Kwasy i zasady - definicja, pH, wskaźniki i przykłady

Kwasy i zasady to dwie grupy związków chemicznych o przeciwnym działaniu: kwas w roztworze wodnym uwalnia jony wodorowe, a zasada jony wodorotlenowe. Odczyn roztworu opisuje skala pH, na której wartości poniżej 7 oznaczają odczyn kwasowy, równe 7 obojętny, a powyżej 7 zasadowy. Kiedy kwas spotyka zasadę, zachodzi reakcja zobojętniania, w której powstają sól i woda.

Ten temat spina kilka wcześniejszych pojęć z chemii: dysocjację, jony i budowę roztworów. Jeśli te podstawy siedzą, kwasy i zasady okazują się jednym z bardziej uporządkowanych działów, bo prawie wszystko sprowadza się do dwóch rodzajów jonów.

Co to są kwasy i zasady

Definicję, której uczy się w szkole, sformułował pod koniec XIX wieku szwedzki chemik Svante Arrhenius. Za odkrycie zjawiska dysocjacji otrzymał zresztą Nagrodę Nobla w 1903 roku, więc nie jest to teoria wzięta znikąd.

Według teorii Arrheniusa kwas to związek, który w roztworze wodnym dysocjuje, uwalniając jony wodorowe, oznaczane jako H plus. To właśnie te jony odpowiadają za kwasowy charakter roztworu. Im więcej ich w wodzie, tym roztwór jest bardziej kwaśny.

Zasada działa odwrotnie. To związek, który w roztworze wodnym dysocjuje, uwalniając jony wodorotlenowe, oznaczane jako OH minus. Obecność tych jonów decyduje o zasadowym charakterze roztworu. Cała różnica między kwasem a zasadą sprowadza się więc do jednego pytania: jaki jon przeważa w roztworze, wodorowy czy wodorotlenowy.

Sam rozpad związku na jony pod wpływem wody to dysocjacja elektrolityczna. To ona uruchamia całą chemię kwasów i zasad, dlatego bez zrozumienia dysocjacji elektrolitycznej trudno rozmawiać o odczynie roztworów. Warto mieć ten proces z tyłu głowy przez cały czas.

Przykłady kwasów i zasad

Najłatwiej zapamiętać te grupy przez konkretne wzory. Do najczęściej spotykanych kwasów należą kwas solny o wzorze HCl, kwas siarkowy o wzorze H2SO4 oraz kwas azotowy o wzorze HNO3. Cechą wspólną ich wzorów jest wodór na początku, bo to on w roztworze uwalnia się jako jon wodorowy.

Wśród zasad najczęściej pojawiają się wodorotlenek sodu o wzorze NaOH, wodorotlenek potasu o wzorze KOH oraz wodorotlenek wapnia o wzorze Ca(OH)2. Tu z kolei charakterystyczna jest grupa OH, która w roztworze uwalnia się jako jon wodorotlenowy. Sama nazwa wodorotlenek zdradza już, z czym mamy do czynienia.

Kwasy i zasady spotykamy nie tylko w laboratorium. Kwas znajdziemy w soku z cytryny i w occie, a substancje o odczynie zasadowym w mydle czy w sodzie oczyszczonej. Trzeba jednak pamiętać, że stężone kwasy i zasady są żrące i niebezpieczne. To, że coś kwaśnego jest w kuchni, nie znaczy, że każdy kwas można bezpiecznie dotknąć czy spróbować.

Skala pH i odczyn roztworu

Skala pH mówi, jak kwaśny albo zasadowy jest roztwór, i najczęściej podaje się ją w zakresie od 0 do 14. Formalnie pH to ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych, ale do zrozumienia odczynu wystarczy prosta zasada dotycząca liczb.

Wartość pH poniżej 7 oznacza odczyn kwasowy. Im niższa liczba, tym roztwór bardziej kwaśny, więc pH równe 1 to roztwór silnie kwaśny. Wartość równa 7 to odczyn obojętny, taki ma czysta woda. Wartość powyżej 7 oznacza odczyn zasadowy, a im wyższa liczba, tym roztwór bardziej zasadowy.

