Τα οξέα 🧪

Στη λεμονάδα και στην πορτοκαλάδα περιέχεται κιτρικό οξύ. Στα αναψυκτικά τύπου cola περιέχεται φωσφορικό οξύ, στο ξίδι περιέχεται οξικό οξύ και στους χυμούς των φρούτων περιέχεται ασκορβικό οξύ. Σε όλες αυτές τις ουσίες υπάρχει κάτι κοινό: όλες περιέχουν ένα οξύ.

1.1 Ιδιότητες των οξέων

Τα υδατικά διαλύματα των οξέων έχουν ορισμένες κοινές ιδιότητες.

Ας δούμε αναλυτικά τις κοινές ιδιότητες των διαλυμάτων των οξέων. Ισχύουν για όλα τα οξέα, όχι μόνο για το κιτρικό οξύ του λεμονιού ή το αραιό υδροχλωρικό οξύ.

1. Τα διαλύματα των οξέων έχουν όξινη γεύση

Η χαρακτηριστική όξινη (ξινή) γεύση των οξέων γίνεται αντιληπτή όταν πίνουμε φυσικό χυμό πορτοκαλιού ή λεμονιού (που περιέχουν κιτρικό οξύ), όταν τρώμε σαλάτα με ξίδι (που περιέχει οξικό οξύ) ή όταν τρώμε γιαούρτι (που περιέχει γαλακτικό οξύ).

2. Τα διαλύματα των οξέων μεταβάλλουν το χρώμα των δεικτών

Οι δείκτες είναι χημικές ουσίες οι οποίες με την παρουσία οξέων αλλάζουν χρώμα. Για παράδειγμα, αν προσθέσουμε λίγες σταγόνες του δείκτη μπλε της βρωμοθυμόλης σε διάλυμα οποιουδήποτε οξέος, το διάλυμα θα πάρει κίτρινο χρώμα.

Οι πιο συνηθισμένοι δείκτες που χρησιμοποιούνται στα χημικά εργαστήρια είναι το βάμμα του ηλιοτροπίου, η ηλιανθίνη, το μπλε της βρωμοθυμόλης και η φαινολοφθαλεΐνη. Δείκτες περιέχονται όμως και σε φυσικά υλικά, όπως στο κόκκινο λάχανο, στο τσάι, στα πέταλα πολλών λουλουδιών (κόκκινα τριαντάφυλλα, γεράνια, πετούνιες) και στα «ιταλικά» ραδίκια.

3. Τα διαλύματα των οξέων αντιδρούν με το μάρμαρο και τη μαγειρική σόδα

Αν ρίξουμε ξίδι πάνω σε μαγειρική σόδα ή σε μικρά κομμάτια μαρμάρου, θα παρατηρήσουμε σχηματισμό φυσαλίδων. Το οξικό οξύ που περιέχεται στο ξίδι αντιδρά με τη σόδα και παράγεται ένα αέριο σε μορφή φυσαλίδων, το διοξείδιο του άνθρακα. Παρόμοια φαινόμενα παρατηρούμε αν αντί για ξίδι χρησιμοποιήσουμε χυμό λεμονιού.

Στις δύο αυτές περιπτώσεις πραγματοποιούνται οι χημικές αντιδράσεις:

Τόσο η μαγειρική σόδα όσο και το μάρμαρο ανήκουν σε μια κατηγορία χημικών ενώσεων που ονομάζονται ανθρακικά άλατα. Τα διαλύματα των οξέων, κατά κανόνα, αντιδρούν με τα ανθρακικά άλατα:

4. Τα διαλύματα των οξέων αντιδρούν με πολλά μέταλλα και ελευθερώνουν αέριο υδρογόνο

Αν βάλουμε σε δοκιμαστικό σωλήνα μικρά κομμάτια ψευδαργύρου και ρίξουμε μέσα διάλυμα υδροχλωρίου, θα παρατηρήσουμε παραγωγή ενός αερίου: του υδρογόνου. Όπως ο ψευδάργυρος, έτσι και πολλά άλλα μέταλλα αντιδρούν με ορισμένα διαλύματα οξέων και παράγουν αέριο υδρογόνο:

Μερικά μέταλλα, όπως ο χαλκός, δεν αντιδρούν με αυτά τα διαλύματα.

Ο όξινος χαρακτήρας

Το σύνολο των κοινών ιδιοτήτων των διαλυμάτων των οξέων ονομάζεται όξινος χαρακτήρας. Τα υδατικά διαλύματα των οξέων:

• Έχουν χαρακτηριστική ξινή (όξινη) γεύση.
• Μεταβάλλουν το χρώμα των δεικτών.
• Αντιδρούν με τα ανθρακικά άλατα και παράγεται διοξείδιο του άνθρακα.
• Αντιδρούν με πολλά μέταλλα και παράγεται υδρογόνο.

