Έννοια του pH

Στην καθημερινή μας ζωή συναντάμε συνέχεια όξινες και βασικές ουσίες: το ξίδι και ο χυμός του λεμονιού είναι όξινα, το σαπούνι και το καθαριστικό των τζαμιών είναι βασικά, το καθαρό νερό δεν είναι ούτε το ένα ούτε το άλλο. Πολλές φορές όμως δεν μας αρκεί να ξέρουμε απλώς αν ένα διάλυμα είναι όξινο ή βασικό — θέλουμε να ξέρουμε και πόσο. Για να απαντήσουμε σε αυτό το «πόσο», οι χημικοί χρησιμοποιούν έναν αριθμό που τον λέμε pH. Σε αυτή την ενότητα θα μάθουμε τι είναι το pH, από τι εξαρτάται, πώς το μετράμε και γιατί έχει τόση σημασία στη ζωή μας.

Από πού προέρχονται οι ιδιότητες των οξέων και των βάσεων

Πριν μιλήσουμε για το pH, πρέπει να θυμηθούμε τι κάνει ένα διάλυμα όξινο ή βασικό.

Όταν διαλύουμε ένα οξύ ή μια βάση στο νερό, τα μόριά τους «σπάνε» και δημιουργούν ιόντα, δηλαδή φορτισμένα σωματίδια. Οι κοινές ιδιότητες κάθε ομάδας ουσιών οφείλονται ακριβώς σε αυτά τα ιόντα.

• Οι κοινές ιδιότητες των υδατικών διαλυμάτων των οξέων οφείλονται στα κατιόντα υδρογόνου $H^+$ (θετικά φορτισμένα σωματίδια).
• Οι κοινές ιδιότητες των υδατικών διαλυμάτων των βάσεων οφείλονται στα ανιόντα υδροξυλίου $OH^-$ (αρνητικά φορτισμένα σωματίδια).

Με άλλα λόγια, ένα διάλυμα είναι όξινο επειδή περιέχει πολλά $H^+$, και είναι βασικό επειδή περιέχει πολλά $OH^-$. Αυτή είναι η κεντρική ιδέα που θα μας βοηθήσει να καταλάβουμε τα πάντα για το pH.

Το νερό και η ισορροπία των ιόντων

Ακόμη και το καθαρό νερό περιέχει και τα δύο είδη ιόντων: κάποια $H^+$ και κάποια $OH^-$. Στο καθαρό νερό, όμως, το πλήθος των $H^+$ είναι ακριβώς ίσο με το πλήθος των $OH^-$. Επειδή τα δύο αντίθετα «ισοσταθμίζονται», το νερό δεν είναι ούτε όξινο ούτε βασικό — το λέμε ουδέτερο.

Αυτό μας δίνει έναν πολύ χρήσιμο τρόπο να σκεφτόμαστε κάθε υδατικό διάλυμα: αρκεί να συγκρίνουμε ποιο είδος ιόντων υπερισχύει.

• Αν υπερισχύουν τα $H^+$ → το διάλυμα είναι όξινο.
• Αν υπερισχύουν τα $OH^-$ → το διάλυμα είναι βασικό.
• Αν είναι ίσα → το διάλυμα είναι ουδέτερο.

Τι είναι το pH

Το pH είναι ένας αριθμός που μας δείχνει πόσο όξινο ή πόσο βασικό είναι ένα υδατικό διάλυμα. Είναι δηλαδή σαν μια «κλίμακα μέτρησης» της οξύτητας, ακριβώς όπως το θερμόμετρο μετρά τη θερμοκρασία με έναν αριθμό.

Στους $25\ ^oC$, το pH ενός υδατικού διαλύματος παίρνει τιμές από 0 μέχρι 14.

Το pH συνδέεται άμεσα με τη σχέση ανάμεσα στα $H^+$ και στα $OH^-$ που περιέχει το διάλυμα. Όσο περισσότερα $H^+$ υπάρχουν σε σχέση με τα $OH^-$, τόσο μικρότερο είναι το pH· όσο περισσότερα $OH^-$, τόσο μεγαλύτερο.

Η κλίμακα του pH

Το κλειδί για να διαβάζουμε την κλίμακα είναι το 7, που βρίσκεται στο κέντρο της:

Ας το πούμε αναλυτικά:

• Αν το pH είναι μικρότερο από 7, το διάλυμα είναι όξινο. Σε αυτό υπερισχύουν τα κατιόντα υδρογόνου $H^+$, οπότε ισχύει $πλήθος\ H^+ > πλήθος\ OH^-$.
• Αν το pH είναι ίσο με 7, το διάλυμα είναι ουδέτερο (όπως το καθαρό ή το αποσταγμένο νερό). Εδώ ισχύει $πλήθος\ H^+ = πλήθος\ OH^-$.
• Αν το pH είναι μεγαλύτερο από 7, το διάλυμα είναι βασικό. Σε αυτό υπερισχύουν τα ανιόντα υδροξυλίου $OH^-$, οπότε ισχύει $πλήθος\ H^+ < πλήθος\ OH^-$.

