В химията pH е логаритмична скала, използвана за определяне на киселинността на среда. Това е приблизително логаритъмът с отрицателна основа 10 на моларната концентрация, измерен в единици молове на литър водородни йони. Може да се нарече и индикатор за киселинността на околната среда. По-точно, това е логаритъмът с отрицателна основа 10 на активността на водородните йони. При 25°C разтворите с рН по-малко от 7 са киселинни, а разтворите с рН по-високо от 7 са основни. Неутралната стойност на pH зависи от температурата и е по-малка от 7 при повишаване на температурата. Чистата вода е неутрална, pH=7 (при 25°C), нито кисела, нито алкална. Противно на общоприетото схващане, стойността на pH може да бъде по-малка от 0 или по-голяма от 14 съответно за много силни киселини и основи.
Заявление
Измерванията на pH са важни в агрономията, медицината, химията, пречистването на водата и много други области.
Скалата на pH е подходяща за набор от стандартни разтвори, чиято киселинност е установена от международнитеспоразумение. Първичните стандарти за pH се определят с помощта на клетка за трансферна концентрация чрез измерване на потенциалната разлика между водороден електрод и стандартен електрод, като сребърен хлорид. pH на водните разтвори може да се измери със стъклен електрод и pH метър или индикатор.
Отваряне
Концепцията за pH е въведена за първи път от датския химик Søren Peter Laurits Sørensen в лабораторията Carlsberg през 1909 г. и е ревизирана до текущото ниво на pH през 1924 г., за да се приспособят дефинициите и измерванията по отношение на електрохимичните клетки. В ранните произведения обозначението имаше буквата H с малки букви p, което означава: pH.
Произход на името
Точното значение на p е оспорено, но според фондация Carlsberg, pH означава "силата на водорода". Предполага се също, че p означава немската дума potenz („мощност“), други се отнасят до френската puisance (също означаваща „сила“, въз основа на факта, че лабораторията на Карлсберг е френска). Друго предположение е, че p се отнася до латинския термин pondus hydroii (количество водород), potentio hydroii (капацитет на водород) или потенциал hydroli (водороден потенциал). Предполага се също, че Сьоренсен е използвал буквите p и q (обикновено конюгирани букви в математиката) просто за обозначаване на тестово решение (p) и референтно решение (q). Понастоящем в химията p означава десетичен логаритъм и също се използва в термина pKa, използван за константи на дисоциация на киселинността на средата.
Американски принос
Бактериологът Алис Евънс, известна с влиянието на работата си върху млечните продукти и безопасността на храните, приписва на Уилям Мансфийлд Кларк и неговите колеги за разработването на методи за измерване на pH през 1910-те, които впоследствие оказват голямо влияние върху лабораторните и промишлените използвайте. В мемоарите си тя не споменава колко или малко Кларк и неговите колеги са знаели за работата на Соренсен през предходните години. Още по това време учените активно изучават въпроса за киселинността/алкалността на околната среда.
Влияние на киселина
Вниманието на д-р Кларк беше насочено към ефекта на киселината върху бактериалния растеж. И благодарение на това той допълни идеята на тогавашната наука за водородния индекс на киселинността на околната среда. Той установи, че интензитетът на киселината по отношение на концентрацията на водородни йони влияе върху техния растеж. Но съществуващите методи за измерване на киселинността на среда определят количеството, а не интензитета на киселината. След това с колегите си д-р Кларк разработва прецизни методи за измерване на концентрацията на водородните йони. Тези методи замениха неточния метод на титруване за определяне на киселини в биологични лаборатории по целия свят. Установено е също, че те могат да се използват в много промишлени и други процеси, в които са широко използвани.
Практичен аспект
Първият електронен метод за измерване на pH е изобретен от Арнолд Орвил Бекман, професор в Калифорнийския технологичен институт, през 1934 г. Именно в този момент местният производител на цитрусови плодовеSunkist искаше по-добър метод за бързо тестване на pH на лимоните, които събраха от близките овощни градини. Винаги се взема предвид влиянието на киселинността на средата.
Например, за разтвор с активност на водородните йони 5 × 10–6 (на това ниво това всъщност е броят на моловете водородни йони на литър разтвор), получаваме 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. По този начин, такъв разтвор има pH 5,3. Смята се, че масите на мол вода, мол водородни йони и мол хидроксидни йони са съответно 18 g, 1 g и 17 g, количеството чисти 107 мола (pH 7) вода съдържа около 1 g дисоциирани водородни йони (или, по-точно, 19 g H3O + хидрониеви йони) и 17 g хидроксидни йони.
Ролята на температурата
Обърнете внимание, че pH зависи от температурата. Например при 0 °C pH на чистата вода е 7,47. При 25 °C е 7, а при 100 °C е 6,14.
Електродният потенциал е пропорционален на pH, когато pH е дефинирано по отношение на активността. Точното измерване на pH е представено в международния стандарт ISO 31-8.
Галваничната клетка е конфигурирана да измерва електродвижещата сила (EMF) между референтния електрод и електрода за измерване на активността на водородните йони, когато и двата са потопени в един и същ воден разтвор. Референтният електрод може да бъде предмет от сребърен хлорид или каломелен електрод. Селективен електрод за водородни йони е стандартен за тези приложения.
За да се приложи този процес на практика, се използва стъклен електрод вместо обемист водороден електрод. Тойима вграден референтен електрод. Също така е калибриран спрямо буферни разтвори с известна активност на водородните йони. IUPAC предложи използването на набор от буферни разтвори с известна Н+ активност. Използват се два или повече буферни решения, за да се отчете фактът, че наклонът може да бъде малко по-малък от идеалния. За да се приложи този подход за калибриране, електродът първо се потапя в стандартен разтвор и показанието на pH метъра се настройва на стойността на стандартния буфер.
Какво следва?
Отчитането от втория стандартен буферен разтвор след това се коригира с помощта на контрол на наклона, за да бъде равно на нивото на pH за този разтвор. Когато се използват повече от два буферни разтвора, електродът се калибрира чрез монтиране на наблюдаваните стойности на pH към права линия спрямо стандартните стойности на буфера. Търговските стандартни буферни разтвори обикновено се доставят с информация за стойността при 25 °C и коефициента на корекция, който трябва да се приложи за други температури.
Определителна характеристика
Скалата на pH е логаритмична и следователно pH е безразмерна величина, често използвана, наред с други неща, за измерване на киселинността на вътрешната среда на клетката. Това беше оригиналното определение на Соренсен, което беше заменено през 1909 г.
Въпреки това е възможно директно да се измери концентрацията на водородни йони, ако електродът е калибриран по отношение на концентрациите на водородни йони. Един от начините за това, който е широко използван, е да се титрува разтвор с известна концентрациясилна киселина с разтвор с известна концентрация на силна основа в присъствието на относително висока концентрация на поддържащ електролит. Тъй като киселинните и алкалните концентрации са известни, е лесно да се изчисли концентрацията на водородни йони, така че потенциалът да може да бъде свързан с измерената стойност.
Индикаторите могат да се използват за измерване на pH, като се използва фактът, че цветът им се променя. Визуалното сравнение на цвета на тестовия разтвор със стандартна цветова скала позволява рН да се измерва с целочислена точност. По-точни измервания са възможни, ако цветът се измерва спектрофотометрично с колориметър или спектрофотометър. Универсалният индикатор е съставен от смес от индикатори, така че да има постоянна промяна на цвета от около pH 2 до pH 10. Универсалната индикаторна хартия е направена от абсорбираща хартия, която е импрегнирана с универсален индикатор. Друг метод за измерване на pH е използването на електронен pH метър.
Нива на измерване
Измерването на pH под около 2,5 (около 0,003 мола киселина) и над около 10,5 (около 0,0003 мола алкали) изисква специални процедури, тъй като законът на Нернст се нарушава при такива стойности, когато се използва стъклен електрод. Различни фактори допринасят за това. Не може да се приеме, че течните преходни потенциали са независими от pH. Също така, екстремно рН означава, че разтворът е концентриран, така че потенциалите на електрода се влияят от промяната в йонната сила. При високо pH стъкленият електрод може да бъдеподлежи на алкална грешка, тъй като електродът става чувствителен към концентрацията на катиони като Na+ и K+ в разтвор. Предлагат се специално проектирани електроди, които частично преодоляват тези проблеми.
Отичането от мини или отпадъци от мините може да доведе до много ниски стойности на pH.
Чистата вода е неутрална. Не е кисела. Когато киселината се разтвори във вода, рН ще бъде под 7 (25°C). Когато алкалите се разтварят във вода, рН ще бъде по-голямо от 7. 1 mol разтвор на силна киселина, като солна киселина, има pH нула. Разтвор на силна алкална основа като натриев хидроксид при концентрация от 1 mol има pH 14. По този начин измерените стойности на pH обикновено ще лежат в диапазона от 0 до 14, въпреки че отрицателните стойности на pH и стойности над 14 са напълно възможни.
Много зависи от киселинността на средата на разтвора. Тъй като pH е логаритмична скала, разликата от една pH единица е еквивалентна на десет пъти разликата в концентрацията на водородни йони. Неутралност PH не достига съвсем 7 (при 25 °C), въпреки че в повечето случаи това е добро приближение. Неутралността се дефинира като състояние, при което [H+]=[OH-]. Тъй като самойонизацията на водата запазва продукта от тези концентрации [H+] × [OH-]=Kw, може да се види, че при неутралност [H+]=[OH-]=√Kw или pH=pKw / 2.
PKw е приблизително 14, но зависи от йонната сила и температура, така че стойността на pH на средата също има значение, което трябва да бъде неутралнониво. Чистата вода и разтворът на NaCl в чиста вода са неутрални, тъй като дисоциацията на водата произвежда същото количество и от двата йона. Въпреки това, pH на неутрален разтвор на NaCl ще бъде малко по-различно от pH на неутрална чиста вода, тъй като активността на водородните и хидроксидните йони зависи от йонната сила, така че Kw варира в зависимост от йонната сила.
Растения
Зависими растителни пигменти, които могат да се използват като pH индикатори, се намират в много растения, включително хибискус, червено зеле (антоцианин) и червено вино. Цитрусовият сок е кисел, защото съдържа лимонена киселина. Други карбоксилни киселини се намират в много живи системи. Например, млечната киселина се произвежда от мускулната активност. Състоянието на протониране на фосфатните производни, като АТФ, зависи от киселинността на рН средата. Функционирането на ензима за пренос на кислород в хемоглобина се влияе от pH в процес, известен като коренов ефект.
Морска вода
В морската вода рН обикновено е ограничено до между 7,5 и 8,4. То играе важна роля в въглеродния цикъл в океана и има доказателства за продължаващо вкисляване на океана, причинено от емисиите на въглероден диоксид. Въпреки това, измерването на pH е сложно от химичните свойства на морската вода и има няколко различни pH скали в химическата океанография.
Специални решения
Като част от оперативната дефиниция на скалата за киселинност (pH), IUPAC дефинира серия от буферни разтвори в диапазона на pH (често наричанNBS или NIST). Тези разтвори имат относително ниска йонна сила (≈0,1) в сравнение с морската вода (≈0,7) и в резултат на това не се препоръчват за използване при рН на морската вода, тъй като разликите в йонната сила причиняват промени в потенциала на електрода. За да се реши този проблем, е разработена алтернативна серия от буфери на базата на изкуствена морска вода.
Тази нова серия решава проблема с разликите в йонната сила между пробите и буферите, а новата pH скала за средна киселинност се нарича обща скала, често наричана pH. Цялостната скала се определя с помощта на среда, съдържаща сулфатни йони. Тези йони изпитват протониране, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, така че общата скала включва влиянието както на протони (свободни водородни йони), така и на сероводородни йони:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Алтернативната свободна скала, често наричана pHF, пропуска това съображение и се фокусира изключително върху [H+]F, което по принцип я прави по-просто представяне на концентрацията на водородни йони. Може да се определи само [H+] T, така че [H+] F трябва да се изчисли с помощта на [SO2-4] и константата на стабилност HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Въпреки това е трудно да се оцени KS в морска вода, което ограничава полезността на по-проста безплатна скала.
Друга скала, известна като скалата на морската вода, често наричана pHSWS, взема предвид по-нататъшното протонно свързване между водородните йони и флуоридните йони, H+ + F- ⇌HF. Резултатът е следният израз за [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Въпреки това, ползата от разглеждането на тази допълнителна сложност зависи от съдържанието на флуор в средата. Например, в морската вода сулфатните йони се намират в много по-високи концентрации (> 400 пъти) от концентрациите на флуор. Вследствие на това, за повечето практически цели, разликата между обикновената скала и скалата на морската вода е много малка.
Следните три уравнения обобщават трите pH скали:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
От практическа гледна точка, трите pH скали на кисела среда (или морска вода) се различават по своите стойности до 0,12 pH единици, като разликите са много по-големи, отколкото обикновено се изисква за точността на Измервания на pH, по-специално във връзка с океанската карбонатна система.
