Zuurgraad (1)

Een van de belangrijkste dingen die we bij het brouwen in de gaten moeten houden is de zuurgraad. Het controleren en corrigeren van de zuurgraad is bijvoorbeeld minstens zo belangrijk als het controleren van de maischtemperaturen en  het beluchten van het wort bij het begin van de gisting. Een maat voor de zuurgraad is de pH. Om goed uit te leggen wat de zuurgraad is moet ik eerste wat scheikundige begrippen toelichten. Dit zijn de begrippen water. zuren, basen, zouten aciditeit, alkaliteit en buffers. Een lesje scheikunde dus.

Water - Wat water is weten we allemaal. Je kunt het drinken, je kunt er in zwemmen en je kunt er met een bootje overheen varen. Scheikundigen denken bij water meteen aan H2O. Zuiver water bestaat uit moleculen H2O. Een klein beetje van al dit H2O is opgesplitst in H+-ionen en OH--ionen. Ionen zijn elektrische (positieve of negatieve) deeltjes. In formule:

H₂O -->          H+            +           OH­
water     waterstof-ion          hydroxide-ion

Zuren - Zuren zijn stoffen die bij oplossen in water positief geladen H+-ionen vormen. Dit kan op twee manieren:

1. Het zuur splitst op in H+ -ionen en een negatief geladen zuurrest-ion. Zwavelzuur bijvoorbeeld splitst bij oplossen op in twee H+ -ionen en sulfaat (het zuurrest-ion), in formule:

H₂SO₄            -->        SO₄^2-             +          2 H⁺
zwavelzuur                   sulfaat              waterstof-ion

2. Het zuur neemt een negatief geladen hydroxide-ion op en laat een H+ achter. IJzer(III)chloride is eigenlijk een zout maar het gedraagt zich in water als een zuur, in formule:

Fe(Cl)₃      +               6H₂O --> [Fe(H₂O)₆]³⁺ + 3Cl­
ijzer(III)chloride          water                                chloride-ion

[Fe(H₂O)₆]3⁺ --> [Fe(H₂O)₅]²⁺ + H⁺

Als je een spijker in je mond stopt (goed kauwen!), zul je merken dat deze een beetje zuur smaakt. Nu weet je hoe dat komt.  

Er bestaan zwakke en sterke zuren. Een sterk zuur vormt relatief veel H⁺-ionen en een zwak zuur relatief weinig. Zwavelzuur bijvoorbeeld is een sterk zuur, omdat het in water volledig splitst. Een zwak zuur zoals melkzuur splitst niet volledig. De zuursterkte neemt af in de volgende reeks: zwavelzuur> zoutzuur> fosforzuur> citroenzuur > melkzuur> azijnzuur.

Basen - Basen zijn stoffen die bij oplossen in water negatief geladen OH^- (hydroxide)-ionen vormen. Deze OH^--ionen vormen met H⁺-ionen water. Basen zijn dus stoffen die indirect H⁺ ionen opnemen. Basen kunnen op twee manieren OH^--ionen vormen:

1. De base splitst op in een positief geladen metaalion en negatief geladen hydroxide-ion. Natronloog (NaOH) bijvoorbeeld splitst in een natrium-ion en een hydroxide-ion. in formule:

NaOH -->   Na⁺     +          OH­

natronloog natrium-ion         hydroxide-ion

2. De base neemt een H⁺ ion op en laat een hydroxide-ion achter. Ammoniak (NH₃) bijvoorbeeld:

NH₃          -->        NH⁴⁺     +           OH­

ammoniak        ammonium-ion             hydroxide-ion

Er bestaan zwakke en sterke basen. Een sterke base vormt relatief veel OH--ionen en een zwakke base weinig. Eiwitten, aminozuren en fosfaten zijn zwakke basen.

Zouten. Zouten zijn stoffen die bij het oplossen in water splitsen in een positief geladen metaalion en een negatief geladen zuurrestion. Keukenzout (NaCl) splitst bij oplossen op in een natrium-ion en een chloride-ion: in formule,

NaCl                      -->         Na⁺        +          Cl­

natriumchloride            natrium-ion                  chloride-ion

Wat gebeurt er nu als je een zuur en een base bij elkaar gooit? Het zuur vormt H+-ionen en de base vormt OH--ionen. Deze ionen vormen samen weer water. Bijvoorbeeld zoutzuur met natronloog geeft keukenzout.

