Chemijoje pH yra logaritminė skalė, naudojama terpės rūgštingumui nustatyti. Tai apytiksliai neigiamas 10 bazinės molinės koncentracijos logaritmas, matuojamas molių vienetais litre vandenilio jonų. Jis taip pat gali būti vadinamas aplinkos rūgštingumo rodikliu. Tiksliau, tai vandenilio jonų aktyvumo neigiamas bazinis 10 logaritmas. 25°C temperatūroje tirpalai, kurių pH mažesnis nei 7, yra rūgštūs, o tirpalai, kurių pH didesnis nei 7 – baziniai. Neutrali pH vertė priklauso nuo temperatūros ir yra mažesnė nei 7, kai temperatūra kyla. Grynas vanduo yra neutralus, pH=7 (esant 25°C), nei rūgštus, nei šarminis. Priešingai populiariems įsitikinimams, labai stiprių rūgščių ir bazių pH vertė gali būti mažesnė nei 0 arba didesnė nei 14.
Programa
PH matavimai svarbūs agronomijoje, medicinoje, chemijoje, vandens ruošime ir daugelyje kitų sričių.
PH skalė yra svarbi standartinių tirpalų rinkiniui, kurio rūgštingumą nustato tarptautiniaisusitarimą. Pirminiai pH standartai nustatomi naudojant perdavimo koncentracijos elementą, matuojant potencialų skirtumą tarp vandenilio elektrodo ir standartinio elektrodo, pavyzdžiui, sidabro chlorido. Vandeninių tirpalų pH gali būti matuojamas stikliniu elektrodu ir pH matuokliu arba indikatoriumi.
Atidarymas
Ph koncepciją 1909 m. Carlsberg laboratorijoje pirmą kartą pristatė danų chemikas Sørenas Peteris Lauritsas Sørensenas, o 1924 m. jis buvo peržiūrėtas iki dabartinio pH lygio, kad būtų pritaikyti elektrocheminių elementų apibrėžimai ir matavimai. Ankstyvuosiuose darbuose žymėjimas turėjo H raidę mažosiomis p raidėmis, o tai reiškia: pH.
Vardo kilmė
Tiksli p reikšmė ginčijama, tačiau pagal Carlsberg fondą pH reiškia „vandenilio galią“. Taip pat buvo pasiūlyta, kad p reiškia vokišką žodį potenz ("galia"), kiti reiškia prancūzišką puisance (taip pat reiškia "galia", remiantis tuo, kad Carlsberg laboratorija buvo prancūzų kalba). Kitas pasiūlymas yra tas, kad p reiškia lotynišką terminą pondus hydroii (vandenilio kiekis), potentio hydroii (vandenilio talpa) arba potencialųjį hydroli (vandenilio potencialą). Taip pat siūloma, kad Sørensenas naudotų raides p ir q (matematikoje dažniausiai konjuguotas raides) tiesiog žymėti bandomąjį tirpalą (p) ir etaloninį tirpalą (q). Šiuo metu chemijoje p reiškia dešimtainį logaritmą, taip pat vartojamas termine pKa, vartojamas terpės rūgštingumo disociacijos konstantoms.
Amerikos indėlis
Bakteriologė Alice Evans, žinoma dėl savo darbo įtakos pieno produktams ir maisto saugai, Williamą Mansfieldą Clarką ir jo kolegas įvertino už tai, kad XX a. praėjusio amžiaus dešimtmetyje sukūrė pH matavimo metodus, kurie vėliau turėjo didelį poveikį laboratorijoms ir pramonei. naudoti. Savo atsiminimuose ji nemini, kiek ir kiek mažai Clarke'as ir jo kolegos žinojo apie Sorenseno darbą ankstesniais metais. Jau tuo metu mokslininkai aktyviai nagrinėjo aplinkos rūgštingumo / šarmingumo klausimą.
