Ero sivun ”Happamuus” versioiden välillä

| style="border: 1px solid #CCCCCC; background: #FFFFFF; padding: 1px;" colspan="2" align="center" | '''Erilaisten aineiden yleisiä pH-arvoja :'''

Happamuus ja emäksisyys (myös ''alkalisuus'') ovat kemiassa vanhoja käsitteitä, jotka perustuivat ensiksi kemistin makuaistimukseen. Happojen ja emästen olemuksesta syntyi monia teorioita, mutta vasta ruotsalaisen [[Svante Arrhenius|Svante Arrheniuksen]] (1859–1927) käyttämä vetyionin käsite toi ilmiölle modernin näkökulman. Hänen mukaansa ”happo luovuttaa vetyioneita ja emäs hydroksidi-ioneita”. Arrhenius rajoitti emäkset vain [[Hydroksidi-ioni|hydroksidi-ionin]] kantaviksi [[Ioniyhdiste|ioniyhdisteiksi]]. Nykyaikaisen [[happo-emäs-teoria]]n ottivat toisistaan tietämättä käyttöönsä vuonna 1923 tanskalainen [[Johannes Brønsted]] (1879–1947) ja englantilainen [[Thomas Lowry]] (1874–1936). Nykyään Brønsted–Lowry–periaatteenaBrønsted–Lowry-periaatteena tunnetussa teoriassa esitettiin, että ”hapot ovat vetyionien (eli protonien) luovuttajia ja emäkset niiden vastaanottajia”.<ref name=mooli5/><ref name=def/><ref name=zum_233/>

Happo-emäs-reaktiossa happo luovuttaa emäkselle vetyionin, mikä on happo-emäs-reaktioiden perusajatus. Reaktioihin osallistuvia aineita kutsutaan [[protolyytti|protolyyteiksi]] ja itse reaktiota [[protolyysi]]ksi. Kun veteen liuotetaan esimerkiksi [[Rikkihappo|rikkihappoarikkihappo]]a (H₂SO₄), rikkihaposta irtoaa kaksi vetyionia, jotka tarttuvat kahteen vesimolekyyliin muodostaen niistä oksoniumionit. Reaktiossa rikkihappo on luovuttava happo ja vesi vastaanottava emäs. Koska rikkihappo [[protolysoituminen|protolysoituu]] kokonaan veteen, kutsutaan rikkihappoa [[vahva happo|vahvaksi hapoksi]]. Ne hapot, jotka protolysoituvat vain osittain veteen, ovat [[heikko happo|heikkoja happoja]]. Happo voi luovuttaa yhden vedyn, jolloin se on yksiarvoinen- eli [[monoproottinen happo]], tai useita vetyjä, jolloin se on kaksi- tai kolme- tai moniarvoinen eli [[polyproottinen happo]].<ref name=mooli5/><ref name=zum_233/><ref name=zum_254/>

Myös emästen ja happojen [[Suola|suolatsuola]]t liukenevat veteen ja niiden ionit riistävät vedeltä vetyioneita ja toisaalta voivat itse luovuttaa vetyioneita. Tällaisten suolojen vesiliuokset ovat silloin happamia tai emäksisiä.<ref name=mooli5_2/><ref name=zum_263/>

Vesi voi siten toimia sekä happona että emäksenä, joten vettä kutsutaan siksi [[amfolyytti|amfolyytiksi]]. Tätä itseensä kohdistuvaa reaktiota kutsutaan [[autoprotolyysi]]ksi. Puhtaan veden autoprotolyysissä muodostama normaali oksoniumionin konsentraatio (merkitään [H₃O⁺]) on noin [H₃O⁺] = 1,0&nbsp;·&nbsp;10^-7−7 &nbsp;mol/l. Vesiliuosta, jolla on tämä konsentraatio, kutsutaan ''neutraaliksi''.<ref name=mooli5/><ref name=zum_236/>