Πόσο όξινο ή πόσο βασικό;

Το pH δεν μας λέει μόνο αν ένα διάλυμα είναι όξινο ή βασικό, αλλά και πόσο. Αυτό είναι το πιο δυνατό του χαρακτηριστικό.

• Όσο μικρότερη είναι η τιμή του pH από το 7 (όσο πιο κοντά στο 0), τόσο πιο όξινο είναι το διάλυμα.
• Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του pH από το 7 (όσο πιο κοντά στο 14), τόσο πιο βασικό είναι το διάλυμα.

Ας το δούμε με ένα παράδειγμα σκέψης. Έστω ότι έχουμε τρία όξινα διαλύματα με pH ίσο με 1, 3 και 5. Και τα τρία είναι όξινα (και τα τρία έχουν pH μικρότερο από 7), όμως πιο όξινο είναι εκείνο με το μικρότερο pH, δηλαδή αυτό με pH = 1. Η σειρά τους από το λιγότερο προς το περισσότερο όξινο είναι: το διάλυμα με pH = 5, μετά αυτό με pH = 3, και πιο όξινο απ' όλα αυτό με pH = 1.

Αντίστοιχα, ανάμεσα σε δύο βασικά διαλύματα με pH ίσο με 9 και 13, πιο βασικό είναι εκείνο με το μεγαλύτερο pH, δηλαδή αυτό με pH = 13.

Πώς μετράμε το pH

Για να βρούμε την τιμή του pH ενός διαλύματος, χρησιμοποιούμε ειδικά εργαλεία. Τα δύο βασικά είναι το πεχαμετρικό χαρτί και το πεχάμετρο.

Το πεχαμετρικό χαρτί

Το πεχαμετρικό χαρτί είναι ένα ειδικό χαρτί εμποτισμένο με ένα μίγμα ουσιών (δεικτών) που αλλάζουν χρώμα ανάλογα με το πόσο όξινο ή βασικό είναι το διάλυμα.

Ο τρόπος χρήσης είναι απλός: βρέχουμε το χαρτί με λίγο διάλυμα και το χαρτί παίρνει ένα χρώμα. Στη συνέχεια συγκρίνουμε αυτό το χρώμα με μια έγχρωμη κλίμακα αναφοράς, όπου κάθε χρώμα αντιστοιχεί σε μια τιμή pH. Έτσι διαβάζουμε κατά προσέγγιση το pH του διαλύματος.

Το πεχάμετρο

Το πεχάμετρο είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που, όταν βυθίσουμε το αισθητήρα της στο διάλυμα, δείχνει την τιμή του pH κατευθείαν σαν αριθμό στην οθόνη της.

Ποιο εργαλείο είναι πιο ακριβές;

Πιο ακριβή τιμή μας δίνει το πεχάμετρο. Ας δούμε γιατί.

Το πεχαμετρικό χαρτί μας δίνει μόνο μια κατά προσέγγιση τιμή, γιατί στηρίζεται στη σύγκριση χρωμάτων. Τα διπλανά χρώματα της κλίμακας μοιάζουν πολύ μεταξύ τους, οπότε δύσκολα ξεχωρίζουμε αν το pH είναι, ας πούμε, 5 ή 6 — μπορούμε να πούμε μόνο ότι είναι «κάπου στο 5 με 6».

Το πεχάμετρο, αντίθετα, δείχνει την τιμή σαν αριθμό, μάλιστα και με δεκαδικά ψηφία (π.χ. $pH = 5{,}5$ και όχι απλώς «περίπου 5-6»). Γι' αυτό, όταν μια τιμή pH δίνεται με δεκαδικά ψηφία, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι μετρήθηκε με πεχάμετρο.

Τιμές pH σε γνωστά διαλύματα

Για να αποκτήσουμε αίσθηση της κλίμακας, ας δούμε ενδεικτικές τιμές pH σε ουσίες που συναντάμε καθημερινά. Οι ουσίες που δίνουν στο νερό $H^+$ (τα οξέα) βρίσκονται κάτω από το 7, ενώ αυτές που δίνουν $OH^-$ (οι βάσεις) πάνω από το 7.

Ας προσέξουμε δύο ουσίες που εμφανίζονται συχνά:

• Το υδροχλωρικό οξύ $HCl$ διαλύεται στο νερό δίνοντας πολλά $H^+$, γι' αυτό έχει πολύ χαμηλό pH (γύρω στο 1) και είναι από τα πιο όξινα διαλύματα.
• Το υδροξείδιο του νατρίου $NaOH$ διαλύεται δίνοντας πολλά $OH^-$, γι' αυτό έχει πολύ υψηλό pH (γύρω στο 13) και είναι από τα πιο βασικά.

