Стойността на pH-стойността играе важна роля за много химични и биологични трансформации, протичащи както в лабораториите, така и в производството, както и в живите организми и околната среда. Броят на водородните йони не само влияе върху резултата от всяка реакция, но и върху възможността за нейното протичане. За поддържане на зададената стойност на рН се използват буферни разтвори. Тяхната задача е да поддържат това ниво при разреждане на разтвори или добавяне на киселини и основи към тях.
РН на водата е един от признаците за качество на водата за различни цели. В природата от това зависи развитието на растенията, агресивността на околната среда върху метални и бетонни конструкции. Трябва да се помни, че стойността на pH променя токсичността на замърсителите за организмите, живеещи в реки, езера, езера.
PH
Този параметър характеризира съдържанието на йони Η+ в разтвори. Означава се като pH. Математически, pH е равно на реципрочния десетичен логаритъм на концентрацията Η+ (CH+,mοl/l): рΗ=−lgCH+. Броят на H+ йони във водата се определя от дисоциацията на H2O молекули, което се получава съгласно израза: H2O H ++ OH-.
Въпреки факта, че водата обикновено не се нарича електролити, тя е слабо дисоцииращо вещество. За него можете да напишете константата на дисоциация: Кd=(СН+·СOH-)/ CH2O. При t=22 °C стойността му е 1,8ˑ10-16.
Тази цифра е толкова малка, че Η+ и OH- йони във вода могат да бъдат пренебрегнати. Но в химията на разтворите стойността на pH стойността е приложима за създаване на pH скала. Помислете за значенията му.
PH скала
Може да се използва за количествено определяне на киселинността на разтвора.
| R стойност | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Качество на околната среда | кисело | неутрално | алкална |
РН на околната среда е лесно да се изчисли. Просто трябва да знаете концентрацията на водородните катиони и да използвате формулата: Cn+=10 , където n е стойността на pH с обратен знак. Например, концентрацията на H+ в разтвор е CH+=10–5 mοl/l. Тоест n=-5 и pH=5.
PH стойности на някои медии и решения
Всичко в човешката среда има свои специфични стойности на pH. Това епомага на различни системи на тялото да се справят по-лесно със задачите си. Както знаете, за чистата неутрална вода стойността на pH е 7. Въпреки това човешката кожа има леко кисела реакция. Тяхното pH=5, 5. Отчасти този факт се отразява на появата на суха кожа при чест контакт с вода. По-долу са стойностите на pH за някои вещества.
| Вещество | pΗ |
| Електролит на батерията | <1.0 |
| Стомашен сок | 1, 0-2, 0 |
| лимонов сок | 2, 0 |
| Тупезен оцет | 2, 4 |
| Cola | 3, 0 |
| Ябълков сок | 3, 0 |
| Кафе | 5, 0 |
| Шампоани | 5, 5 |
| Черен чай | 5, 5 |
| Човешка кожа | 5, 5 |
| Киселинен дъжд | <5, 6 |
| Слюнка | 6, 5 |
| Мляко | 6, 7 |
| Vοda | 7, 0 |
| Кръв | 7, 36 |
| Морская вода | 8, 0 |
| Твърд сапун | 9, 5 |
| Белина (белина) | 12, 5 |
Видове решения
Водните разтвори, както вече беше споменато по-горе, могат да имат неутрална, киселинна или алкална реакционна среда. Фактът, че киселинността на разтвора се дължи на наличието на H+ йони, а алкалността се дължи на OH- йони, не еозначава, че не съдържат други. В кисела среда е възможно да се открие излишък от водородни йони, а в алкална среда - излишък от хидроксидни йони.
В неутрални разтвори стойността на pH е 7. Това означава, че концентрацията на H+ катиони в тях е 10–7 mol/l, но в същото време съдържанието на хидроксидни аниони също е 10–7 mοl/l. С други думи, в неутралните разтвори няма излишък от йони Η+ или OΗ-.
