Czym jest pH? I dlaczego jest tak ważne… Część 1

Czym jest pH? I dlaczego jest tak ważne… Część 1

Gdy rozpoczynacie swoją przygodę z warzeniem piwa, pH brzeczki zapewne nie jest najistotniejszym parametrem. Jednakże przychodzi taki moment, iż trudno jest przejść na wyższy poziom bez dogłębnej analizy wszystkich czynników mających bezpośredni wpływ na warzone piwo. Jak sami zobaczycie parametr jest łatwy w analizie i dość prosto można przeprowadzić jego korekcję. Ale nie bylibyśmy sobą, gdyby cała historia nie zaczęła się od chemii…

Czym tak właściwie jest pH ?

pH jest miarą kwasowości roztworu, a dokładniej mówiąc „miarą stężenia” jonów wodorowych (H+) w roztworze. Wyższe stężenie jonów wodorowych powoduje, iż roztworu jest bardziej kwasowy. Mniejsze stężenie jonów wodorowych powoduje, iż roztwór jest zasadowy. W czystej wodzie, nie wszystkie atomy wodoru i tlenu są ze sobą ściśle połączone – są zdysocjowane. Oznacza to, iż cząsteczki te znajdują się w roztworze w postaci jonów (H+ oraz OH). Świeżo destylowana woda posiada równowagę pomiędzy jonami H+ oraz jonami OHdlatego jego pH wynosi 7 (łatwo to można zaobserwować na poniższym rysunku).

Roztwory kwaśne mają więc pH poniżej 7, natomiast roztwory zasadowe pH powyżej 7. Co ciekawe gdy destylowaną wodę pozostawimy bez szczelnego przykrycia pH spadnie z 7 do 6,5. Jest to spowodowane obecnością dwutlenku węgla w powietrzu, który rozpuszcza się w wodzie. Prowadzi to do powstania kwasu węglowego, który dysocjuje dając jon wodorowy (H+) oraz jon wodorowęglanowy (HCO3)

H2O + CO2 ⇌ H+ + HCO3

Skoro jesteśmy już tak precyzyjni, to musicie o czymś wiedzieć. Tak naprawdę jony wodorowe nie istnieją. Istnieją za to tzw. jony hydroniowe (H3O+). Powstają one w wyniku solwatowania jonu wodorowego przez cząsteczkę wody. Jednakże dla uproszczenia i nie wprowadzenia dodatkowego zamętu pozostaniemy przy oznaczeniu H+. Tak więc możecie to potraktować jedynie jako ciekawostkę/dygresję.

Skala pH nie jest skalą liniową, lecz logarytmiczną. Można zaobserwować to na powyższym wykresie. Oznacza to mniej więcej tyle, iż aby zmienić pH z 7 na 6 należy 10-krotnie zwiększyć stężenie (nie ilość!) jonów wodorowych w roztworze(przy pH=5 100-krotnie itd.). Więc jeśli chcecie wyznaczyć sobie pH dowolnej substancji wystarczy, że zastosujecie poniższy wzór:

pH = – log [H+]

Dokładnie taka sytuacja jest gdy poruszamy się w drugą stronę skali. Przy pH=8 stężenie jonów wodorowych jest 10-krotnie mniejsze niż w wodzie destylowanej. Jest to spowodowane obecnością w roztworze większej ilości jonów hydroksylowych (OH), których musi by 10-krotnie więcej niż jonów wodorowych. Tak więc stężenie jonów wodorowych i hydroksylowych w roztworze są ze sobą ściśle powiązane. Jeśli zapisalibyśmy stężenie jonów H+ oraz OH jako ujemny logarytm ze stężenia tych jonów to uzyskalibyśmy prostą zależność:

pH+pOH = 14

Słabe kwasy i zasady

Mówiąc o pH (szczególnie w kontekście warzenia piwa), konieczne jest przybliżenie związków, które są tzw. „słabymi” kwasami, zasadami. Cząsteczki, które są donorami (odłączają od siebie) jonów wodorowych, bądź akceptorami (przyłączają do siebie) jonów hydroksylowych są nazywane kwasami. Powodują one obniżenie pH. Zasadami nazywane są cząsteczki które są akceptorami H+ oraz donorami OH. Powodują one oczywiście podniesienie pH. Z połączenia kwasu oraz zasady powstaje sól oraz woda.