HCI     +          NaOH -->      H₂O    +         NaCI

zoutzuur           natronloog        water               natriumchloride

Aciditeit - De aciditeit van een oplossing is hoog als de oplossing veel zuren bevat. De aciditeit is dus een maat voor de totale hoeveelheid zuren (sterke en zwakke) in de oplossing. De aciditeit (ook wel zuurheidsgraad genoemd) wordt in veel boeken over brouwen verward met de zuurgraad.

Alkaliteit - De alkaliteit van een oplossing is hoog als de oplossing veel basen bevat. De alkaliteit is dus een maat voor de totale hoeveelheid basen (sterke en zwakke) in de oplossing.

pH - Nu zal je misschien denken: ik weet alles van water, zuren, basen en zouten, maar ik weet nog steeds niet wat de pH is. De pH is een _maat voor het aantal opgeloste vrije H⁺ ionen. Het aantal opgeloste H⁺.ionen wordt uitgedrukt in mol. (1 mol = 602.252.000.000.000.000.000.000 ionen). Bevat een oplossing 0,0001 mol H⁺-ionen per liter dan is de pH (tel her aantal nullen) gelijk aan 4. Bevat een oplossing 0,01 mol H⁺-ionen per liter dan is de pH gelijk aan 2.

De pH is het 'negatieve logaritme van de concentratie H⁺-ionen (in mol/l)'. Als je de concentratie H⁺-ionen weet kun je de pH uitrekenen met een rekenmachientje. Als je 0,0001 invoert en je drukt op de toets 'LOG' dan krijg je de uitkomst -4. Denk het minnetje weg en je hebt de pH. Je kunt ook het omgekeerde doen; als je de pH weet kun je de concentratie H⁺-ionen uitrekenen. Als je 4 invoert, zet je er met de '+/-' toets een minnetje voor. Vervolgens druk je eerst op de toets 'INV' en dan op de toets 'LOG' en er verschijnt 0,0001. Als de concentratie H⁺-ionen groter wordt, wordt de pH kleiner. Hoe meer H⁺-ionen, hoe lager de pH en hoe zuurder de oplossing. De pH heeft over het algemeen een waarde tussen 1 en 14. Als de pH gelijk is aan 7 dan is de oplossing neutraal. Is de pH kleiner dan 7 dan is de oplossing zuur. Is de pH groter dan 7 dan is de oplossing basisch of alkalisch. Het oplossen van een zuur verlaagt de pH (de concentratie H⁺-ionen neemt toe) en het oplossen van een base verhoogt de pH (de concemratie H+- ionen neemt af).

De pH van een oplossing is afhankelijk van de temperatuur. Als de pH van het wort bij 20ºC ongeveer 5,6 bedraagt dan zal deze bij 60ºC ongeveer 5,3 bedragen, De mate waarin de pH afhankelijk is van de temperatuur hangt af van de samenstelling van de oplossing.

Hoe zuur is nu zuur? In onderstaand tabelletje staan een aantal vloeistoffen opgenomen met daarachter de pH, Citroensap met een pH van 2 tot 2,5 is al bijna niet meer te drinken. Aan accuzuur zou ik daarom al helemaal maar niet meer beginnen. De pH van bier varieert tussen de 3,2 en 4,7 en is afhankelijk van de soort. Daarover later meer.

Tabel1. De pH van enkele vloeistoffen

Buffers - Een oplossing heet goed gebufferd als de oplossing veel zwakke zuren en basen bevat. Het toevoegen van een zuur of base aan een goed gebufferde oplossing heeft weinig invloed op de pH. Als we een zuur toevoegen aan een goed gebufferde oplossing worden de door het zuur afgegeven H+-ionen opgenomen door in de oplossing aanwezige basen. Brouwwater is relatief slecht gebufferd. Wort is relatief goed gebufferd door de daarin aanwezige eiwitten, aminozuren en fosfaten.

In het volgende nummer zal ik verder ingaan op de pH tijdens het brouwen.

Erwin Vermeij