Jos litraan vettä tiputetaan pieni määrä [[Etikkahappo|etikkahappoaetikkahappo]]a (CH₃COOH, heikko happo), jonka konsentraatioksi tulee 0,1 &nbsp;mol/l, protolysoituu siitä [H₃O⁺] = 1,3&nbsp;·&nbsp;10^-3−3 &nbsp;mol/l suuruinen oksoniumin konsentraatio. Tämä on liuoksen happamuuden määrä, joka muutetaan nykyään pH-asteikolla arvoksi pH 2,90. Jos puhtaaseen veteen lisätään etikkahappoa niin paljon, että sen konsentraatio on 0,05 &nbsp;mol/l, tulee happamuudeksi [H₃O⁺] = 9,4&nbsp;·&nbsp;10^-4−4 &nbsp;mol/l eli pH 3,00.<ref name=mooli5/>

Vedessä tapahtuu aina autoprotolyysi vesimolekyylien kesken ja veden oksoniumionin konsentraatio riippuu sen lämpötilasta. Sen konsentraatio 25 &nbsp;°C:n lämpötilassa on noin 1,004&nbsp;·&nbsp;10^-7−7 &nbsp;mol/l eli sen pH-arvo on 7,0. Tämä on puhtaan veden normaali pH-arvo, joka on myös neutraalin liuoksen pH-arvo.<ref name=mooli5/><ref name=zum_239/>

Happamuus voidaan yhtä lailla ilmoittaa hydroksidi-ionien (OH^-−) konsentraatiolla, jolloin sen logaritmin vastaluku on nimeltään [[pOH]] ja se lasketaan kaavalla

:<math>\mbox{pOH} = -\log_{10} a_{ \rm OH^- } \approx -\log_{10} [OH^-].</math> <ref name=iupac_pH/><ref name=iupac_a/><ref name=zum_239/>

Koska veden protolyysi on tasapainoreaktio, sen tasapainokerroin eli [[veden ionitulo]] on 25 &nbsp;°C:n lämpötilassa K_w = 1,008&nbsp;·&nbsp;10^-14−14 &nbsp;(mol/l)²². Autoprotolyysin ionitulossa kerrotaan oksoniumionien ja hydroksidi-ionien konsentraatiot keskenään kaavalla

:<math>K_w=[H_3O^+][OH^-].</math> <ref name=mooli5/><ref name=zum_239/>

:<math>pK_w=-log_{10}([H_3O^+][OH^-])=-log_{10}[H_3O^+]-log_{10}[OH^-]=pH+pOH.</math> <ref name=mooli5/>

:<math>pK_w=-log_{10}(1{,}008\cdot10^{-14})\approx 14{,}00.</math> <ref name=mooli5/>

:<math>pH+pOH=14{,}00 \,,</math> <ref name=mooli5/>,

:<math>x=[H_3O^+]=[OH^-]=\sqrt{K_w}=\sqrt{1{,}008\cdot 10^{-14}}=1{,}004\cdot 10^{-7}.</math> <ref name=mooli5/><ref name=zum_239/>

Liuos on hapan, jos [H₃O⁺] > [OH⁻], jolloin [H₃O⁺] > 1,004&nbsp;·&nbsp;10^-7−7 ja [OH⁻] < 1,004&nbsp;·&nbsp;10^-7−7. Silloin pH = -log−log₁₀[H₃O⁺] < 7,00 ja pOH = -log−log₁₀[OH⁻] > 7, joka perustuu logaritmin vastaluvun ominaisuuksiin. Samaan tulokseen päädytään, kun muistetaan yhteys

:<math>pH+pOH=14{,}00 \Leftrightarrow pH=14{,}00-pOH < 7.</math> <ref name=zum_248/>

[[Tiedosto:PHscalenolang.svg|thumb|370px|pH-asteikko. Hapan osuus alareunan pH-asteikolla on väritetty punaisella, emäksinen osuus sinisellä ja niiden välissä oleva neutraali kohta on valkoinen. Yläreunassa on vastaavia happamuuksia ilmaiseva pOH-asteikko.]]Yhteenvetona voidaan todeta, että liuos on (katso oikealla olevaa kuvaa) <ref name=mooli5/><ref name=zum_239/><ref name=zum_248/>

