W chemii pH jest skalą logarytmiczną używaną do określania kwasowości medium. Jest to w przybliżeniu ujemny logarytm o podstawie 10 stężenia molowego, mierzonego w jednostkach moli na litr jonów wodorowych. Można go również nazwać wskaźnikiem kwasowości środowiska. Dokładniej, jest to ujemny logarytm o podstawie 10 aktywności jonów wodorowych. W temperaturze 25°C roztwory o pH mniejszym niż 7 są kwaśne, a roztwory o pH większym niż 7 są zasadowe. Neutralna wartość pH jest zależna od temperatury i wraz ze wzrostem temperatury jest mniejsza niż 7. Czysta woda jest neutralna, pH=7 (w 25°C), ani kwaśna, ani zasadowa. Wbrew powszechnemu przekonaniu, wartość pH może być mniejsza niż 0 lub większa niż 14 odpowiednio dla bardzo mocnych kwasów i zasad.
Aplikacja
Pomiary pH są ważne w agronomii, medycynie, chemii, uzdatnianiu wody i wielu innych dziedzinach.
Skala pH jest odpowiednia dla zestawu roztworów wzorcowych, których kwasowość jest ustalana przez międzynarodoweumowa. Pierwotne wzorce pH są określane przy użyciu celi do pomiaru stężenia poprzez pomiar różnicy potencjałów między elektrodą wodorową a standardową elektrodą, taką jak chlorek srebra. pH roztworów wodnych można mierzyć za pomocą szklanej elektrody i pehametru lub wskaźnika.
Otwarcie
Koncepcja pH została po raz pierwszy wprowadzona przez duńskiego chemika Sørena Petera Lauritsa Sørensena w laboratorium Carlsberga w 1909 r., a następnie zaktualizowana do obecnego poziomu pH w 1924 r., aby uwzględnić definicje i pomiary w zakresie ogniw elektrochemicznych. We wczesnych pracach notacja zawierała literę H pisaną małą literą p, co oznacza: pH.
Pochodzenie nazwy
Dokładne znaczenie litery p jest kwestionowane, ale według Fundacji Carlsberga pH oznacza „moc wodoru”. Sugerowano również, że p oznacza niemieckie słowo potenz ("moc"), inni odnoszą się do francuskiego puisance (oznaczającego również "moc", w oparciu o fakt, że laboratorium Carlsberga było francuskie). Inną sugestią jest to, że p odnosi się do łacińskiego terminu pondus hydroii (ilość wodoru), potentio hydroii (pojemność wodoru) lub potencjalne hydroli (potencjał wodoru). Sugeruje się również, że Sørensen użył liter p i q (w matematyce zazwyczaj sprzężone litery) po prostu do oznaczenia rozwiązania testowego (p) i rozwiązania odniesienia (q). Obecnie w chemii p oznacza logarytm dziesiętny i jest również używane w pojęciu pKa, używanym do określenia stałych dysocjacji kwasowości ośrodka.
Wkłady amerykańskie
Bakteriolog Alice Evans, znana z wpływu swojej pracy na produkty mleczne i bezpieczeństwo żywności, przypisała Williamowi Mansfieldowi Clarkowi i jego współpracownikom opracowanie metod pomiaru pH w latach 1910, które następnie wywarły duży wpływ na laboratoria i przemysł posługiwać się. W swoich wspomnieniach nie wspomina, ile i jak mało Clarke i jego koledzy wiedzieli o pracy Sorensena w poprzednich latach. Już wtedy naukowcy aktywnie badali kwestię kwasowości/zasadowości środowiska.
