Те, кто хоть немножко учил химию, в колледже или вузе, сталкивались с понятием кислотности жидкости. Мерой кислотности является водородный показатель, или pH, определение выше на титульной картинке статьи.
Каждому раствору, в частности относимому к электролитам, свойственно свое значение pH, измеряемое в лабораториях особым прибором - pH-метром, измеряющим разницу потенциалов между двумя электродами, помещенным в раствор измерительным и эталонным. Потенциал измерительного электрода зависит от концентрации ионов водорода в исследуемом растворе.
Кислотность заливаемой в аккумуляторы серной кислоты около 0,8, подобной кислотности добиваются разбавлением исходной более концентрированной кислоты дистиллированной водой в нужном соотношении и контролем - нет, не уровня pH, а плотности.
Тест-полоски
Нас интересует сейчас именно кислотность воды. Нейтральной считается кислотность раствора 7, мы вправе ожидать этого показателя от питьевой воды.Проведем эксперимент - промерим инструментом "Пипетка" графического редактора Paint MS Office значения показателя Оттенок эталонной шкалы тест-полосок, предназначенных для визуального определения pH растворов, ниже подобная шкала для использованных нами полосок.
У шкалы промерены показатели красной R, зеленой G и синей B составляющей, Оттенок и Яркость и нанесены на график в зависимости от значения pH.
Нальем в стакан дистиллированную воду, опустим тест-полоску и измерим ее оттенок. Это наиболее важный показатель, характеризующий цвет объекта. (При пропорциональном изменении показателей R, G, B оттенок не меняется, пропорционально меняется лишь яркость). Для более точной сверки оттенка приведем график оттенка с подробной сеткой для снятия показаний.
Оттенок тест-полоски после окунания ее в дистиллированную воду 20, по графику этому соответствует pH=5,3. Казалось бы, дистиллированная вода как наиболее чистая должна иметь ph=7, но согласно ГОСТу pH может находиться в пределах 5,0-7,0. Некоторая кислотность воды определяется растворенным в ней атмосферным углекислым газом, т.е. дистиллированная вода - это очень слабая угольная кислота. Удаляется углекислый газ кипячением воды в течение 30 минут, по крайней мере, так утверждается, поскольку кипячение воды удаляет растворенные в ней газы.
Проверим график на сильно щелочном растворе - отбеливателе Белизна, действующее вещество Гипохлорит натрия NaOCl, неорганическая натриевая соль хлорноватистой кислоты, в водном растворе обладает щелочными свойствами, поскольку гидролизуется с образованием хлорноватистой кислоты HOCl и щелочи NaOH.
При добавлении 100 мл на 5 л воды оттенок тест-полоски 32, а при добавлении 100 мл на 0,5 л воды оттенок 12, что отвечает pH соответственно (по графику выше) 11,4 и 12,3. Полное соответствии теории диссоциации - при разбавлении раствора в 10 раз показатель кислотности меняется на единицу.
Обратите внимание, что график зависимости оттенка от значения pH содержит в себе неоднозначность, поскольку имеет максимум. Для сильных щелочей пользуемся правой ветвью графика.
Чтобы внести ясность, в чем причина неоднозначности, посмотрим на графики R, G, B и Яркости. Значениям pH 13 и 1 соответствует одно значение Оттенка 0, но разные значения Яркости: 45 и 90, что исключает неоднозначность при визуальном наблюдении. Причина же одинаковости оттенка в том, что Оттенок может зрительно воспринимается одинаково при разной интенсивности основных цветов, что зависит от особенностей человеческого зрения. Красный и зеленый цвета при смешивании могут дать желтый цвет, оттенок которого зависит от соотношения смешиваемых цветов.
Возникает законный вопрос, что же главнее при оценке pH - оттенок или яркость, при оценке по одному показателю на что ориентироваться.
Эксперимент с разбавлением лимонной кислоты
Проведем эксперимент. Растворим в 80 г воды 20 г пищевой лимонной кислоты, тем самым получив массовую концентрацию 0,20, и путем последовательного разбавления водой (водопроводной) до концентрации 0,0001 измерим вышеописанным способом все показатели.
График ниже.
Из графика следует, что яркость тест-полосок почти не зависит от концентрации кислоты, в то время как оттенок при малых концентрациях (до 0,025) монотонно изменяется с изменением концентрации, и может служить для оценки pH.
Причина стабильности pH при разбавлении заключается в том, что лимонная кислота (C₆H₈O₇) является многоосновной кислотой, она ведет себя при разбавлении иначе, чем одноосновные кислоты, что ведет к буферному эффекту, и растворы лимонной кислоты более стабильны в плане кислотности при разбавлении.
Ввиду логарифмического масштаба по оси концентрации кислоты на график не могут быть нанесены показатели использовавшейся для разведения кислоты водопроводной воды. Эти показатели таковы: R=147, G=104, B=41. Оттенок = 24, pH = 5,85.
Надеемся, что статья оказалась полезной пытливым школьникам, которые могут повторить все описанные эксперименты и с другими веществами, разумеется не опасными в обращении.