=== pH-arvojen tarkkuus ===

Jos oksoniumionia on 2,13&nbsp;·&nbsp;10^-5−5 &nbsp;mol/l, tulee sen pH-arvoksi 4,6716...6716… Koska pH-arvo määräytyy pääasiassa [[Kymmenpotenssimuoto|kymmenpotenssimuodon]] [[Eksponentti|eksponentista]] ja jossa kerroin 2,13 muuttuu pH-arvon [[Desimaaliluku|desimaaleiksi]], tulee pH-arvojen [[Merkitsevät numerot|merkitsevien numeroiden]] määrä ilmaista pH-arvon desimaalien lukumäärällä. Kerroin 2,13 on muodostettu kolmen merkitsevän luvun tarkkuudella, joten pH-arvo ilmaistaan kolmen desimaalin tarkkuudella: pH 4,672.<ref name="zum_241" />

Happamuuden pH-arvot eivät ole sellaisia suureita, joilla voidaan laskea uusia pH-arvoja. Esimerkiksi pH-arvojen keskiarvo ei merkitse sekoitettavan liuoksen uutta happamuutta. Ajatuskokeessa otetaan kolme litran [[Vetoisuus|vetoista]] astiaa, joissa kussakin on [[Suolahappo|suolahappoasuolahappo]]a konsentraatioilla 0,01 &nbsp;mol/l, 0,02 &nbsp;mol/l ja 0,08 &nbsp;mol/l. Näiden pH-arvot ovat vastaavasti 2,0,; 1,7 ja 1,1. Jos kolme astiaa sekoitetaan keskenään, saadaan sekoitteen konsentraatio näiden konsentraatioiden keskiarvona 0,0367 &nbsp;mol/l ja sekoituksen pH-arvo on siitä laskettuna 1,4. Kuitenkin kolmen astian pH-arvojen keskiarvo on 1,6, mikä ei vastaa todellisen sekoituksen pH-arvoa.

:<math>HCl + H_2O \rightarrow Cl^- + H_3O^+.</math> <ref name=zum_241/>

Silloin sen oksoniumionin konsentraatio on lähes sama kuin lisätyn hapon alkukonsentraatio. Jos siis lisätään 0,050 &nbsp;mol [[Vetykloridihappo|vetykloridia]] yhteen litraan vettä, saadaan myös oksoniumionin konsentraatioksi 0,050 &nbsp;mol/l. Suolahappoliuoksen pH-arvoksi tulee silloin <ref name=zum_241/>

:<math>pH=-log_{10}[H_3O^+]=-log_{10}(0{,}050)=1{,}30.</math>

Jos yhteen litraan vettä liuotetaan 0,080 &nbsp;mol [[Lipeä|lipeäälipeä]]ä, protolysoituu se lähes kokonaan veteen reaktioyhtälön mukaisesti

:<math>pOH=-log_{10}[OH^-]=-log_{10}0{,}080=1{,}10</math>

:<math>pH=14{,}00-pOH\approx 12{,}90.</math>

Edellisessä vahvan hapon esimerkissä oksoniumionin konsentraatio selvitettiin olettamalla se samaksi kuin hapon alkukonsentraatio. Heikko happo ei protolysoidu kokonaan ja siksi tulisi ensin tietää, kuinka suuri osa haposta muodostaa oksoniumionia. Heikon hapon protolyysireaktio on luonteeltaan tasapainoreaktio, jonka tasapainotila määräytyy matemaattisesti ionitulon [[Happovakio|happovakionhappovakio]]n avulla.<ref name=zum_241/>

ja reaktion happovakio on K_a = 1,8&nbsp;·&nbsp;10^-5−5 &nbsp;mol/l. Ionitulo lasketaan laimeilla hapon liuoksilla reagenssien konsentraatioista

Jos litraan vettä lisätään 0,010 &nbsp;mol etikkahappoa ja siitä protolysoituu x &nbsp;mol [[Asetaatti-ioni|asetaatti-ioniksi]] ja oksoniumioniksi, saadaan ionituloksi

:<math>K_a=\frac{x\cdot x}{0{,}01-x}.</math>

Tämän yhtälön positiivinen ratkaisu on x = 4,15359&nbsp;·&nbsp;10^-4−4 &nbsp;mol/l, jonka happamuustaso vastaa pH = 3,4.

* [[Happo-emäs -tasapaino]]