Кислоты и щёлочи: в чём разница, что такое pH и как работают индикаторы

Чтобы отличить кислоту от щёлочи, нужно посмотреть, что происходит с веществом в воде. В растворе частицы вещества могут распадаться на заряженные частицы — ионы. У кислот и щелочей при этом появляются разные ионы, поэтому и свойства растворов получаются разными.

Как ведут себя кислоты

Когда кислота попадает в воду, происходят изменения, которых мы не видим глазами. Её молекулы могут отдавать H⁺ — положительно заряженную частицу, которую называют протоном. В воде H⁺ сразу присоединяется к молекуле воды H₂O. В результате образуется ион H₃O⁺. Именно из-за таких ионов раствор становится кислым. Превращение, при котором образуются ионы, называют ионизацией.

Но разные кислоты ведут себя в воде по-разному. У уксусной кислоты H⁺ отдаёт только часть молекул — поэтому её называют слабой кислотой. А соляная кислота отдаёт H⁺ практически полностью, поэтому она относится к сильным кислотам.

При этом «сильная» не означает «более опасная» или «быстрее реагирует». Речь только о том, что происходит с кислотой в воде.

У кислот есть ещё одно свойство: некоторые из них могут реагировать с металлами. Например, если поместить магний в раствор уксусной кислоты, начнут выделяться пузырьки газа — водорода. Это значит, что между веществами идёт химическая реакция. Но так происходит не всегда: результат зависит и от кислоты, и от металла.

Как ведут себя щёлочи

С щелочами происходит похожая история, только в воде появляются другие ионы. Например, гидроксид натрия NaOH распадается на заряженные частицы Na⁺ и OH⁻. Для нас здесь важны OH⁻ — гидроксид-ионы: именно с ними связана щелочная среда раствора.

Гидроксид натрия и другие щёлочи относятся к большой группе веществ, которую называют основаниями. Разница простая: щёлочи растворяются в воде, а некоторые другие основания — нет.

По своим свойствам щёлочи отличаются от кислот и могут вступать с ними в реакцию. При таком взаимодействии обычно образуются соль и вода. Эта реакция называется нейтрализацией, и подробнее мы разберём её ниже.

Щёлочи реагируют и с другими веществами. Например, гидроксид натрия способен взаимодействовать с жирами, поэтому его используют в некоторых средствах для прочистки труб: он помогает разрушать жировые загрязнения.

При этом наличие щелочной среды ещё не говорит о том, насколько опасен раствор.

Мылом мы пользуемся в быту, а концентрированный гидроксид натрия может вызвать серьёзный химический ожог.

Чтобы определить, кислая среда, нейтральная или щелочная, используют показатель pH.

Для большинства обычных разбавленных водных растворов используют шкалу примерно от 0 до 14. При температуре около 25 °C её можно читать так:

• pH ниже 7 — кислая среда;
• pH около 7 — нейтральная среда;
• pH выше 7 — щелочная среда.

Например, желудочная жидкость очень кислая: её pH обычно составляет примерно 1,5–3,5. У многих видов мыла, наоборот, щелочная среда — их pH находится примерно в районе 9–10, хотя точное значение зависит от состава. А pH артериальной крови организм поддерживает в очень узком диапазоне — примерно 7,35–7,45.

Важно: шкала pH устроена не так, как обычная линейка. Разница между pH 2 и pH 4 не означает, что один раствор в два раза кислее другого.

Поэтому между pH 2 и pH 4 разница уже в 100 раз.

Определить характер среды можно с помощью индикаторов — веществ, которые меняют цвет в зависимости от pH. Индикатор добавляют в раствор и смотрят, какой цвет он приобрёл. По цвету можно определить характер среды, а в некоторых случаях — примерно узнать pH.

Лакмус, фенолфталеин и метилоранж

У каждого индикатора свои цвета и свой диапазон pH, в котором он меняет окраску:

• Лакмус — в кислой среде красный, в щелочной — синий. Цвет меняется постепенно примерно при pH 5–8. В опытах часто используют лакмусовую бумагу — бумагу с нанесённым на неё индикатором.
• Фенолфталеин — в кислой и нейтральной среде бесцветный, а в достаточно щелочной становится розово-малиновым. Меняет окраску примерно при pH 8,3–10.
• Метилоранж — при низком pH красный, а при более высоком — жёлтый. Переход от одного цвета к другому происходит примерно при pH 3,1–4,4.

Есть также универсальная индикаторная бумага. Она содержит сразу несколько индикаторов и меняет цвет в зависимости от pH. Получившийся цвет сравнивают со специальной шкалой и так примерно определяют pH раствора.

