V kemiji je pH logaritemska lestvica, ki se uporablja za določanje kislosti medija. To je približno logaritem z negativno bazo 10 molske koncentracije, merjen v enotah molov na liter vodikovih ionov. Lahko ga imenujemo tudi indikator kislosti okolja. Natančneje, to je negativna baza 10 logaritem aktivnosti vodikovih ionov. Pri 25°C so raztopine s pH manjšim od 7 kisle, raztopine s pH večjim od 7 pa bazične. Nevtralna pH vrednost je odvisna od temperature in je z dvigom temperature manjša od 7. Čista voda je nevtralna, pH=7 (pri 25°C), ni kisla niti alkalna. V nasprotju s splošnim prepričanjem je lahko vrednost pH manjša od 0 ali večja od 14 za zelo močne kisline oziroma baze.
Prijava
Meritve pH so pomembne v agronomiji, medicini, kemiji, čiščenju vode in mnogih drugih področjih.
Lestvica pH je pomembna za nabor standardnih raztopin, katerih kislost je določena z mednarodnimidogovor. Primarni pH standardi se določijo s prenosno koncentracijsko celico z merjenjem potencialne razlike med vodikovo elektrodo in standardno elektrodo, kot je srebrov klorid. pH vodnih raztopin lahko izmerimo s stekleno elektrodo in pH metrom ali indikatorjem.
Odprtje
Koncept pH je prvi predstavil danski kemik Søren Peter Laurits Sørensen v laboratoriju Carlsberg leta 1909 in ga leta 1924 popravil na trenutno raven pH, da bi prilagodil definicije in meritve v smislu elektrokemijskih celic. V zgodnjih delih je bil zapis črko H z malimi črkami p, kar pomeni: pH.
Izvor imena
Natančen pomen p je sporen, vendar po mnenju Carlsbergove fundacije pH pomeni "moč vodika." Predlagali so tudi, da p pomeni nemško besedo potenz ("moč"), drugi pa se nanašajo na francosko puisance (ki pomeni tudi "moč", na podlagi dejstva, da je bil Carlsbergov laboratorij francoski). Drug predlog je, da se p nanaša na latinski izraz pondus hydroii (količina vodika), potentio hydroii (zmogljivost vodika) ali potencial hydroli (potencial vodika). Predlaga se tudi, da je Sørensen uporabil črki p in q (običajno konjugirani črki v matematiki) preprosto za označevanje preskusne raztopine (p) in referenčne rešitve (q). Trenutno v kemiji p pomeni decimalni logaritem in se uporablja tudi v izrazu pKa, ki se uporablja za disociacijske konstante kislosti medija.
ameriški prispevki
Bakteriologinja Alice Evans, znana po vplivu svojega dela na mlečne izdelke in varnost hrane, je Williamu Mansfieldu Clarku in njegovim kolegom pripisala zasluge za razvoj metod za merjenje pH v 1910-ih, kar je pozneje močno vplivalo na laboratorijske in industrijske uporaba. V svojih spominih ne omenja, koliko ali kako malo so Clarke in njegovi kolegi vedeli o Sorensenovem delu v preteklih letih. Že takrat so znanstveniki aktivno preučevali vprašanje kislosti/alkalnosti okolja.
vpliv kisline
Pozor dr. Clarka je bil usmerjen na učinek kisline na rast bakterij. In zahvaljujoč temu je dopolnil idejo o takratni znanosti o vodikovem indeksu kislosti okolja. Ugotovil je, da je na njihovo rast vplivala intenzivnost kisline glede na koncentracijo vodikovih ionov. Toda obstoječe metode za merjenje kislosti medija so določale količino in ne intenzivnost kisline. Nato je dr. Clark s sodelavci razvil natančne metode za merjenje koncentracije vodikovih ionov. Te metode so nadomestile metodo nenatančne titracije za določanje kislin v bioloških laboratorijih po vsem svetu. Ugotovljeno je bilo tudi, da jih je mogoče uporabiti v številnih industrijskih in drugih procesih, v katerih se pogosto uporabljajo.
Praktični vidik
Prvo elektronsko metodo merjenja pH je leta 1934 izumil Arnold Orville Beckman, profesor na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo. Na tej točki je lokalni pridelovalec citrusovSunkist je želel boljšo metodo za hitro testiranje pH limon, ki so jih pobrali iz bližnjih sadovnjakov. Vedno je bil upoštevan vpliv kislosti medija.
Na primer, za raztopino z aktivnostjo vodikovih ionov 5 × 10–6 (na tej ravni je to dejansko število molov vodikovih ionov na liter raztopine), dobimo 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Tako ima taka raztopina pH 5,3. Menijo, da so mase mol vode, mol vodikovih ionov in mol hidroksidnih ionov so 18 g, 1 g in 17 g, količina čistih 107 molov (pH 7) vode vsebuje približno 1 g disociiranih vodikovih ionov (oz. natančneje 19 g H3O + hidronijevi ioni) in 17 g hidroksidnih ionov.
Vloga temperature
Upoštevajte, da je pH odvisen od temperature. Na primer, pri 0 °C je pH čiste vode 7,47, pri 25 °C je 7, pri 100 °C pa 6,14.
Potencial elektrode je sorazmeren s pH, če je pH definiran glede na aktivnost. Natančno merjenje pH je predstavljeno v mednarodnem standardu ISO 31-8.
Galvanska celica je konfigurirana za merjenje elektromotorne sile (EMF) med referenčno elektrodo in elektrodo za zaznavanje aktivnosti vodikovih ionov, ko sta obe potopljeni v isto vodno raztopino. Referenčna elektroda je lahko predmet iz srebrovega klorida ali kalomelna elektroda. Selektivna elektroda za vodikove ione je standardna za te aplikacije.
Za izvedbo tega postopka se namesto obsežne vodikove elektrode uporablja steklena elektroda. onima vgrajeno referenčno elektrodo. Kalibriran je tudi glede na puferske raztopine z znano aktivnostjo vodikovih ionov. IUPAC je predlagal uporabo niza puferskih raztopin z znano aktivnostjo H+. Za upoštevanje dejstva, da je naklon lahko nekoliko manjši od idealnega, se uporabita dve ali več puferskih raztopin. Za izvedbo tega kalibracijskega pristopa se elektroda najprej potopi v standardno raztopino in odčitek pH metra se nastavi na vrednost standardnega pufra.
Kaj je naslednje?
Odčitavanje iz druge standardne puferske raztopine se nato popravi z uporabo nadzora naklona, da je enako pH vrednosti za to raztopino. Kadar se uporabljata več kot dve pufrski raztopini, se elektroda kalibrira tako, da se opazovane vrednosti pH prilagodijo ravni črti glede na standardne vrednosti pufra. Komercialne standardne puferske raztopine so običajno opremljene z informacijami o vrednosti pri 25 °C in korekcijskem faktorju, ki se uporablja za druge temperature.
Definicijska značilnost
Lestvica pH je logaritmična in je zato pH brezrazsežna količina, ki se med drugim pogosto uporablja za merjenje kislosti notranjega okolja celice. To je bila prvotna Sorensenova definicija, ki je bila zamenjana leta 1909.
Vendar pa je možno neposredno izmeriti koncentracijo vodikovih ionov, če je elektroda kalibrirana glede na koncentracije vodikovih ionov. Eden od načinov za to, ki je bil široko uporabljen, je titriranje raztopine znane koncentracijemočna kislina z raztopino znane koncentracije močne alkalije v prisotnosti sorazmerno visoke koncentracije nosilnega elektrolita. Ker so koncentracije kislin in alkalij znane, je enostavno izračunati koncentracijo vodikovih ionov, tako da se potencial lahko poveže z izmerjeno vrednostjo.
Indikatorji se lahko uporabljajo za merjenje pH na podlagi dejstva, da se njihova barva spremeni. Vizualna primerjava barve preskusne raztopine s standardno barvno lestvico omogoča merjenje pH s celoštevilsko natančnostjo. Natančnejše meritve so možne, če barvo izmerimo spektrofotometrično s kolorimetrom ali spektrofotometrom. Univerzalni indikator je sestavljen iz mešanice indikatorjev, tako da pride do trajne spremembe barve od približno pH 2 do pH 10. Univerzalni indikatorski papir je izdelan iz vpojnega papirja, ki je bil impregniran z univerzalnim indikatorjem. Druga metoda za merjenje pH je uporaba elektronskega pH metra.
Merilne ravni
Merjenje pH pod približno 2,5 (približno 0,003 molov kisline) in nad približno 10,5 (približno 0,0003 molov alkalije) zahteva posebne postopke, ker je pri takšnih vrednostih pri uporabi steklene elektrode kršen Nernstov zakon. K temu prispevajo različni dejavniki. Ni mogoče domnevati, da so potenciali prehoda tekočine neodvisni od pH. Prav tako ekstremni pH pomeni, da je raztopina koncentrirana, zato na potenciale elektrod vpliva sprememba ionske moči. Pri visokem pH je lahko steklena elektrodazaradi alkalne napake, saj elektroda postane občutljiva na koncentracijo kationov, kot sta Na+ in K+ v raztopini. Na voljo so posebej izdelane elektrode, ki delno premagajo te težave.
Odtok iz rudnikov ali rudarskih odpadkov lahko povzroči zelo nizke vrednosti pH.
Čista voda je nevtralna. Ni kislo. Ko se kislina raztopi v vodi, bo pH pod 7 (25°C). Ko se alkalija raztopi v vodi, bo pH večji od 7. 1 mol raztopine močne kisline, kot je klorovodikova kislina, ima pH nič. Raztopina močne alkalije, kot je natrijev hidroksid v koncentraciji 1 mol, ima pH 14. Tako bodo izmerjene vrednosti pH praviloma ležale v območju od 0 do 14, čeprav so negativne vrednosti pH in vrednosti nad 14 so povsem možne.
