die de waterstofionenconcentratie verhogen door te dissociëren en één van zijn waterstofatomen in de oplossing te introduceren.
Hoe krachtiger het zuur, hoe sneller het zal afbreken en H+ zal vrijgeven. Een voorbeeld van een sterk zuur is HCl, dat wanneer het met water wordt gecombineerd snel en volledig uiteenvalt in ionen van chloride en waterstof. Zwakke zuren, zoals azijn, ontleden daarentegen niet volledig. Een sterk basische stof maakt hydroxide-ionen vrij die in water H+ kunnen absorberen en volledig worden afgebroken, net zoals een sterk zure stof dat zal doen. Een voorbeeld van een sterke base is natriumhydroxide.
Sterkte van pH-schaal
Zoals eerder vermeld, helpt de pH-schaal bij het rangschikken van verschillende chemische samenstellingen in termen van hun basiciteit (ook wel alkaliteit genoemd) en hun zuurgraad. Zijn logaritmische aard betekent dat voor elke stijging van één pH-eenheid die optreedt, er een vertienvoudiging is van de concentraties van H+. Terwijl er sommige substanties zijn die buiten de 0 tot 14 pH waaier kunnen vallen, vallen de meeste oplossingen binnen deze waaier, en daarom wordt de pH schaal gewoonlijk voorgesteld als lopend van 0 tot 14, met basische substanties die om het even welke waarde boven zeven en zure substanties zijn om het even welke waarde onder neutraal 7.
Substanties die aan de verre einden van de pH schaal liggen, of uiterst basische of uiterst zure substanties kunnen vrij schadelijk voor organisch materiaal zijn, dat wezenlijke schade aan cellen doet. Zowel sterk basische als sterk zure stoffen kunnen bijtend van aard zijn, en het weefsel van mensen beschadigen. De pH van de oplossing, alsmede de hoeveelheid oplossing waaraan men wordt blootgesteld en hoe lang men er aan wordt blootgesteld, zijn allemaal factoren die bepalen hoeveel schade de stof zal aanrichten. Het is u misschien opgevallen dat maagzuur, uw maagzuur, een zeer zure stof is. Hoe beschermt uw lichaam zich tegen dit zuur? Er zijn bepaalde maagcellen die speciaal zijn gemaakt om als barrière te fungeren tussen het maagzuur en de andere cellen in het lichaam, die voortdurend worden aangemaakt en opgeofferd.
Voorbeelden
Enkele voorbeelden van veel voorkomende oplossingen en de pH-waarden die zij bezitten zijn:
- Melk – licht zuur met een pH-waarde van ongeveer 6,5.
- Regen – licht zuur met een pH-waarde van ongeveer 5,5.
- Koffie – licht zuur met een pH-waarde van ongeveer 4.
- .8.
- Tomatensap – licht zuur met een pH-waarde van ca. 3.0
- Batterijzuur – sterk zuur met een pH-waarde van ca. 1.0.
- Bloed – licht basisch met een ph van ca. 7.3
- Zeewater – licht basisch met een pH-waarde van ca. 8.
- Zeezuur – licht basisch met een pH-waarde van ca.0.
- Baking soda – licht basisch met een pH van ongeveer 8.0.
- Milk van magnesia – matig basisch met een pH van ongeveer 10.6
- Loog – sterk basisch met een pH van ongeveer 13.5