1.2 Οξέα κατά Arrhenius

Γιατί όμως τα διαλύματα όλων των οξέων έχουν κοινές ιδιότητες; Απάντηση στο ερώτημα αυτό έδωσε το 1887 ο Σουηδός χημικός S. Arrhenius (1859–1927, Νόμπελ Χημείας 1903): τα διαλύματα όλων των οξέων περιέχουν κατιόντα υδρογόνου $H^+$. Σ' αυτά ακριβώς τα ιόντα οφείλονται οι κοινές ιδιότητες των οξέων.

Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται τα ιόντα που παρέχουν τα πιο συνηθισμένα οξέα, όταν διαλύονται στο νερό:

1.3 Η κλίμακα pH (πε-χα) ως μέτρο της οξύτητας

Η οξύτητα είναι μια μετρήσιμη ιδιότητα των διαλυμάτων, η οποία εκφράζει το πόσο όξινο είναι ένα διάλυμα. Όσο περισσότερα κατιόντα υδρογόνου υπάρχουν σε ορισμένο όγκο ενός διαλύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η οξύτητά του.

Η περιεκτικότητα ενός υδατικού διαλύματος σε κατιόντα υδρογόνου εκφράζεται συνήθως με έναν αριθμό, το pH του διαλύματος.

Στα διαλύματα των οξέων, το pH παίρνει τιμές μικρότερες από 7 και πρακτικά μεγαλύτερες από 0, εφόσον βρίσκονται σε θερμοκρασία 25 °C. Όσο πιο μικρό είναι το pH ενός υδατικού διαλύματος, τόσο πιο όξινο είναι το διάλυμα αυτό, δηλαδή τόσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητά του σε κατιόντα υδρογόνου.

1.4 Το pH του καθαρού νερού

Έχει βρεθεί πειραματικά ότι το νερό, ακόμα και όταν δεν περιέχει καμία διαλυμένη ουσία, περιέχει πάντοτε έναν σχετικά μικρό αριθμό κατιόντων υδρογόνου. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα πολύ μικρό ποσοστό των μορίων του νερού δίνει ιόντα, σύμφωνα με τη χημική εξίσωση:

Από τα μόρια του νερού παράγονται λοιπόν, εκτός από τα κατιόντα υδρογόνου, και ανιόντα $OH^-$, τα οποία ονομάζονται ανιόντα υδροξειδίου.

Από την ίδια χημική εξίσωση προκύπτει ότι τα κατιόντα υδρογόνου που παράγονται από τα μόρια του νερού είναι ίσα σε πλήθος με τα ανιόντα υδροξειδίου. Έτσι, στο καθαρό νερό ισχύει:

Εφόσον και στο καθαρό νερό περιέχονται κατιόντα υδρογόνου, συμπεραίνουμε ότι και σε αυτό αντιστοιχεί κάποια τιμή pH: το pH του καθαρού νερού είναι 7 (στους 25 °C). Το ίδιο pH με το καθαρό νερό (pH = 7) έχουν και όλα τα υδατικά διαλύματα στα οποία ισχύει η παραπάνω σχέση στους 25 °C. Τα διαλύματα αυτά ονομάζονται ουδέτερα.

1.5 Το pH των όξινων διαλυμάτων

Όταν ένα οξύ διαλύεται στο νερό, παρέχει κατιόντα υδρογόνου. Επομένως, στα διαλύματα των οξέων τα ιόντα $H^+$ είναι περισσότερα από τα ιόντα $OH^-$:

Η πρόταση αυτή είναι ισοδύναμη με το ότι σε κάθε διάλυμα οξέος ισχύει: $pH < 7$.

1.6 Μέτρηση του pH ενός διαλύματος

Το pH ενός διαλύματος μπορούμε να το μετρήσουμε με πεχάμετρο ή με πεχαμετρικό χαρτί. Το πεχάμετρο είναι ένα ηλεκτρονικό όργανο το οποίο χρησιμοποιείται για την ακριβή μέτρηση του pH ενός διαλύματος. Το πεχαμετρικό χαρτί είναι ένα ειδικό απορροφητικό χαρτί εμποτισμένο με μείγμα δεικτών (δείκτης Universal ή γενικός δείκτης), το οποίο αλλάζει χρώμα ανάλογα με το pH του διαλύματος. Μας επιτρέπει να βρίσκουμε πολύ εύκολα το pH ενός διαλύματος, αλλά όχι με μεγάλη ακρίβεια.

Για να μετρήσουμε το pH ενός διαλύματος με πεχαμετρικό χαρτί, βυθίζουμε μια καθαρή γυάλινη ράβδο στο διάλυμα και στη συνέχεια την ακουμπάμε πάνω στο πεχαμετρικό χαρτί. Μετά από μερικά δευτερόλεπτα συγκρίνουμε το χρώμα που απέκτησε το χαρτί με τα χρώματα μιας κλίμακας αναφοράς και βρίσκουμε κατά προσέγγιση το pH του διαλύματος.