Odczyn roztworu to inaczej informacja, który rodzaj jonów przeważa. W roztworze kwasowym więcej jest jonów wodorowych, w zasadowym jonów wodorotlenowych, a w obojętnym jest ich tyle samo. Skala pH zamienia tę informację na jedną wygodną liczbę, którą łatwo porównać między roztworami.

Wskaźniki kwasowo-zasadowe

Skoro jonów nie widać gołym okiem, potrzebny jest sposób na sprawdzenie odczynu. Służą do tego wskaźniki, czyli substancje, które zmieniają barwę w zależności od pH roztworu. To one pozwalają szybko stwierdzić, czy mamy do czynienia z kwasem, czy z zasadą.

Najbardziej znany jest lakmus. W roztworze kwasowym barwi się na czerwono, a w zasadowym na niebiesko. Drugi popularny wskaźnik to fenoloftaleina. W roztworze kwasowym i obojętnym pozostaje bezbarwna, a w zasadowym przybiera malinowy, różowy kolor. To dość efektowna zmiana, dlatego fenoloftaleina często pojawia się na lekcjach.

Do dokładniejszego określania odczynu służy wskaźnik uniwersalny, zwykle w postaci papierka wskaźnikowego. Nie daje on tylko odpowiedzi kwas albo zasada, lecz całą paletę barw, którą porównuje się ze skalą i odczytuje przybliżone pH. Kolor zielony zwykle oznacza odczyn obojętny, barwy w stronę czerwieni odczyn kwasowy, a w stronę granatu odczyn zasadowy.

Reakcja zobojętniania

Reakcja zobojętniania to reakcja kwasu z zasadą, w której powstają sól i woda. To jedno z najważniejszych zjawisk w całym temacie, bo pokazuje, jak przeciwne charaktery kwasu i zasady wzajemnie się znoszą.

Istota reakcji jest prosta. Jon wodorowy pochodzący z kwasu łączy się z jonem wodorotlenowym pochodzącym z zasady i tworzy cząsteczkę wody. Reszta kwasu i reszta zasady tworzą sól. Klasyczny przykład to reakcja kwasu solnego z wodorotlenkiem sodu: HCl reaguje z NaOH, dając NaCl, czyli sól kuchenną, oraz wodę.

Nazwa zobojętnianie dobrze oddaje sens procesu. Jeśli zmieszamy odpowiednie ilości mocnego kwasu i mocnej zasady, ich charaktery się równoważą, a powstały roztwór ma odczyn obojętny, czyli pH bliskie 7. Ten sam mechanizm działa w codziennym życiu, na przykład gdy zasadowa soda neutralizuje nadmiar kwasu.

Warto połączyć ten temat z liczeniem, bo w zadaniach często pojawia się ilość substancji w roztworze. Przydaje się tu umiejętność obliczania stężenia procentowego, a same jony, które biorą udział w reakcji, to bezpośredni skutek dysocjacji. Kwasy i zasady spinają więc w jedną całość kilka wcześniejszych działów chemii.

Najczęstsze błędy przy kwasach i zasadach

Pierwszy błąd to mylenie jonów. Kwas uwalnia jon wodorowy, czyli H plus, a zasada jon wodorotlenowy, czyli OH minus. Zamiana tych dwóch jonów odwraca cały sens zadania, bo myli kwas z zasadą.

Drugi błąd dotyczy skali pH. Im niższe pH, tym roztwór bardziej kwaśny, a nie bardziej zasadowy. Wysokie liczby oznaczają odczyn zasadowy. Ta zależność bywa mylona, bo intuicyjnie większa liczba kojarzy się z czymś mocniejszym, a tu chodzi o kierunek na skali.

Trzeci błąd to mylenie wskaźników. Lakmus w kwasie jest czerwony, a fenoloftaleina w kwasie pozostaje bezbarwna i dopiero w zasadzie robi się malinowa. To dwa różne wskaźniki o różnym działaniu i nie należy przypisywać im tych samych barw. Czwarty błąd to zapominanie, co powstaje w reakcji zobojętniania. Produktami są zawsze sól i woda, a nie sam kwas czy sama zasada w innej postaci.

Najczęściej zadawane pytania