Πώς κατατάσσουμε διαλύματα με βάση το pH

Πολλές φορές μας δίνουν τιμές pH διαφόρων διαλυμάτων και μας ζητούν να τα κατατάξουμε. Ο κανόνας είναι απλός: βάζουμε τους αριθμούς στη σειρά.

Έστω ότι έχουμε τα εξής: $HCl$ με $pH = 1{,}2$, ξίδι με $pH = 3{,}1$, $NaCl$ με $pH = 7{,}0$, σαπουνόνερο με $pH = 8{,}4$ και αμμωνία με $pH = 10{,}6$. Για να τα κατατάξουμε από το πιο όξινο προς το πιο βασικό, τα βάζουμε από το μικρότερο προς το μεγαλύτερο pH:

Το πιο όξινο είναι πάντα αυτό με το μικρότερο pH, και το πιο βασικό αυτό με το μεγαλύτερο.

Η επίδραση της αραίωσης στο pH

Τι συμβαίνει όταν προσθέτουμε νερό σε ένα όξινο ή σε ένα βασικό διάλυμα; Η διαδικασία αυτή λέγεται αραίωση: ουσιαστικά «αδυνατίζουμε» το διάλυμα, γιατί τα ιόντα του σκορπίζονται σε μεγαλύτερη ποσότητα νερού.

Το αποτέλεσμα είναι ότι η τιμή του pH πλησιάζει προς το 7 (το ουδέτερο):

• Όταν αραιώνουμε ένα όξινο διάλυμα (π.χ. ξίδι ή χυμό λεμονιού), το pH του αυξάνεται — ανεβαίνει προς το 7. Δηλαδή το διάλυμα γίνεται λιγότερο όξινο.
• Όταν αραιώνουμε ένα βασικό διάλυμα (π.χ. διάλυμα $NaOH$), το pH του μειώνεται — κατεβαίνει προς το 7. Δηλαδή το διάλυμα γίνεται λιγότερο βασικό.

Ας το δούμε με ένα παράδειγμα σκέψης. Έχουμε ένα διάλυμα $NaOH$ με $pH = 13$ και προσθέτουμε νερό. Το αραιωμένο διάλυμα θα έχει μικρότερο pH, ας πούμε γύρω στο 11 - 12. Ανάμεσα στα δύο, πιο βασικό είναι το αρχικό διάλυμα $NaOH$ (pH = 13), γιατί το αραιωμένο έχει πλησιάσει προς το ουδέτερο.

Η σχέση $H^+$ και $OH^-$: ο πυρήνας της έννοιας

Όλα όσα είπαμε καταλήγουν σε έναν πολύ απλό και ισχυρό κανόνα, που συνδέει το pH με τα ιόντα του διαλύματος. Αντί να μετράμε αριθμούς, αρκεί να αναρωτηθούμε: ποιο ιόν υπερισχύει;

• Σε όξινο διάλυμα ($pH < 7$): υπερισχύουν τα κατιόντα υδρογόνου, άρα $πλήθος\ H^+ > πλήθος\ OH^-$.
• Σε βασικό διάλυμα ($pH > 7$): υπερισχύουν τα ανιόντα υδροξυλίου, άρα $πλήθος\ H^+ < πλήθος\ OH^-$.
• Σε ουδέτερο διάλυμα ($pH = 7$): τα δύο είδη ιόντων είναι ίσα, άρα $πλήθος\ H^+ = πλήθος\ OH^-$.

Αυτός ο κανόνας δουλεύει και προς τις δύο κατευθύνσεις. Αν ξέρουμε το pH, βρίσκουμε ποιο ιόν υπερισχύει. Αντίστροφα, αν ξέρουμε ποιο ιόν υπερισχύει, βρίσκουμε αν το pH είναι μεγαλύτερο, ίσο ή μικρότερο του 7.

Παραδείγματα σκέψης

Παράδειγμα 1. Ένα διάλυμα υδροξειδίου του καλίου έχει $pH = 13$. Ποια σχέση ισχύει ανάμεσα στα $H^+$ και τα $OH^-$;
Επειδή το $pH = 13$ είναι μεγαλύτερο από 7, το διάλυμα είναι βασικό. Στα βασικά διαλύματα υπερισχύουν τα ανιόντα υδροξυλίου, οπότε:

Παράδειγμα 2. Έχουμε τρία διαλύματα: $NaOH$ με $pH = 13$, $HCl$ με $pH = 2$ και ένα καθαριστικό τζαμιών με $pH = 8$. Ποια είναι βασικά και σε ποιο υπερισχύουν τα $H^+$;
Βασικά είναι όσα έχουν $pH > 7$: το $NaOH$ (13) και το καθαριστικό τζαμιών (8). Το μόνο διάλυμα στο οποίο υπερισχύουν τα $H^+$ (δηλαδή $πλήθος\ H^+ > πλήθος\ OH^-$) είναι το $HCl$, αφού είναι το μόνο όξινο ($pH = 2 < 7$).