Rūgšties įtaka
Daktaro Clarko dėmesys buvo nukreiptas į rūgšties poveikį bakterijų augimui. Dėl to jis papildė tuometinio mokslo apie aplinkos rūgštingumo vandenilio indeksą idėją. Jis nustatė, kad būtent rūgšties intensyvumas vandenilio jonų koncentracijos požiūriu turėjo įtakos jų augimui. Tačiau esami terpės rūgštingumo matavimo metodai lėmė kiekį, o ne rūgšties intensyvumą. Tada su kolegomis daktaras Clarkas sukūrė tikslius vandenilio jonų koncentracijos matavimo metodus. Šie metodai pakeitė netikslų titravimo metodą rūgščių nustatymui biologinėse laboratorijose visame pasaulyje. Taip pat buvo nustatyta, kad jie gali būti naudojami daugelyje pramoninių ir kitų procesų, kuriuose jie plačiai naudojami.
Praktinis aspektas
Pirmąjį elektroninį pH matavimo metodą išrado Kalifornijos technologijos instituto profesorius Arnoldas Orville'as Beckmanas 1934 m. Būtent šiuo metu vietinis citrusinių vaisių augintojasSunkistas norėjo geresnio metodo, kaip greitai patikrinti citrinų, surinktų iš netoliese esančių sodų, pH. Visada buvo atsižvelgta į terpės rūgštingumo įtaką.
Pavyzdžiui, tirpalui, kurio vandenilio jonų aktyvumas yra 5 × 10–6 (tokiame lygyje tai iš tikrųjų yra vandenilio jonų molių skaičius litre tirpalo), gauname 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Taigi tokio tirpalo pH yra 5,3. Manoma, kad molis vandens, molis vandenilio jonų ir molis hidroksido jonų yra atitinkamai 18 g, 1 g ir 17 g, gryno 107 molių (pH 7) vandens kiekyje yra apie 1 g disocijuotų vandenilio jonų (arba tiksliau, 19 g H3O + hidronio jonų) ir 17 g hidroksido jonų.
Temperatūros vaidmuo
Atkreipkite dėmesį, kad pH priklauso nuo temperatūros. Pavyzdžiui, esant 0 °C gryno vandens pH yra 7,47. Esant 25 °C – 7, o esant 100 °C – 6,14.
Elektrodo potencialas yra proporcingas pH, kai pH apibrėžiamas kaip aktyvumas. Tikslus pH matavimas pateiktas tarptautiniame standarte ISO 31-8.
Galvaninis elementas sukonfigūruotas taip, kad matuotų elektrovaros jėgą (EMF) tarp etaloninio elektrodo ir vandenilio jonų aktyvumą jutiklio elektrodo, kai abu panardinami į tą patį vandeninį tirpalą. Etaloninis elektrodas gali būti sidabro chlorido objektas arba kalomelio elektrodas. Vandenilio jonų selektyvus elektrodas yra standartinis šioms reikmėms.
Norint įgyvendinti šį procesą, vietoj didelio vandenilio elektrodo naudojamas stiklinis elektrodas. Jisturi įmontuotą atskaitos elektrodą. Jis taip pat kalibruojamas pagal buferinius tirpalus, kurių vandenilio jonų aktyvumas yra žinomas. IUPAC pasiūlė naudoti buferinių tirpalų rinkinį su žinomu H+ aktyvumu. Du ar daugiau buferinių tirpalų naudojami siekiant atsižvelgti į tai, kad nuolydis gali būti šiek tiek mažesnis nei idealus. Norint įgyvendinti šį kalibravimo metodą, elektrodas pirmiausia panardinamas į standartinį tirpalą ir pH matuoklio rodmuo nustatomas pagal standartinio buferio vertę.
Kas toliau?
Antrojo standartinio buferinio tirpalo rodmuo koreguojamas naudojant nuolydžio kontrolę, kad būtų lygus to tirpalo pH lygiui. Kai naudojami daugiau nei du buferiniai tirpalai, elektrodas kalibruojamas pritaikant pastebėtas pH vertes tiesine linija, palyginti su standartinėmis buferio vertėmis. Komerciniai standartiniai buferiniai tirpalai paprastai pateikiami su informacija apie vertę esant 25 °C ir pataisos koeficientą, taikomą kitoms temperatūroms.
Apibrėžimo charakteristika
PH skalė yra logaritminė, todėl pH yra bematis dydis, dažnai naudojamas, be kita ko, ląstelės vidinės aplinkos rūgštingumui matuoti. Tai buvo pirminis Sorenseno apibrėžimas, kuris buvo pakeistas 1909 m.