W przypadku dodania do roztworu „silnego” kwasu, bądź zasady nastąpi ich całkowita dysocjacja (cząsteczki rozpadną się na jony). Spowoduje to gwałtowny wzrost stężenia jonów H+/OH, powodujący tym samym spadek pH do wartość 0-1, bądź gwałtowny wzrost do pH 13-14 (w przypadku dodania silnej zasady). Jednakże większość kwasów i zasad z którymi będziemy mieli do czynienia podczas warzenia piwa to słabe kwasy/zasady. Słabe kwasy są to związki, które dysocjują tylko w pewnym stopniu. Oznacza to, że pozostaje w roztworze np. 90 % cząsteczek które nie są jonami i nie mogą mieć wpływu na pH.

W następnych akapitach zobaczymy jak słabe kwasy tj. taniny oraz białka (zawierające słabe kwasy i słabe zasady) obecne w brzeczce wpływają na pH.

Bufory pH

Pomiar pH daje nam jedynie informację o tym, jakie jest stężenie jonów H+/OH. Jednakże nie daje nam odpowiedzi na bardzo ważne pytanie: na ile stabilne jest to pH? Być może dodatek kilku kropel kwasu/zasady dramatycznie zmieni pH (do uzyskania pH 3-4 przy użyciu silnego kwasu np. solnego, siarkowego (VI) wystarczy kilku ml). Układem chemicznym stabilizującym pH „w jednym miejscu” jest bufor chemiczny. Jest to układ w skład którego wchodzi: słaby kwas/słaba zasada i sól tego kwasu/zasady. Być może znacie pojęcie bufora z innych dziedzin życia (IT, mechanika etc.) – zasada działania jest dokładnie taka sama – absorbowanie szoków oraz nagłych zmian

Naturalnie, cały układ buforujący nie jest skuteczny w nieskończoność. Każdy bufor posiada swoją pojemność, zwaną pojemnością buforową β, która jest warunkowana stałą równowagi głównej reakcji buforowej, oraz stężeniem czynnika słabo dysocjującego. Na przykład jeśli do roztworu bufora złożonego ze słabego kwasu i jego soli, dodamy tyle silnej zasady, że spowoduje ona całkowitą dysocjację słabego kwasu to dalsze dodawanie tej zasady spowoduje już taką zmianę pH jaka by następowała bez obecności bufora. Pojemność buforowa zależy od ogólnego stężenia kwasu i jego soli. Maksymalna pojemność wzrasta wraz z ogólnym stężeniem i nie zależy od mocy kwasu.

Podczas zacierania, jak i w samym piwie znajduje się wiele słabych kwasów oraz zasad, które tworzą różne układy buforowe. Zestawienie wszystkich tych układów determinuje pH końcowe brzeczki. Układy buforowe są również na co dzień wykorzystywane jako układy referencyjne do kalibracji pH-metrów.

Punkt izoelekryczny

Wiele złożonych cząsteczek (aminokwasów, białek) zawiera grupy protonodonorowe oraz protonoakceptorowe, których właściwości są zależne od pH roztworu. Całkowity ładunek elektryczny takiej cząsteczki jest sumą ładunków każdej z ww. grup. Cząsteczka posiada grupy kwasowe (protonodonorowe) oraz zasadowe (protonoakceptorowe), które mogą przybierać ładunek ujemny (kwasowe), bądź dodatni (zasadowe). pH przy którym suma ładunków elektrycznych cząsteczki wynosi zero (cząsteczka jest elektrycznie obojętna) jest nazywany punktem izoelektrycznym.

Poniżej przykład punktu izoelektrycznego dla kwasu glutaminowego:

                                                                

Dla pH poniżej punktu izoelektrycznego całościowy ładunek cząsteczki jest zawsze dodatni. Dzieje się tak, ponieważ do grup zasadowych przyłączane są jony wodorowe. W przypadku pH powyżej punktu izoelektrycznego, stężenie jonów H+ jest niskie i następuje odłączenie się protonów od grup protonodonorowych. Cząsteczki w pH powyżej punktu izoelektrycznego zawsze więc będą miały ładunek ujemny.

Gdy cząsteczki przyjmują ładunek dodatni, następuje przyłączenie do ich struktury anionów obecnych w roztworze (w przypadku piwa może to być: HCO3, SO42-, Cl). W przypadku ujemnego ładunku, do cząsteczki są przyłączane oczywiście kationy tj. Na+, Ca2+ itd.

Zastanawiasz się jaki to ma związek z warzeniem piwa ? Uwierz mi, ma i to bardzo duży. Ale o tym w dalszej części artykułu…
 

Materiały:

[1] http://braukaiser.com/ 

Facebooktwittergoogle_pluspinterest
No votes yet.
Please wait...

Dodaj komentarz

Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.