Wpływ kwasu
Uwaga doktora Clarka była skierowana na wpływ kwasu na wzrost bakterii. I dzięki temu uzupełnił ideę ówczesnej nauki o wodorowym wskaźniku kwasowości środowiska. Odkrył, że to intensywność kwasu pod względem stężenia jonów wodorowych wpłynęła na ich wzrost. Jednak istniejące metody pomiaru kwasowości medium określały ilość, a nie intensywność kwasu. Następnie wraz z kolegami dr Clark opracował precyzyjne metody pomiaru stężenia jonów wodorowych. Metody te zastąpiły nieprecyzyjną metodę miareczkowania do oznaczania kwasów w laboratoriach biologicznych na całym świecie. Stwierdzono również, że mogą być wykorzystywane w wielu procesach przemysłowych i innych, w których są szeroko stosowane.
Aspekt praktyczny
Pierwsza elektroniczna metoda pomiaru pH została wynaleziona przez Arnolda Orville Beckmana, profesora w California Institute of Technology, w 1934 roku. To właśnie w tym momencie lokalny plantator cytrusówSunkist chciał lepszej metody szybkiego testowania pH cytryn zebranych z pobliskich sadów. Zawsze brano pod uwagę wpływ kwasowości podłoża.
Na przykład dla roztworu o aktywności jonów wodorowych 5 × 10–6 (na tym poziomie jest to w rzeczywistości liczba moli jonów wodorowych na litr roztworu), otrzymujemy 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Zatem taki roztwór ma pH 5,3. Uważa się, że masy mol wody, mol jonów wodorowych i mol jonów wodorotlenowych to odpowiednio 18 g, 1 g i 17 g, ilość czystych 107 moli (pH 7) wody zawiera około 1 g zdysocjowanych jonów wodorowych (lub a dokładniej 19 g H3O + jonów hydroniowych) i 17 g jonów wodorotlenowych.
Rola temperatury
Zauważ, że pH zależy od temperatury. Na przykład w 0 ° C pH czystej wody wynosi 7,47, w 25 ° C 7, a w 100 ° C 6,14.
Potencjał elektrody jest proporcjonalny do pH, gdy pH jest określone w kategoriach aktywności. Dokładny pomiar pH jest przedstawiony w międzynarodowej normie ISO 31-8.
Ogniwo galwaniczne jest skonfigurowane do pomiaru siły elektromotorycznej (EMF) między elektrodą odniesienia a elektrodą wykrywającą aktywność jonów wodorowych, gdy obie są zanurzone w tym samym roztworze wodnym. Elektrodą odniesienia może być przedmiot z chlorku srebra lub elektroda kalomelowa. Elektroda jonoselektywna jest standardem dla tych zastosowań.
Aby zastosować ten proces w praktyce, zamiast masywnej elektrody wodorowej stosuje się elektrodę szklaną. Onposiada wbudowaną elektrodę odniesienia. Jest również skalibrowany względem roztworów buforowych o znanej aktywności jonów wodorowych. IUPAC zasugerował użycie zestawu roztworów buforowych o znanej aktywności H+. Aby uwzględnić fakt, że nachylenie może być nieco mniejsze niż idealne, stosuje się dwa lub więcej roztworów buforowych. Aby wdrożyć to podejście do kalibracji, elektrodę najpierw zanurza się w roztworze wzorcowym, a odczyt pehametru ustawia się na wartość buforu standardowego.
Co dalej?
Odczyt z drugiego standardowego roztworu buforowego jest następnie korygowany za pomocą kontroli nachylenia, aby był równy poziomowi pH dla tego roztworu. Gdy stosuje się więcej niż dwa roztwory buforowe, elektroda jest kalibrowana przez dopasowanie obserwowanych wartości pH do linii prostej w stosunku do standardowych wartości buforów. Dostępne w handlu standardowe roztwory buforowe są zwykle dostarczane z informacją o wartości w 25 °C i współczynniku korekcji, który należy zastosować dla innych temperatur.
Charakterystyka definicji
Skala pH jest logarytmiczna i dlatego pH jest wielkością bezwymiarową, często używaną między innymi do pomiaru kwasowości środowiska wewnętrznego komórki. Była to oryginalna definicja Sorensena, która została zastąpiona w 1909 roku.
