Kyseliny a zásady

V prvom článku našej série sme nahliadli do sveta molekúl. Ukázali sme si, ako počítame veľké množstvá molekúl, a poukázali sme na ich rozdielnu hmotnosť. S nadobudnutými vedomosťami sa pusťme do problematiky chemických reakcií a pH.

Na prvý pohľad sa môže zdať, že ide o témy, ktoré patria na stredoškolské hodiny chémie alebo do chemických laboratórií. Iba málo vecí však môže byť ďalej od pravdy. Ukážeme si, že práve s nimi sa často stretávame pri práci v kuchyni a možno aj bez toho, aby sme o tom vedeli.

Od reaktantov k produktom

V rámci stredoškolskej chémie sme sa učili, že chemickú reakciu vieme vhodne zapísať v tvare chemickej rovnice aX + bY → cW + dZ, kde členy X, Y označujeme ako reaktanty (vstupujú do reakcie) a W, Z predstavujú produkty reakcie (výsledok reakcie). V reakcii nám ešte figurujú čísla a, b, c a d, ktoré predstavujú tzv. stechiometrické koeficienty.

Kyseliny a zásady sa radia do stupnice podľa pH od hodnôt pH 0 (najkyslejšie) po pH 14 (najzásaditejšie), kde pH 7 je neutrálne. Pri každej hodnote pH sa univerzálny indikátor špecificky zafarbí, ilustrácia Fotky&Foto/blueringmedia.

Pri reakcii musí platiť niekoľko pravidiel. Prvým je zákon zachovania hmotnosti, ktorý hovorí, že hmotnosť reaktantov sa musí rovnať hmotnosti produktov. Ďalším pravidlom je, že počty jednotlivých atómov musia byť rovnaké pred reakciou aj po nej. V prípade, že by to neplatilo, niekde alebo niekedy počas reakcie by muselo dochádzať k vzniku alebo zániku hmoty. To sa pri chemickej reakcii nedeje, preto je potrebné vyvážiť množstvo látky na jednotlivých stranách chemickej rovnice. Na to slúžia práve spomínané stechiometrické koeficienty. Udávajú pomery látkového množstva jednotlivých členov chemickej reakcie. Ak sa napríklad všetky koeficienty rovnajú 1, tak pri zreagovaní jedného mólu každého reaktantu vo výsledku dostaneme po jednom móle z každého produktu. Uvedený stav je, samozrejme, ideálny. V skutočnosti reakcia prebieha obidvomi smermi a existuje istý bod, v ktorom nastane rovnováha reakcie. To vieme vyjadriť v podobe koeficientu, ktorý predstavuje podiel koncentrácií produktov a reaktantov. V prípade, že je koeficient veľké číslo, väčšina reaktantov pri reakcii zreaguje.
Ako jednoduchú chemickú reakciu, ktorú poznáme z kuchyne, môžeme uviesť reakciu kyseliny octovej (CH₃COOH) a sódy bikarbóny (hydrogénuhličitan sódny; NaHCO₃). Ako výsledok získavame octan sodný (CH₃COONa), vodu (H₂O) a oxid uhličitý (CO₂). Výhodou tejto reakcie je, že všetky stechiometrické koeficienty sa rovnajú jednej. Reakcia sa volá aj neutralizácia, keďže do nej ako reaktanty vstupujú kyselina a zásada.

Koncentrácia vodíkových katiónov

Teraz si povedzme niečo o pH. Mnohí si z hodín chémie isto pamätajú, že má niečo do činenia s kyslosťou látok. Ide o skratku z latinského potentia hydrogenii, čiže v preklade kapacita vodíka. Niektorí si možno spomenú aj na to, že pH vyjadrujeme v číslach od 0 do 14. Čím je číslo menšie, tým je prostredie kyslejšie, a, naopak, čím je číslo väčšie, tým je prostredie zásaditejšie. Neutrálne pH zodpovedá číslu 7, typicky ho má napríklad čistá voda.
Čo však toto číslo predstavuje? Treba spomenúť, že voda, ktorú poznáme pod chemickým vzorcom H₂O, neexistuje iba v neutrálnom stave, ale je schopná vytvárať aj ióny. Pri strate jedného vodíka vytvorí tzv. hydroxidový ión OH^–. Môže dokonca aj jeden vodík prijať a vytvoriť katióny H₂O⁺. Práve koncentrácia týchto katiónov súvisí s hodnotou pH.
Čo sa týka matematického vyjadrenia výpočtu hodnoty pH, predstavuje zápornú hodnotu dekadického logaritmu koncentrácie katiónov vody, čo vieme zapísať v podobe rovnice ako pH = -log₁₀ [H⁺] = -log₁₀ [H₃O⁺]. Hodnota pH teda vlastne vyjadruje zastúpenie katiónov vody v nejakej látke. V neutrálnej vode sú prirodzene v koncentrácii 10^-7 mol/l prítomné tieto katióny. Kyseliny majú teda vyššiu koncentráciu katiónov a zásady nižšiu.

Mgr. Patrik Čechvala
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave