pH står för potentiellt väte, där ”p” betyder potentiellt och ”H” står för väte. pH-skalan är en skala som används för att rangordna ämnens relativa basiskhet eller surhet i förhållande till andra ämnen, baserat på mängden vätejonaktivitet i ett ämne.
Skalan är logaritmisk till sin natur, vilket innebär att varje helt pH-värde representerar en förändring på 10 gånger det föregående värdet. pH-skalan är baserad kring pH 7, som är neutralt och representerar ämnen som varken är en syra eller en bas.
Basen för pH-skalan
Även om du inte är intimt bekant med begreppen syror och baser har du säkerligen någon exponering för dem. Basiska ämnen är saker som bakpulver, medan sura ämnen är saker som apelsinjuice och soda. Ämnen klassificeras som baser eller syror baserat på den koncentration av vätejoner som ämnet har. H:et i pH står för nivån av vätejonaktivitet i en viss lösning. Det är alltså möjligt att definiera sura och basiska lösningar på följande sätt:
En sur lösning är en lösning med nivåer av vätejoner som är större än den mängd som finns i rent vatten (som ligger på den neutrala sjuan). En basisk lösning har däremot en koncentration av vätejoner som är lägre än i vatten.
Då rent vatten fungerar som den neutrala punkten på pH-skalan, ska vi titta på vattnets egenskaper och placera det i samband med vätejoner. Jonisering av vatten avser hur en viss liten andel av vattenmolekylerna i en given mängd vatten spontant kommer att generera vätejoner när de dissocieras, eller delas upp i mindre partiklar. Detta kallas ibland för autojonisering. Processen med autojonisering producerar lika många hydroxidjoner (OH-) och vätejoner (H+). Observera att vätejonerna vanligtvis binder sig direkt till en närliggande vattenmolekyl för att bilda hydronium (H3O+). Detta innebär att det faktiskt inte finns en massa vätejoner som flyter runt i vattnet. Forskare använder dock fortfarande joniseringen av vatten och de vätejoner som bildas som ett sätt att skapa en skala som gör det möjligt att jämföra väte på nivåer i andra lösningar. Hydroxidjonerna flyter vanligtvis bara runt i lösningen, till skillnad från vätejonerna.
I fråga om antalet vätejoner som produceras genom autojonisering är mängden lika med 1 x 10^-7 M (om man antar att det är rent vatten). Noteringen avser mol per liter vatten. Antalet joniserade vattenmolekyler är en otroligt liten andel av det totala antalet vattenmolekyler som finns i någon mängd rent vatten.
Acida lösningar och basiska lösningar
När vi nu har etablerat en referenspunkt för lösningarnas basicitet och surhet, kan vi diskutera hur syror och baser definieras. Sura lösningar är de lösningar som har en högre H+-koncentration än rent vatten, medan basiska lösningar är de lösningar som har en lägre H+-koncentration än rent vatten. För att uttrycka det på ett annat sätt:
Bas = H+ koncentration < 1 x 10^-7 M
Syra = H+ koncentration > 1 x 10^-7 M
Koncentrationen av vätejoner i en lösning anges vanligen i pH-termer, vilket beräknas som den omvända loggen av vätejonkoncentrationen för den aktuella lösningen.
pH = -log10
Så om man sätter in vätgasjonkoncentrationen i vatten i den här formeln får man ett värde på 7,0, eller det neutrala pH på pH-skalan. Som du kanske kan gissa har ämnen som huvudsakligen består av vatten, t.ex. cytosolen i celler eller blodet i människokroppen, pH-värden som ligger mycket nära det neutrala värdet sju. Syror och baser kan tillsättas till en vattenbaserad lösning, vilket förskjuter koncentrationen i den lösningen bort från den neutrala pH-punkten. Baser höjer vanligtvis pH-värdet genom att hydroxid förs in i miljön, som samlar in vätejonerna och drar ut dem ur lösningen. Samtidigt är sura ämnen sådana som ökar vätejonkoncentrationen genom att dissociera och föra in en av sina väteatomer i lösningen.
Desto kraftigare syran är, desto snabbare bryts den ner och frigör H+. Ett exempel på en stark syra är HCl, som när den kombineras med vatten dissocieras snabbt och fullständigt till klorid- och vätejoner. Svaga syror som vinäger dissocieras däremot inte helt och hållet. Ett starkt basiskt ämne frigör hydroxidjoner som kan absorbera H+ när det är i vatten och bryts ned fullständigt på samma sätt som ett starkt surt ämne gör. Ett exempel på en stark bas är natriumhydroxid.
Styrka av pH-skalan
Som tidigare nämnts hjälper pH-skalan till att rangordna olika kemiska sammansättningar i termer av deras basiskhet (även kallad alkalinitet) och deras surhet. Är logaritmisk natur innebär att för varje ökning av en pH-enhet som sker, sker en tiofaldig ökning av koncentrationerna av H+. Även om det finns vissa ämnen som kan falla utanför pH-området 0-14, faller de flesta lösningar inom detta område, och därför framställs pH-skalan vanligen som att den sträcker sig från 0 till 14, där basiska ämnen är alla värden över sju och sura ämnen alla värden under neutrala 7.
Substanserna som ligger längst ut på pH-skalan, antingen extremt basiska eller extremt sura ämnen, kan vara mycket skadliga för organiskt material och göra avsevärd skada på cellerna. Både mycket basiska och mycket sura ämnen kan vara frätande till sin natur och skada människors vävnad. Lösningens pH-värde samt mängden lösning som man utsätts för och hur länge man utsätts för den är alla faktorer som avgör hur mycket skada ämnet kommer att göra. Du kanske har märkt att magsyra, din magsyra, är ett mycket surt ämne. Hur skyddar sig din kropp mot denna syra? Det finns vissa magceller som skapats specifikt för att fungera som en barriär mellan magsyran och de andra cellerna i kroppen, som ständigt skapas och offras.
Exempel
Några exempel på vanliga lösningar och de pH-värden de besitter är:
- Mjölk – svagt surt med ett pH-värde på cirka 6,5.
- Regn – svagt surt med ett pH-värde på cirka 5,5.
- Koffee – svagt surt med ett pH-värde på cirka 4.8.
- Tomatsaft – svagt sur med ett pH-värde på ca 3,0
- Batterisyra – starkt sur med ett pH-värde på ca 1,0.
- Blod – svagt basiskt med ett ph-värde på ca 7,3
- Sjövatten – svagt basiskt med ett pH-värde på ca 8.0.
- Bakpulver – svagt basiskt med ett pH-värde på ca 8.0.
- Magnesiummjölk – måttligt basiskt med ett pH-värde på ca 10.6
- Lye – starkt basiskt med ett pH-värde på ca 13.5
.