Możliwy jest jednak bezpośredni pomiar stężenia jonów wodorowych, jeśli elektroda jest skalibrowana pod kątem stężeń jonów wodorowych. Jednym ze sposobów na to, który jest szeroko stosowany, jest miareczkowanie roztworu o znanym stężeniumocny kwas z roztworem o znanym stężeniu mocnej zasady w obecności stosunkowo wysokiego stężenia elektrolitu podtrzymującego. Ponieważ stężenia kwasów i zasad są znane, łatwo jest obliczyć stężenie jonów wodorowych, aby można było odnieść potencjał do zmierzonej wartości.
Wskaźniki mogą być używane do pomiaru pH na podstawie zmiany ich koloru. Wizualne porównanie koloru roztworu testowego ze standardową skalą barw umożliwia pomiar pH z dokładnością do liczby całkowitej. Bardziej dokładne pomiary są możliwe, jeśli kolor jest mierzony spektrofotometrycznie za pomocą kolorymetru lub spektrofotometru. Uniwersalny wskaźnik składa się z mieszanki wskaźników, dzięki czemu następuje trwała zmiana koloru od około pH 2 do pH 10. Uniwersalny papierek wskaźnikowy jest wykonany z bibuły chłonnej, która została zaimpregnowana uniwersalnym wskaźnikiem. Inną metodą pomiaru pH jest użycie elektronicznego miernika pH.
Poziomy pomiarowe
Pomiar pH poniżej około 2,5 (około 0,003 mola kwasu) i powyżej około 10,5 (około 0,0003 mola zasady) wymaga specjalnych procedur, ponieważ przy takich wartościach prawo Nernsta jest łamane przy użyciu elektrody szklanej. Przyczyniają się do tego różne czynniki. Nie można zakładać, że płynne potencjały przejściowe są niezależne od pH. Również ekstremalne pH oznacza, że roztwór jest stężony, więc na potencjały elektrody wpływa zmiana siły jonowej. Przy wysokim pH elektroda szklana może byćpodlega błędowi alkalicznemu, ponieważ elektroda staje się wrażliwa na stężenie kationów, takich jak Na+ i K+ w roztworze. Dostępne są specjalnie zaprojektowane elektrody, które częściowo rozwiązują te problemy.
Wypływ z kopalń lub odpadów kopalnianych może skutkować bardzo niskimi wartościami pH.
Czysta woda jest neutralna. Nie jest kwaśny. Gdy kwas rozpuści się w wodzie, pH będzie poniżej 7 (25°C). Gdy zasada rozpuści się w wodzie, pH będzie większe niż 7. 1 molowy roztwór mocnego kwasu, takiego jak kwas solny, ma pH równe zero. Roztwór mocnej zasady takiej jak wodorotlenek sodu w stężeniu 1 mol ma pH 14. Zatem zmierzone wartości pH będą na ogół mieścić się w zakresie od 0 do 14, chociaż wartości pH i wartości ujemne powyżej 14 są całkiem możliwe.
Wiele zależy od kwasowości roztworu. Ponieważ pH jest skalą logarytmiczną, różnica jednej jednostki pH odpowiada dziesięciokrotnej różnicy stężenia jonów wodorowych. Neutralne PH nie do końca osiąga 7 (w 25°C), chociaż w większości przypadków jest to dobre przybliżenie. Neutralność definiuje się jako stan, w którym [H+]=[OH-]. Ponieważ samojonizacja wody utrzymuje produkt o tych stężeniach [H+] × [OH-]=Kw, można zauważyć, że przy neutralności [H+]=[OH-]=√Kw lub pH=pKw / 2.
PKw wynosi około 14, ale zależy od siły jonowej i temperatury, więc wartość pH medium również ma znaczenie, które powinno być neutralnepoziom. Czysta woda i roztwór NaCl w czystej wodzie są obojętne, ponieważ dysocjacja wody wytwarza taką samą ilość obu jonów. Jednak pH obojętnego roztworu NaCl będzie nieco inne niż pH obojętnej czystej wody, ponieważ aktywność jonów wodorowych i wodorotlenowych zależy od siły jonowej, więc Kw zmienia się wraz z siłą jonową.
