Keemias on pH logaritmiline skaala, mida kasutatakse keskkonna happesuse määramiseks. See on ligikaudu 10 molaarse kontsentratsiooni negatiivne logaritm, mõõdetuna mooliühikutes vesinikioonide liitri kohta. Seda võib nimetada ka keskkonna happesuse näitajaks. Täpsem alt on see vesinikioonide aktiivsuse negatiivne baas 10 logaritm. 25 °C juures on lahused, mille pH on alla 7, happelised ja lahused, mille pH on üle 7, on aluselised. Neutraalne pH väärtus sõltub temperatuurist ja on temperatuuri tõustes alla 7. Puhas vesi on neutraalne, pH=7 (temperatuuril 25°C), ei ole happeline ega aluseline. Vastupidiselt levinud arvamusele võib väga tugevate hapete ja aluste pH väärtus olla vastav alt alla 0 või suurem kui 14.
Rakendus
PH mõõtmine on oluline agronoomias, meditsiinis, keemias, veetöötluses ja paljudes muudes valdkondades.
PH-skaala on asjakohane standardlahuste komplekti puhul, mille happesuse on kindlaks määranud rahvusvahelinekokkuleppele. Esmased pH-standardid määratakse ülekandekontsentratsiooni raku abil, mõõtes vesinikelektroodi ja standardelektroodi, näiteks hõbekloriidi, potentsiaalide erinevust. Vesilahuste pH-d saab mõõta klaaselektroodi ja pH-meetri või indikaatoriga.
Avamine
Ph-kontseptsiooni tutvustas esmakordselt Taani keemik Søren Peter Laurits Sørensen Carlsbergi laboris 1909. aastal ja 1924. aastal viidi see ümber praegusele pH tasemele, et võtta arvesse elektrokeemiliste elementide määratlusi ja mõõtmisi. Varasemates töödes oli tähistus H-täht väikese p-ga, mis tähendab: pH.
Nime päritolu
P täpse tähenduse üle vaieldakse, kuid Carlsbergi fondi andmetel tähendab pH "vesiniku jõudu". Samuti on oletatud, et p tähistab saksa sõna potenz ("võim"), teised viitavad prantsuskeelsele puisance'ile (tähendab ka "jõudu", lähtudes sellest, et Carlsbergi labor oli prantsuskeelne). Teine soovitus on, et p viitab ladinakeelsele terminile pondus hydroii (vesiniku kogus), potentio hydroii (vesiniku mahtuvus) või potentsiaalsele hydrolile (vesiniku potentsiaal). Samuti soovitatakse, et Sørensen kasutas tähti p ja q (matemaatikas tavaliselt konjugeeritud tähed) lihts alt katselahuse (p) ja võrdluslahuse (q) tähistamiseks. Praegu tähistab keemias p kümnendlogaritmi ja seda kasutatakse ka terminis pKa, mida kasutatakse keskkonna happesuse dissotsiatsioonikonstantide jaoks.
Ameerika kaastööd
Bakterioloog Alice Evans, kes on tuntud oma töö mõju poolest piimatoodetele ja toiduohutusele, tunnustas William Mansfield Clarki ja tema kolleege 1910. aastatel pH mõõtmismeetodite väljatöötamise eest, millel oli hiljem laialdane mõju labori- ja tööstustegevusele. kasutada. Oma memuaarides ta ei maini, kui palju või kui vähe Clarke ja tema kolleegid teadsid Sorenseni tööst eelnevatel aastatel. Juba sel ajal uurisid teadlased aktiivselt keskkonna happesuse/aluselisuse küsimust.
