חמוץ וחלקלק
למיץ לימון ולחומץ יש טעם חמוץ. סבון, תמיסת סודה לשתייה ואקונומיקה ביתית מרגישים חלקלקים על העור. שתי המשפחות האלה, חומצות ובסיסים, מתנהגות כהפכים: ערבבו אותן בכמויות הנכונות, וכל אחת מבטלת את השנייה. (לעולם אל תטעמו כימיקלים של מעבדה ואל תגעו בהם כדי לגלות מה מהם חומצה ומה בסיס; בשביל זה יש אינדיקטורים.)
המים מתפרקים, רק קצת
ההבדל טמון ביונים שהמים עצמם יוצרים. מדי פעם מולקולת מים מוסרת גרעין מימן, פרוטון חשוף, למולקולה שכנה. אחת הופכת להידרוניום, H₃O⁺, שנושא מטען חיובי נוסף; השנייה הופכת להידרוקסיד, OH⁻, שנושא מטען שלילי. במים טהורים ב־25 °C יש כמויות שוות משניהם, בערך עשירית מיליונית של מול לליטר.
חומצה היא חומר שמוסר פרוטונים במים, ולכן היא מעלה את כמות ה־H₃O⁺. בסיס קולט פרוטונים או משחרר OH⁻, ולכן הוא מעלה את כמות ההידרוקסיד. השניים קשורים זה לזה: ב־25 °C ריכוז ה־H₃O⁺ כפול ריכוז ה־OH⁻ שווה תמיד 10⁻¹⁴. כשאחד עולה, השני יורד.
לספור בחזקות של עשר
הכמויות משתנות בטווח עצום, ולכן כימאים סופרים את האפסים. ה־pH הוא החזקה של עשר בריכוז ההידרוניום, בסימן הפוך: 10⁻³ mol/L של H₃O⁺ הם pH 3, ו־10⁻⁷ הם pH 7. כל שלב כלפי מטה בסולם פירושו פי עשרה יותר הידרוניום. במיץ לימון, ב־pH 2 בערך, יש פי מאה אלף יותר H₃O⁺ מאשר במים טהורים ב־pH 7.
נסו: בחרו מיץ לימון, אחר כך מים טהורים, ואז אקונומיקה. צפו איך ההידרוניום הזוהר באדום מפנה את מקומו להידרוקסיד הזוהר בכחול, ואיך האינדיקטור עובר מאדום דרך ירוק לסגול. הגרף מציג את שני הריכוזים על סולם של חזקות של עשר. בחרו פועל תחת עמעום המים כדי לראות את היונים טוב יותר.
סתירה
כשיון הידרוניום פוגש יון הידרוקסיד, הפרוטון העודף קופץ ממנו אל השני, ונשארות שתי מולקולות מים רגילות: H₃O⁺ + OH⁻ → 2H₂O. זו אחת התגובות המהירות ביותר שידועות, וכל הבזק בכוס הכימית הוא תגובה כזאת. במים טהורים היא מתאזנת בכך שמים מתפרקים שוב במקום אחר. הוסיפו בסיס לחומצה, ושני היונים מנטרלים זה את זה; כך טבליה סותרת חומצה מרגיעה עודף של חומצת קיבה.
אינדיקטור הוא חומר צבע שגוונו תלוי ב־pH. אינדיקטור אוניברסלי מערבב כמה חומרי צבע ונותן קשת צבעים, מאדום בחומצה חזקה ועד סגול בבסיס חזק. מיץ של כרוב אדום עושה משהו דומה בעצמו.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
בקנה מידה אמיתי, הכוס הייתה מכילה מאות מיליוני מולקולות מים על כל יון, ולכן המודל מציג את מספרי היונים בסולם לוגריתמי ומשאיר לצבע להראות את השינוי האמיתי. פרוטונים במים אמיתיים לא נעים כגושי הידרוניום; הם מדלגים ממולקולה למולקולה, ולכן התגובה מהירה כל כך. ניטרלי הוא pH 7 רק ב־25 °C: מים חמים יותר מתפרקים יותר, ומים רותחים ניטרליים ב־pH 6.1 בערך. המודל גם לא מבחין בין חומצות חזקות לחומצות חלשות.