Tačiau vandenilio jonų koncentraciją galima išmatuoti tiesiogiai, jei elektrodas kalibruojamas pagal vandenilio jonų koncentracijas. Vienas iš būdų tai padaryti, kuris buvo plačiai naudojamas, yra žinomos koncentracijos tirpalo titravimasstipri rūgštis su žinomos koncentracijos stipraus šarmo tirpalu, esant santykinai didelei atraminio elektrolito koncentracijai. Kadangi žinomos rūgščių ir šarmų koncentracijos, nesunku apskaičiuoti vandenilio jonų koncentraciją, kad potencialą būtų galima susieti su išmatuota verte.
Indikatoriai gali būti naudojami pH matuoti, atsižvelgiant į tai, kad keičiasi jų spalva. Vizualiai palyginus tiriamojo tirpalo spalvą su standartine spalvų skale, pH galima išmatuoti sveikų skaičių tikslumu. Tikslesni matavimai galimi, jei spalva matuojama spektrofotometriškai naudojant kolorimetrą arba spektrofotometrą. Universalus indikatorius yra sudarytas iš indikatorių mišinio, kad būtų nuolatinis spalvos pasikeitimas nuo maždaug pH 2 iki pH 10. Universalus indikatorinis popierius pagamintas iš sugeriančio popieriaus, impregnuoto universaliu indikatoriumi. Kitas pH matavimo būdas yra elektroninis pH matuoklis.
Matavimo lygiai
Norint išmatuoti pH žemiau maždaug 2,5 (apie 0,003 molio rūgšties) ir virš 10,5 (apie 0,0003 molio šarmo), reikia specialių procedūrų, nes naudojant stiklinį elektrodą tokiomis vertėmis pažeidžiamas Nernsto dėsnis. Prie to prisideda įvairūs veiksniai. Negalima manyti, kad skysčio perėjimo potencialai nepriklauso nuo pH. Taip pat ekstremalus pH reiškia, kad tirpalas yra koncentruotas, todėl elektrodų potencialus veikia jonų stiprumo pokytis. Esant aukštam pH, stiklo elektrodas gali būtiveikia šarminė paklaida, nes elektrodas tampa jautrus katijonų, tokių kaip Na+ ir K+, koncentracijai tirpale. Galimi specialiai sukurti elektrodai, kurie iš dalies išsprendžia šias problemas.
Nutekėjimas iš kasyklų arba kasyklų atliekos gali sukelti labai žemas pH vertes.
Grynas vanduo yra neutralus. Jis nėra rūgštus. Kai rūgštis ištirps vandenyje, pH bus žemesnis nei 7 (25°C). Kai šarmas ištirpsta vandenyje, pH bus didesnis nei 7. 1 molio stiprios rūgšties tirpalo, pvz., druskos rūgšties, pH yra nulis. Stipraus šarmo, pvz., natrio hidroksido, tirpalo, kurio koncentracija 1 mol, pH yra 14. Taigi išmatuotos pH vertės paprastai svyruoja nuo 0 iki 14, nors pH vertės ir vertės yra neigiamos. virš 14 yra visiškai įmanoma.
Daug kas priklauso nuo tirpalo terpės rūgštingumo. Kadangi pH yra logaritminė skalė, vieno pH vieneto skirtumas atitinka dešimt kartų didesnį vandenilio jonų koncentracijos skirtumą. Neutralumas PH ne visai pasiekia 7 (esant 25 °C), nors daugeliu atvejų tai yra geras apytikslis rodiklis. Neutralumas apibrėžiamas kaip sąlyga, kai [H+]=[OH-]. Kadangi savaiminė vandens jonizacija išlaiko šių koncentracijų sandaugą [H+] × [OH-]=Kw, matyti, kad esant neutralumui [H+]=[OH-]=√Kw arba pH=pKw / 2.
PKw yra maždaug 14, bet priklauso nuo jonų stiprumo ir temperatūros, todėl taip pat turi reikšmės terpės pH vertė, kuri turi būti neutralilygiu. Grynas vanduo ir NaCl tirpalas gryname vandenyje yra neutralūs, nes vandens disociacijos metu susidaro vienodas abiejų jonų kiekis. Tačiau neutralaus NaCl tirpalo pH šiek tiek skirsis nuo neutralaus gryno vandens pH, nes vandenilio ir hidroksido jonų aktyvumas priklauso nuo jonų stiprumo, todėl Kw kinta priklausomai nuo jonų stiprumo.