Happe mõju
Dr Clarki tähelepanu oli suunatud happe mõjule bakterite kasvule. Ja tänu sellele täiendas ta ideed tollasest keskkonna happesuse vesinikuindeksi teadusest. Ta leidis, et nende kasvu mõjutas just happe intensiivsus vesinikioonide kontsentratsiooni järgi. Kuid olemasolevad meetodid keskkonna happesuse mõõtmiseks määrasid happe koguse, mitte intensiivsuse. Seejärel töötas dr Clark koos kolleegidega välja täpsed meetodid vesinikioonide kontsentratsiooni mõõtmiseks. Need meetodid on asendanud ebatäpse tiitrimismeetodi happe määramiseks bioloogilistes laborites üle maailma. Samuti on leitud, et neid saab kasutada paljudes tööstuslikes ja muudes protsessides, milles neid laialdaselt kasutatakse.
Praktiline aspekt
Esimese elektroonilise pH mõõtmise meetodi leiutas California Tehnoloogiainstituudi professor Arnold Orville Beckman 1934. aastal. See oli sel hetkel, et kohalik tsitrusekasvatajaSunkist soovis paremat meetodit lähedalasuvatest viljapuuaedadest korjatud sidrunite pH kiireks testimiseks. Alati võeti arvesse söötme happesuse mõju.
Näiteks lahuse puhul, mille vesinikioonide aktiivsus on 5 × 10–6 (sel tasemel on see tegelikult vesinikioonide moolide arv lahuse liitri kohta), saame 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Seega on sellise lahuse pH väärtus 5,3. Arvatakse, et mool vett, mool vesinikioone ja mool hüdroksiidiioone on vastav alt 18 g, 1 g ja 17 g, puhta 107 mooli (pH 7) vee kogus sisaldab umbes 1 g dissotsieerunud vesinikioone (või täpsem alt 19 g H3O + hüdroniumioone) ja 17 g hüdroksiidiioone.
Temperatuuri roll
Pange tähele, et pH oleneb temperatuurist. Näiteks 0 °C juures on puhta vee pH 7,47. 25 °C juures on see 7 ja 100 °C juures 6,14.
Elektroodi potentsiaal on võrdeline pH-ga, kui pH on määratletud aktiivsuse alusel. Täpne pH mõõtmine on esitatud rahvusvahelises standardis ISO 31-8.
Galaanielement on konfigureeritud mõõtma elektromotoorjõudu (EMF) võrdluselektroodi ja vesinikioonide aktiivsust tuvastava elektroodi vahel, kui mõlemad on sukeldatud samasse vesilahusesse. Võrdluselektroodiks võib olla hõbekloriidobjekt või kalomelelektrood. Nende rakenduste jaoks on standardvarustuses vesinikioonide selektiivne elektrood.
Selle protsessi elluviimiseks kasutatakse mahuka vesinikelektroodi asemel klaaselektroodi. Taon sisseehitatud võrdluselektroodiga. Samuti on see kalibreeritud teadaoleva vesinikioonide aktiivsusega puhverlahuste suhtes. IUPAC soovitas kasutada teadaoleva H+ aktiivsusega puhverlahuste komplekti. Kaht või enamat puhverlahust kasutatakse selleks, et võtta arvesse asjaolu, et kalle võib olla ideaalsest veidi väiksem. Selle kalibreerimismeetodi rakendamiseks sukeldatakse elektrood esm alt standardlahusesse ja pH-meetri näit seatakse standardpuhvri väärtusele.
Mis saab järgmiseks?
Teise standardpuhverlahuse näitu korrigeeritakse seejärel kaldekontrolli abil, et see oleks võrdne selle lahuse pH-tasemega. Kui kasutatakse rohkem kui kahte puhverlahust, kalibreeritakse elektrood, sobitades vaadeldud pH väärtused standardsete puhverväärtuste suhtes sirgjooneliselt. Kaubanduslikud standardpuhverlahused on tavaliselt varustatud teabega 25 °C väärtuse ja muude temperatuuride puhul kasutatava parandusteguri kohta.
Definitsiooni tunnusjoon
PH-skaala on logaritmiline ja seetõttu on pH mõõtmeteta suurus, mida kasutatakse sageli muu hulgas raku sisekeskkonna happesuse mõõtmiseks. See oli Sorenseni esialgne määratlus, mis asendati aastal 1909.