Индикатор из краснокочанной капусты

Сделать простой индикатор можно и дома — из краснокочанной капусты. В ней есть природные пигменты антоцианы, которые меняют цвет в зависимости от pH. В кислой среде такой индикатор становится красным или розовым, в нейтральной остаётся сине-фиолетовым, а в щелочной приобретает зеленоватые или жёлтые оттенки.

Приготовить индикатор просто: нарежь несколько листьев краснокочанной капусты, залей их горячей водой и дай настояться. Затем процеди жидкость — она и будет индикатором. Добавь немного получившегося раствора к исследуемой жидкости и посмотри, как изменился цвет. Так ты сможешь примерно определить, какая перед тобой среда.

Кислоты и щёлочи есть в привычных продуктах, мыле, чистящих средствах и другой бытовой химии. Например, уксус содержит уксусную кислоту, цитрусовые — лимонную, витамин C — это аскорбиновая кислота, а щавелевая кислота встречается в некоторых растениях. Все они относятся к слабым кислотам.

При этом слабая кислота не обязательно безопасна. Многое зависит от её концентрации. Столовый уксус — разбавленный раствор уксусной кислоты, который используют в готовке. А концентрированная уксусная кислота может вызвать химический ожог.

С кислотами связан и кислый вкус продуктов. На него реагируют специальные клетки на языке. В распознавании кислого вкуса участвует белок OTOP1 — он образует канал, через который проходят протоны H⁺.

Щёлочи используют при изготовлении мыла: жир вступает в реакцию со щёлочью, и образуются соли жирных кислот. Этот процесс называется омылением. Частицы мыла помогают отделить жир от поверхности и смыть его водой.

Многие виды мыла имеют pH примерно 9–10, то есть щелочную среду. Более сильные щелочные средства используют для сложных загрязнений. Например, в состав некоторых средств для прочистки труб входит гидроксид натрия NaOH, который помогает разрушать жир. Это едкое вещество, поэтому пользоваться такими средствами нужно строго по инструкции.

Концентрированные кислоты и щёлочи могут вызвать серьёзные химические ожоги. Например, гидроксид натрия NaOH опасен при попадании на кожу и в глаза, как и концентрированные соляная и серная кислоты. Поэтому главное правило простое:

Если едкое вещество попало на кожу, сразу промывай это место большим количеством воды. Если на одежду тоже попало вещество и её можно безопасно снять, сделай это. Дальше следуй инструкции на упаковке и при необходимости обратись за медицинской помощью.

Не пытайся нейтрализовать кислоту щёлочью или щёлочь кислотой прямо на коже. При такой реакции может выделяться тепло, из-за чего повреждение станет сильнее. Для первой помощи безопаснее использовать большое количество воды.

Если смешать кислоту и щёлочь, они начнут реагировать друг с другом. Такая реакция называется нейтрализацией. Обычно в результате образуются соль и вода. Вспомним, что в кислой среде есть ионы H₃O⁺, а в щелочной — OH⁻. При встрече они образуют воду:

H₃O⁺ + OH⁻ → 2H₂O

Если постепенно добавлять щёлочь к кислоте, количество H₃O⁺ уменьшается и pH повышается. Если добавлять кислоту к щёлочи, происходит обратное: становится меньше OH⁻, а pH снижается.

Когда кислота и щёлочь взяты ровно в тех количествах, которые нужны для реакции, наступает точка эквивалентности. Для сильной кислоты и сильной щёлочи при обычных условиях pH в этот момент будет около 7. Если кислота или основание слабые, значение может отличаться от 7.

Наблюдать за изменением pH можно с помощью индикатора. Например, фенолфталеин в щелочной среде становится розово-малиновым. Если понемногу добавлять кислоту, окраска исчезнет. Но это ещё не означает, что pH стал равен 7: фенолфталеин просто перестаёт окрашиваться при определённом pH.

Простой пример похожей кислотно-основной реакции — сода и уксус. Пищевая сода реагирует с уксусной кислотой, при этом образуются ацетат натрия, вода и углекислый газ CO₂. Пузырьки и шипение, которые ты видишь, — это как раз выделяющийся углекислый газ. Такой опыт можно провести с небольшим количеством столового уксуса и пищевой соды. Лучше делать это под присмотром взрослого и защищать глаза от брызг.

Кислоты и щёлочи отличаются тем, как ведут себя в воде и химических реакциях. С кислой средой связаны ионы H₃O⁺, а со щелочной — OH⁻. Понять, какая перед тобой среда, помогает pH, а индикаторы позволяют увидеть её изменение по цвету.

Кислоты и щёлочи могут реагировать друг с другом — такая реакция называется нейтрализацией, и обычно при ней образуются соль и вода. Похожие кислотно-основные реакции легко встретить и в быту: например, при смешивании соды с уксусом выделяется углекислый газ, поэтому смесь шипит и пузырится.

Все эти процессы можно наблюдать в простых домашних опытах.