Rośliny
Zależne pigmenty roślinne, które można wykorzystać jako wskaźniki pH, można znaleźć w wielu roślinach, w tym w hibiskusie, czerwonej kapuście (antocyjaninie) i czerwonym winie. Sok z cytrusów jest kwaśny, ponieważ zawiera kwas cytrynowy. Inne kwasy karboksylowe znajdują się w wielu żywych organizmach. Na przykład kwas mlekowy jest wytwarzany przez aktywność mięśni. Stan protonowania pochodnych fosforanowych, takich jak ATP, zależy od kwasowości środowiska pH. Na funkcjonowanie enzymu przenoszącego tlen hemoglobiny wpływa pH w procesie znanym jako efekt korzenia.
Woda morska
W wodzie morskiej pH jest zwykle ograniczone do wartości od 7,5 do 8,4 Odgrywa ważną rolę w obiegu węgla w oceanie i istnieją dowody na trwające zakwaszenie oceanu spowodowane emisją dwutlenku węgla. Jednak pomiar pH jest skomplikowany ze względu na właściwości chemiczne wody morskiej, a w oceanografii chemicznej istnieje kilka różnych skal pH.
Rozwiązania specjalne
W ramach operacyjnej definicji skali kwasowości (pH), IUPAC definiuje serię roztworów buforowych w zakresie pH (często określanych jakoNBS lub NIST). Roztwory te mają stosunkowo niską siłę jonową (~0,1) w porównaniu z wodą morską (~0,7) iw rezultacie nie są zalecane do stosowania w charakterystyce pH wody morskiej, ponieważ różnice w sile jonowej powodują zmiany potencjału elektrody. Aby rozwiązać ten problem, opracowano alternatywną serię buforów opartych na sztucznej wodzie morskiej.
Ta nowa seria rozwiązuje problem różnic siły jonowej między próbkami i buforami, a nowa skala pH dla średniej kwasowości nazywana jest powszechną skalą, często określaną jako pH. Skalę ogólną określono przy użyciu pożywki zawierającej jony siarczanowe. Jony te ulegają protonowaniu, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, więc całkowita skala obejmuje wpływ zarówno protonów (wolnych jonów wodorowych), jak i jonów siarkowodoru:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Alternatywna wolna skala, często określana jako pHF, pomija tę kwestię i skupia się wyłącznie na [H+]F, co w zasadzie jest prostszą reprezentacją stężenia jonów wodorowych. Można wyznaczyć tylko [H+] T, więc [H+] F należy oszacować za pomocą [SO2-4] i stałej stabilności HSO-4, KS:
[H+] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Jednakże trudno jest oszacować KS w wodzie morskiej, ograniczając użyteczność prostszej wolnej skali.
Inna skala, znana jako skala wody morskiej, często określana jako pHSWS, uwzględnia dalsze wiązania protonowe między jonami wodoru i jonami fluoru, H+ + F- ⇌HF. Wynikiem jest następujące wyrażenie dla [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Jednak korzyść z rozważenia tej dodatkowej złożoności zależy od zawartości fluoru w podłożu. Na przykład w wodzie morskiej jony siarczanowe znajdują się w znacznie wyższych stężeniach (> 400 razy) niż stężenia fluoru. W konsekwencji, dla większości celów praktycznych, różnica między skalą powszechną a skalą wody morskiej jest bardzo mała.
Następujące trzy równania podsumowują trzy skale pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Z praktycznego punktu widzenia, trzy skale pH środowiska kwaśnego (lub wody morskiej) różnią się wartościami do 0,12 jednostki pH, a różnice są znacznie większe niż jest to zwykle wymagane dla dokładności pomiaru Pomiary pH, w szczególności w odniesieniu do oceanicznego systemu węglanów.
