Chemia wody –
odczyn, zasadowość,
kwasowość
cz. IV
Helmut KROSNY
Użyte w poprzednim artykule (patrz nr 6/84) określenie „Pełny kwas i pełna zasada”, umieszczone pod tabelą, ilustrującą zależność pomiędzy pH i pOH jest określeniem potocznym, użytym jedynie dla zaakcentowania tejże zależności. W rzeczywistości określenia: „woda kwaśna”, „woda alkaliczna” nie zawsze są poprawne, a często całkiem bezzasadne. Jak wiemy, woda jest związkiem dwóch gazów: wodoru (Hydrogenium – H) oraz tlenu (Oxygenium – O). Wodę chemicznie czystą oznaczamy symbolem H2O Wody takiej w naturze nie spotykamy. Najczystszą wodą naturalną jest woda opadowa (deszczowa), w rejonach całkowicie pozbawionych przemysłu W Polsce takiej wody nie ma. Deszcz i śnieg padające w Polsce łączą się nie tylko z tlenem, azotem i dwutlenkiem węgla znajdującymi się w atmosferze, ale wzbogacają się w związki siarki, azotu oraz różne, często bardzo toksyczne pyły. Pierwszą, zasadniczą wielkością określającą jakość wody, jest jej odczyn pH i odczyn pOH. W praktyce mierzymy tylko pH, albowiem wielkość pOH jest wielkością odpowiadającą różnicy pomiędzy liczbą 14 a liczbą określającą pH (porównaj tabelę w nr 6/84, ilustrującą zależność pomiędzy pH i pOH). Aby zrozumieć, co to jest właściwie owo pH, musimy sobie powiedzieć, jak doszło do powstania tego określenia. Otóż w XIX w. uczeni, badając przewodnictwo różnych cieczy zauważyli, że dysocjacja, czyli zjawisko, powstające podczas rozpuszczania elektrolitów, a polegające na tworzeniu się anionów i kationów pozostających z sobą w równowadze, jest bardzo zróżnicowane. W wypadku czystej wody zjawisko dysocjacji jest tak nikłe, że w elektrotechnice czysta woda z dodatkiem gliceryny, obniżającej punkt zamarzania, była stosowana – pod nazwą ekspanzyny, do wypełniania osprzętu – zamiast oleju! Dokładne badania wykazały jednak, że nawet zupełnie czysta woda potrafi przewodzić prąd elektryczny. Przewodnictwo to jest jednak nieznaczne, a jego słabość tłumaczy się nikłym rozpadem cząsteczek wody na jony, wg równania:
H2O = H+ + OH–
O tym, jak mało cząsteczek wody jest zdysocjowanych na jony, niech świadczy fakt, że na 556 milionów cząsteczek wody tylko jedna cząsteczka znajduje się w postaci jonowej. Inaczej mówiąc: w 10 000 000 litrów wody jedynie 18 gramów wody znajduje się w postaci jonów H+ + OH–. Owe 18 gramów stanowi akurat jeden mol wody (mol jest ilością gramów równą liczbowo ciężarowi drobinowemu ciała). Po dysocjacji jeden mol H2O daje jeden mol H+ i jeden mol OH–. Jeśli w 10 milionach litrów wody znajduje się po jednym molu H+ i OH–, to w jednym litrze będzie 10 milionów razy mniej:
1/ 10.000.000 = 10-7 mola/litr (mola H+, lub mola OH–)
oznacza to, że stężenie jonów wodorowych H– jest równe stężeniu jonów wodorotlenowych OH– i jego wartość wynosi 10-7 mola/litr. Ze względu na duże liczby, trudne do zapamiętania, duński biochemik i biofizyk – członek Duńskiej Królewskiej Akademii Nauki i Literatury, Sóren Peter Lauritz Sórensen zaproponował w 1909 r., aby stężenie jonów określać ujemnym logarytmem, jako – log aH+
Wywody moje przeznaczone są dla Czytelnika niezaawansowanego w chemii; byłbym szczęśliwy, gdyby były one zrozumiałe dla każdego. Wybaczy mi przeto Redakcja, że wyjaśnię jeszcze, co to jest logarytm. Otóż przy potęgowaniu, czyli mnożeniu tej samej liczby określoną ilość razy przez siebie (np. 10x10x10x10), możemy dokonać zapisu przez podanie tej liczby i napisanie obok niej z prawej, górnej strony, ile razy liczbę tę należy przez siebie pomnożyć (np. 104). W podanym przykładzie liczba 10 jest podstawą potęgi, a liczba 4 wykładnikiem potęgi. Analogicznie: 5x5x5 = 53 = 125.