Παράδειγμα 3 (διαβάζοντας ένα ραβδόγραμμα). Φαντάσου δύο στήλες που δείχνουν το πλήθος των $H^+$ και το πλήθος των $OH^-$ σε ένα διάλυμα.

• Αν η στήλη των $H^+$ είναι ψηλότερη, το διάλυμα είναι όξινο.
• Αν η στήλη των $OH^-$ είναι ψηλότερη, το διάλυμα είναι βασικό.
• Αν οι δύο στήλες είναι ίσες, το διάλυμα είναι ουδέτερο.

Το pH στην καθημερινή ζωή και στον οργανισμό μας

Το pH δεν είναι μια έννοια μόνο για το εργαστήριο — παίζει καθοριστικό ρόλο στην υγεία μας και στη ζωή γύρω μας.

Το δέρμα και ο «όξινος μανδύας»

Το δέρμα μας έχει έναν λεπτό προστατευτικό όξινο μανδύα με pH περίπου 4,5 - 5,5, δηλαδή ελαφρώς όξινο. Αυτή η ελαφριά οξύτητα είναι μια φυσική ασπίδα: εμποδίζει την ανάπτυξη μικροβίων (βακτηρίων και μυκήτων) στην επιφάνεια του δέρματος, γιατί πολλά μικρόβια δεν επιβιώνουν σε όξινο περιβάλλον.

Γι' αυτό, όταν καθαρίζουμε το δέρμα μας, καλό είναι το σαπούνι ή το σαμπουάν να έχει pH παρόμοιο με αυτό του δέρματος. Ένα προϊόν με πολύ διαφορετικό pH (π.χ. πολύ βασικό) καταστρέφει τον όξινο μανδύα, ξηραίνει το δέρμα, το ερεθίζει και το αφήνει πιο ευάλωτο σε μικρόβια. Αντίθετα, ένα προϊόν με ήπιο, ελαφρώς όξινο pH το καθαρίζει χωρίς να χαλάει τη φυσική του προστασία. Γι' αυτό πολλά σαμπουάν αναγράφουν στην ετικέτα τους ενδείξεις όπως $pH = 5{,}5$ ή τη φράση «pH-balanced».

Το αίμα

Το αίμα μας είναι ελαφρώς βασικό, με pH που κυμαίνεται σε ένα πολύ στενό εύρος, γύρω στο 7,35 - 7,45. Ο οργανισμός φροντίζει να κρατά αυτή την τιμή σχεδόν σταθερή. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας: ακόμη και μικρές αποκλίσεις του pH του αίματος είναι επικίνδυνες, γιατί επηρεάζουν τη σωστή λειτουργία των κυττάρων και των οργάνων του σώματος.

Το στομάχι

Το γαστρικό υγρό, δηλαδή το υγρό μέσα στο στομάχι μας, είναι πολύ όξινο, με pH περίπου 1,5 - 3,5.

Σύνοψη

• Οι ιδιότητες των οξέων οφείλονται στα κατιόντα υδρογόνου $H^+$, και των βάσεων στα ανιόντα υδροξυλίου $OH^-$.
• Το pH είναι ένας αριθμός από 0 έως 14 (στους $25\ ^oC$) που δείχνει πόσο όξινο ή βασικό είναι ένα υδατικό διάλυμα.
• $pH < 7$ → όξινο, $pH = 7$ → ουδέτερο, $pH > 7$ → βασικό.
• Όσο μικρότερο το pH, τόσο πιο όξινο το διάλυμα· όσο μεγαλύτερο, τόσο πιο βασικό.
• Σε όξινο: $πλήθος\ H^+ > πλήθος\ OH^-$. Σε βασικό: $πλήθος\ H^+ < πλήθος\ OH^-$. Σε ουδέτερο: $πλήθος\ H^+ = πλήθος\ OH^-$.
• Μετράμε το pH με πεχαμετρικό χαρτί (κατά προσέγγιση, με σύγκριση χρωμάτων) ή με πεχάμετρο (πιο ακριβές, δίνει αριθμό με δεκαδικά).
• Η αραίωση με νερό φέρνει το pH πιο κοντά στο 7: ένα όξινο ανεβαίνει, ένα βασικό κατεβαίνει.
• Το pH έχει τεράστια σημασία στην καθημερινή ζωή: στο δέρμα, στο αίμα και στο στομάχι μας.