Augalai
Priklausomų augalų pigmentų, kurie gali būti naudojami kaip pH indikatoriai, yra daugelyje augalų, įskaitant hibiskus, raudonuosius kopūstus (antocianinus) ir raudonąjį vyną. Citrusinių vaisių sultys yra rūgštinės, nes jose yra citrinos rūgšties. Kitos karboksirūgštys randamos daugelyje gyvų sistemų. Pavyzdžiui, pieno rūgštis gamina raumenų veikla. Fosfato darinių, tokių kaip ATP, protonavimo būsena priklauso nuo pH terpės rūgštingumo. Hemoglobino deguonies pernešimo fermento veikimą veikia pH, žinomas kaip šaknies efektas.
Jūros vanduo
Jūros vandens pH paprastai ribojamas nuo 7,5 iki 8,4. Jis atlieka svarbų vaidmenį anglies cikle vandenyne, ir yra įrodymų, kad vandenynas rūgštėja dėl išmetamo anglies dioksido. Tačiau pH matavimą apsunkina jūros vandens cheminės savybės, o cheminėje okeanografijoje yra keletas skirtingų pH skalių.
Specialūs sprendimai
Kaip rūgštingumo (pH) skalės apibrėžimo dalis, IUPAC apibrėžia buferinių tirpalų seriją pH diapazone (dažnai vadinamaNBS arba NIST). Šie tirpalai turi santykinai mažą jonų stiprumą (≈0,1), palyginti su jūros vandeniu (≈0,7), todėl jų nerekomenduojama naudoti jūros vandens pH apibūdinimui, nes jonų stiprumo skirtumai sukelia elektrodo potencialo pokyčius. Siekiant išspręsti šią problemą, buvo sukurta alternatyvi buferių serija, pagrįsta dirbtiniu jūros vandeniu.
Ši nauja serija išsprendžia jonų stiprumo skirtumų tarp mėginių ir buferių problemą, o nauja vidutinio rūgštingumo pH skalė vadinama bendrąja skale, dažnai vadinama pH. Bendra skalė buvo nustatyta naudojant terpę, kurioje yra sulfato jonų. Šie jonai protonuojasi, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, todėl bendra skalė apima ir protonų (laisvųjų vandenilio jonų), ir vandenilio sulfido jonų įtaką:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Alternatyvioji laisvoji skalė, dažnai vadinama pHF, į šį klausimą neatsižvelgia ir sutelkia dėmesį tik į [H+]F, todėl iš esmės paprastesnis vandenilio jonų koncentracijos vaizdas. Galima nustatyti tik [H+] T, todėl [H+] F turėtų būti įvertintas naudojant [SO2-4] ir stabilumo konstantą HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Tačiau sunku įvertinti KS jūros vandenyje, o tai riboja paprastesnės laisvos skalės naudingumą.
Kita skalė, žinoma kaip jūros vandens skalė, dažnai vadinama pHSWS, atsižvelgia į tolesnį protonų ryšį tarp vandenilio jonų ir fluorido jonų, H+ + F- ⇌HF. Rezultatas yra tokia [H+] SWS išraiška:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Tačiau šio papildomo sudėtingumo įvertinimo nauda priklauso nuo terpėje esančio fluoro. Pavyzdžiui, jūros vandenyje sulfato jonai randami daug didesnėmis koncentracijomis (> 400 kartų) nei fluoro. Todėl daugeliu praktinių tikslų skirtumas tarp bendros skalės ir jūros vandens skalės yra labai mažas.
Šios trys lygtys apibendrina tris pH skales:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Praktiniu požiūriu trys rūgščios aplinkos (arba jūros vandens) pH skalės skiriasi savo vertėmis iki 0,12 pH vienetų, o skirtumai yra daug didesni, nei paprastai reikalaujama tikslumui užtikrinti. pH matavimai, ypač susiję su vandenyno karbonatų sistema.