Veliko je odvisno od kislosti raztopine. Ker je pH logaritemska lestvica, je razlika ene pH enote enaka desetkratni razliki v koncentraciji vodikovih ionov. Nevtralnost PH ne doseže povsem 7 (pri 25 °C), čeprav je v večini primerov to dober približek. Nevtralnost je opredeljena kot pogoj, v katerem je [H+]=[OH-]. Ker samoionizacija vode ohranja produkt teh koncentracij [H+] × [OH-]=Kw, je razvidno, da je pri nevtralnosti [H+]=[OH-]=√Kw ali pH=pKw / 2.
PKw je približno 14, vendar je odvisno od ionske moči in temperature, zato je pomembna tudi pH vrednost medija, ki mora biti nevtralnaravni. Čista voda in raztopina NaCl v čisti vodi sta nevtralni, ker pri disociaciji vode nastane enaka količina obeh ionov. Vendar bo pH nevtralne raztopine NaCl nekoliko drugačen od pH nevtralne čiste vode, saj je aktivnost vodikovih in hidroksidnih ionov odvisna od ionske jakosti, zato se Kw spreminja glede na ionsko moč.
Rastline
Odvisne rastlinske pigmente, ki jih je mogoče uporabiti kot indikatorje pH, najdemo v številnih rastlinah, vključno s hibiskusom, rdečim zeljem (antocianin) in rdečim vinom. Citrusov sok je kisel, ker vsebuje citronsko kislino. Druge karboksilne kisline najdemo v mnogih živih sistemih. Na primer, mlečna kislina nastane z mišično aktivnostjo. Stanje protonacije fosfatnih derivatov, kot je ATP, je odvisno od kislosti pH medija. Na delovanje encima za prenos kisika hemoglobina vpliva pH v procesu, znanem kot koreninski učinek.
morska voda
V morski vodi je pH običajno omejen na med 7,5 in 8,4. Ima pomembno vlogo v ciklu ogljika v oceanu in obstajajo dokazi o nenehnem zakisavanju oceanov, ki ga povzročajo emisije ogljikovega dioksida. Vendar pa je merjenje pH zapleteno zaradi kemičnih lastnosti morske vode in v kemični oceanografiji obstaja več različnih pH lestvic.
Posebne rešitve
Kot del operativne definicije lestvice kislosti (pH), IUPAC definira vrsto puferskih raztopin v območju pH (pogosto imenovanoNBS ali NIST). Te raztopine imajo relativno nizko ionsko moč (≈0,1) v primerjavi z morsko vodo (≈0,7) in zato niso priporočljive za uporabo pri karakterizaciji pH morske vode, ker razlike v ionski jakosti povzročajo spremembe potenciala elektrode. Za rešitev tega problema je bila razvita alternativna serija puferjev na osnovi umetne morske vode.
Ta nova serija rešuje problem razlik v ionski jakosti med vzorci in pufri, nova pH-skala za srednjo kislost pa se imenuje skupna lestvica, pogosto imenovana pH. Celotna lestvica je bila določena z uporabo medija, ki vsebuje sulfatne ione. Ti ioni doživljajo protonacijo, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, tako da skupna lestvica vključuje vpliv tako protonov (prosti vodikovi ioni) kot ionov vodikovega sulfida:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Alternativna brezplačna lestvica, ki jo pogosto imenujemo pHF, izpusti ta premislek in se osredotoča izključno na [H+]F, zaradi česar je načeloma enostavnejša predstavitev koncentracije vodikovih ionov. Določiti je mogoče samo [H+] T, zato je treba [H+] F oceniti z uporabo [SO2-4] in konstante stabilnosti HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Vendar je težko oceniti KS v morski vodi, kar omejuje uporabnost enostavnejše brezplačne lestvice.
Druga lestvica, znana kot lestvica morske vode, pogosto imenovana pHSWS, upošteva nadaljnjo protonsko vez med vodikovimi ioni in fluoridnimi ioni, H+ + F- ⇌HF. Rezultat je naslednji izraz za [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Vendar je prednost upoštevanja te dodatne zapletenosti odvisna od vsebnosti fluora v mediju. Na primer, v morski vodi najdemo sulfatne ione v veliko višjih koncentracijah (> 400-krat) kot koncentracije fluora. Posledično je za večino praktičnih namenov razlika med običajno lestvico in lestvico morske vode zelo majhna.
Naslednje tri enačbe povzemajo tri pH lestvice:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- dnevnik [H+]
S praktičnega vidika se tri pH lestvice kislega okolja (ali morske vode) razlikujejo po svojih vrednostih do 0,12 pH enote, razlike pa so veliko večje, kot je običajno potrebno za natančnost meritve pH, zlasti v zvezi z oceanskim karbonatnim sistemom.