Samas on võimalik vesinikioonide kontsentratsiooni otse mõõta, kui elektrood on kalibreeritud vesinikioonide kontsentratsioonide järgi. Üks lai alt levinud viis selleks on teadaoleva kontsentratsiooniga lahuse tiitriminetugev hape teadaoleva kontsentratsiooniga tugeva leelise lahusega suhteliselt suure kandeelektrolüüdi kontsentratsiooni juuresolekul. Kuna happe ja leelise kontsentratsioonid on teada, on vesinikioonide kontsentratsiooni lihtne arvutada, nii et potentsiaali saab seostada mõõdetud väärtusega.
Indikaatoreid saab kasutada pH mõõtmiseks, kasutades asjaolu, et nende värvus muutub. Uuritava lahuse värvuse visuaalne võrdlus standardse värviskaalaga võimaldab mõõta pH-d täisarvude täpsusega. Täpsemad mõõtmised on võimalikud, kui värvi mõõdetakse spektrofotomeetriliselt, kasutades kolorimeetrit või spektrofotomeetrit. Universaalne indikaator on valmistatud indikaatorite segust, nii et värvus muutub püsiv alt umbes pH 2-lt pH 10-le. Universaalne indikaatorpaber on valmistatud imavast paberist, mis on immutatud universaalse indikaatoriga. Teine meetod pH mõõtmiseks on kasutada elektroonilist pH-meetrit.
Mõõtmistasemed
pH mõõtmine alla umbes 2,5 (umbes 0,003 mooli hapet) ja üle umbes 10,5 (umbes 0,0003 mooli leelist) nõuab eriprotseduure, kuna klaaselektroodi kasutamisel rikutakse Nernsti seadust. Sellele aitavad kaasa erinevad tegurid. Ei saa eeldada, et vedeliku siirdepotentsiaalid ei sõltu pH-st. Samuti tähendab äärmuslik pH, et lahus on kontsentreeritud, mistõttu ioontugevuse muutus mõjutab elektroodide potentsiaale. Kõrge pH korral võib klaaselektrood ollaleeliseline viga, kuna elektrood muutub tundlikuks lahuses olevate katioonide, nagu Na+ ja K+, kontsentratsiooni suhtes. Saadaval on spetsiaalselt disainitud elektroodid, mis need probleemid osaliselt ületavad.
Kaevanduste või kaevandusjäätmete äravool võib põhjustada väga madalaid pH-väärtusi.
Puhas vesi on neutraalne. See ei ole happeline. Kui hape lahustub vees, on pH alla 7 (25 °C). Kui leelis lahustub vees, on pH suurem kui 7. Tugeva happe, näiteks vesinikkloriidhappe 1 mol lahuse pH on null. Tugeva leelise, näiteks naatriumhüdroksiidi lahuse kontsentratsioonis 1 mol on pH 14. Seega jäävad mõõdetud pH väärtused üldiselt vahemikku 0 kuni 14, kuigi pH väärtused ja väärtused on negatiivsed. üle 14 on täiesti võimalikud.
Palju sõltub lahuse happesusest. Kuna pH on logaritmiline skaala, võrdub ühe pH-ühiku erinevus vesinikioonide kontsentratsiooni kümnekordse erinevusega. Neutraalsus PH ei ulatu päris 7-ni (temperatuuril 25 °C), kuigi enamikul juhtudel on see hea ligikaudne väärtus. Neutraalsus on defineeritud kui tingimus, milles [H+]=[OH-]. Kuna vee iseionisatsioon hoiab nende kontsentratsioonide korrutist [H+] × [OH-]=Kw, siis on näha, et neutraalsuse juures [H+]=[OH-]=√Kw või pH=pKw / 2.
PKw on ligikaudu 14, kuid sõltub ioontugevusest ja temperatuurist, seega on oluline ka keskkonna pH väärtus, mis peaks olema neutraalnetasemel. Puhas vesi ja NaCl lahus puhtas vees on neutraalsed, kuna vee dissotsiatsioonil tekib mõlemat iooni sama palju. Neutraalse NaCl lahuse pH erineb aga pisut neutraalse puhta vee pH-st, kuna vesiniku- ja hüdroksiidioonide aktiivsus sõltub ioontugevusest, seega muutub Kw sõltuv alt ioontugevusest.