Aby otrzymać liczbę 10 000 000 należy pomnożyć liczbę 10 siedem razy przez siebie: 10x10x10x10x10x10x10 = 107 = 10 000 000. Jeżeli liczbę 10 000 000 nazwiemy literą „a”, liczbę 10 literą „b”, zaś liczbę 7 literą „x”, to logarytmem liczby „b” będzie taki wykładnik „x” potęgi, do której należy podnieść podstawę „b” aby otrzymać liczbę logarytmowaną „a”, czyli bx = a, a w tym przypadku 107 = 10 000 000. Wynika z tego, że logarytmem liczby 10 000 000 będzie liczba 7, co możemy zapisać następująco: log b a = x, czyli log1010 000 000 = 7, przy czym: a – liczba logarytmowana b – podstawa logarytmu x – logarytm co czytamy jako: x jest logarytmem liczby a przy podstawie b. Zauważmy, że nasza liczba 10 000 000 jest przecież wynikiem potęgowania. Zauważmy również, że jeżeli podstawą logarytmu będzie liczba 10, to można się umówić, że zamiast posługiwać się zawiłymi wielkościami, wystarczy podawać sam wykładnik potęgi, będący równocześnie logarytmem, co też uczynił Peter Sórensen. Trzeba jeszcze wyjaśnić, dlaczego logarytm ten jest ujemny. Otóż ujemność wynika z faktu, iż liczba logarytmowaną jest ułamkiem. Czytelników, pragnących szerszych objaśnień, odsyłam do różnych poradników matematycznych lub do podręczników szkolnych. Woda lub roztwór wodny o jednakowym stężeniu jonów wodorowych i wodorotlenowych, ma odczyn obojętny (H+) = (OH–) = 10-7 mola/litr. Jeżeli stężenie jonów wodorowych jest większe od stężenia jonów wodorotlenowych, to roztwór ma odczyn kwaśny: (H+) > (OH–) logarytm jest mniejszy od 7. Roztwór, w którym stężenie jonów wodorowych jest mniejsze od stężenia jonów wodorotlenowych, wykazuje odczyn zasadowy: (H+) < (OH) logarytm jest większy od 7. W wodzie czystej i we wszystkich rozcieńczonych roztworach-wodnych iloczyn ze stężenia jonów wodorowych i stężenia jonów wodorotlenowych ma wartość stałą, wynoszącą 10-14. Iloczyn ten nazwano iloczynem jonowym wody. Do oznaczenia stężenia jonów wodorowych Sórensen zaproponował symbol pH, od słów potentia hydrogenii, oznaczających potencjał wodorowy.
Znaczenie potencjału wodorowego czyli pH Odczyn pH (potencjał wodorowy) i odczyn pOH (potencjał wodorotlenowy), są wielkościami bardzo ważnymi i żaden akwarysta nie powinien przechodzić nad nimi do porządku dziennego. Dla oznaczenia ważności podam, że zakres pH płynów ustrojowych jest ściśle określony i wszelkie odchyłki mają istotny wpływ na funkcjonowanie organizmów żywych. Krew człowieka ma na przykład pH od 7,35 do 7,45. Nieznaczne odchylenia powodują skomplikowane zaburzenia ustrojowe, a spadek poniżej pH 7 lub podwyższenie powyżej pH 7,8 oznacza śmierć człowieka; natomiast pH naszego żołądka waha się od 1,6 do 1,8. Wszelkie odchylenia to nadkwaśność soku żołądkowego, niestrawność, wrzody itp. Wrażliwość na pH i pOH jest różna u różnych organizmów: u jednych niewielkie nawet zmiany tych wartości oznaczają śmierć, u innych zaś występuje duża tolerancja. Optymalna wielkość pH jest różna dla różnych gatunków ryb, skorupiaków, ślimaków itp. Zmiana odczynu pH poza granice tolerancji, powoduje obniżenie odporności na brak dostatecznej ilości tlenu (występuje wtedy zjawisko dusznoty, a następnie śniecie ryb). Odczyn pH wywiera również wpływ na zawartość wolnego dwutlenku węgla w wodzie. Odczyn wody nie mieszczący się w granicach tolerancji dla danego gatunku, wywiera bezpośredni wpływ na ustrój danego gatunku. Zewnętrznie powoduje ścinanie śluzu, w następstwie czego ryba czy inne zwierzę narażone jest na infekcję i inne zagrożenia z tego wynikające, wewnętrznie – powoduje denaturację białek (ścinanie białka podobne np. do ścinania białka kurzego jaja podczas gotowania), różnego rodzaju trwałe uszkodzenia, utrudnianie wymiany podczas procesów fizjologicznych, jak natlenianie organizmu przemiana materii, wydalanie z organizmu substancji niepożądanych, obniżenie wrodzonej odporności na choroby przez zakłócenie wytwarzania odpowiednich antyciał, trwałe uszkodzenia poszczególnych organów. Zmiana odczynu pH poza granice tolerancji gatunkowej uniemożliwia także połączenie się jaja i plemnika (w zygote), skutkiem czego nie można uzyskać potomstwa. Materiał ten, mimo wszelkiego uproszczenia, może okazać się trudny dla czytelnika, który bardzo dawno rozstał się z ławą szkolną. Nie należy się jednak zrażać, gdyż parokrotne czytanie pozwoli na jego przyswojenie i zrozumienie, a to pozwoli na prawidłowe zrozumienie zjawisk zachodzących w akwarium, gdzie pH i odpowiednio pOH odgrywają rolę zasadniczą. Odczyn pH będzie się przewijał nie tylko w chemii akwarystycznej, ale i w innych dziedzinach.