Taimed
Sõltuvaid taimseid pigmente, mida saab kasutada pH indikaatoritena, leidub paljudes taimedes, sealhulgas hibisk, punane kapsas (antotsüaniin) ja punane vein. Tsitrusviljamahl on happeline, kuna sisaldab sidrunhapet. Teisi karboksüülhappeid leidub paljudes elussüsteemides. Näiteks piimhapet toodab lihaste aktiivsus. Fosfaadi derivaatide, nagu ATP, protoneerimise olek sõltub pH keskkonna happesusest. Hemoglobiini hapnikuülekande ensüümi toimimist mõjutab pH protsessis, mida nimetatakse juureefektiks.
Merevesi
Merevees on pH tavaliselt piiratud vahemikus 7,5–8,4. See mängib olulist rolli ookeani süsinikuringes ja on tõendeid ookeani jätkuvast hapestumisest, mille põhjuseks on süsinikdioksiidi heitkogused. pH mõõtmise muudavad aga keeruliseks merevee keemilised omadused ja keemilises okeanograafias on mitu erinevat pH-skaalat.
Erilahendused
Happesuse (pH) skaala operatiivse määratluse osana määratleb IUPAC rea puhverlahuseid pH vahemikus (mida sageli nimetatakse ka kuiNBS või NIST). Nendel lahustel on suhteliselt madal ioontugevus (≈0,1) võrreldes mereveega (≈0,7) ja seetõttu ei soovitata neid kasutada merevee pH iseloomustamisel, kuna ioontugevuse erinevused põhjustavad muutusi elektroodi potentsiaalis. Selle probleemi lahendamiseks on välja töötatud alternatiivsed kunstlikul mereveel põhinevad puhvrid.
See uus seeria lahendab proovide ja puhvrite ioontugevuse erinevuste probleemi ning uut keskmise happesuse pH-skaalat nimetatakse ühiseks skaalaks, mida sageli nimetatakse pH-ks. Üldine skaala määrati sulfaadiioone sisaldava söötme abil. Need ioonid kogevad protoneerimist, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, nii et koguskaala hõlmab nii prootonite (vabade vesinikuioonide) kui ka vesiniksulfiidioonide mõju:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Alternatiivne vaba skaala, mida sageli nimetatakse pHF-iks, jätab selle arvesse võtmata ja keskendub ainult [H+]F-le, muutes selle põhimõtteliselt vesinikioonide kontsentratsiooni lihtsamaks. Määrata saab ainult [H+] T, seega [H+] F tuleks hinnata [SO2-4] ja stabiilsuskonstandi HSO-4 abil, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Kuid merevees on KS-i raske hinnata, mis piirab lihtsama vaba skaala kasulikkust.
Teine skaala, mida tuntakse merevee skaalana, mida sageli nimetatakse pHSWS-iks, võtab arvesse edasist prootoni sidet vesinikioonide ja fluoriidioonide vahel, H+ + F- ⇌HF. Tulemuseks on järgmine avaldis [H+] SWS jaoks:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Kuid selle täiendava keerukuse arvestamise eelised sõltuvad söötme fluorisisaldusest. Näiteks merevees leidub sulfaadiioone palju suuremates kontsentratsioonides (> 400 korda) kui fluori kontsentratsioon. Seetõttu on enamikul praktilistel eesmärkidel erinevus tavalise skaala ja merevee skaala vahel väga väike.
Järgmised kolm võrrandit võtavad kokku kolm pH-skaalat:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Praktilisest vaatenurgast erinevad happelise keskkonna (või merevee) kolm pH-skaalat oma väärtuste poolest kuni 0,12 pH-ühikut ja erinevused on palju suuremad, kui tavaliselt täpsuse jaoks nõutakse. pH mõõtmised, eelkõige seoses ookeani karbonaatsüsteemiga.