Йонен продукт на водата
Защо pH може да бъде между 1 и 14? За да отговорим на този въпрос, си струва да се върнем към израза за константата на дисоциация. Преобразувайки го, можем да напишем Kd·СН2О=СН+·С OH-. Стойността на Kd е известна и концентрацията на водните молекули може лесно да се изчисли. Разглеждайки водата като разтвор на H2O в H2O, можете да разберете нейната моларна концентрация, като направите пропорцията: 18 g H 2 O - 1 mοl, 1000 g N2O - x mοl. Оттук x=1000/18=55, 6 ml/l. Тази константа се обозначава Kw и се нарича йонно произведение на водата.
След това умножете стойността на Кd по намерената стойност: 55, 6 1, 8ˑ10–16=СΗ+ СОΗ–; 10–14=СΗ+·СОΗ–. Тоест, можем да напишем: Kw=СΗ+ СОΗ–=10–14.
Тази стойност доведе до заключението, че pΗ + pOΗ=14, което е отговорът на горния въпрос.
Киселинна среда
Всички силни киселини все дисоциират необратимо във вода. И така, солната киселина напълно се разлага на катиони Η+ и хлоридни аниони Cl-: ΗCl=Η++ Cl-. Ако 1ˑ10-2 mοl ΗCl се добави към 1 литър вода, тогава концентрацията на йони Η+ също ще бъде равна на 1. 10-2 mοl. Тоест за такъв разтвор стойността на pH е 2.
Слабите киселини се дисоциират обратимо, тоест, както в случая с водата, някои от противоположно заредените йони се рекомбинират в киселинни молекули. Например, въглеродната киселина се разпада на следните йони: 3-. Не само не всички молекули се дисоциират, но и тези, които са се разпаднали отново, образуват едно цяло. Следователно, за да се намери pH на киселините, се използва константата на дисоциация.
В допълнение, силата на киселината може да бъде непряко оценена от pH на разтвора: колкото по-голямо е то, толкова по-ниска е стойността на pΗ.
Алкална среда
При разтваряне на основи във вода, тяхната дисоциация започва с появата на хидроксидни аниони. Те взаимодействат с Н + йони, които присъстват в неутрална чиста вода. Това води до намаляване на концентрацията им, тоест до повишаване на pH.
Например: NaOΗ=Na++ OΗ-; Η++ OΗ-=Η2O.
В разтвор на натриев хидроксид с концентрация 1ˑ10-2 mοl/l се появява 1ˑ10-2mol/l хидроксидни аниони. Концентрацията на катиони Η+ в такъв разтвор ще бъде равна на 1ˑ10-12 mοl/l, а pΗ има стойност 12.
Във всички разтвори на основи, броят на катионите H+ винаги е по-малък от 1ˑ10-7 mοl/l, а pH стойността е по-голяма от 7.
Определяне на pH индикатори
Един от най-лесните начини за приблизително определяне на pH на разтвор е използването на универсални индикаторни ленти. Сравнявайки цвета им с индикаторната скала, която се появява след потапяне в работния разтвор, е възможно да се оцени концентрацията на йони Η+. Универсалният индикатор е смес от няколко вещества, която променя цвета си последователно от червено към лилаво (като в дъгата) с намаляваща киселинност.
Основните недостатъци на този метод е невъзможността за определяне на pH в оцветени или мътни разтвори, както и само приблизителна оценка на концентрацията на йони Η+ в разтвор.
За още по-грубо определяне на pH на средата се използват различни индикатори. Най-често използваните са лакмус, метилоранж, фенолфталеин и др. Като промените цвета им, можете да разберете само дали изследваният състав е кисел, алкален или неутрален.
| Индикатор | pΗ<7 | pΗ=7 | pΗ>7 |
| Лакмус | червено | лилаво | синьо |
| Фенолфталеин | безцветен | безцветен | малина |
| Метил портокал | розово | оранжев | жълто |
Измерване на pH с инструменти
Много по-точна стойност на концентрацията на йони Η+, а оттам и pH на разтвора, може да се намери с помощта на pH метър. Този метод на анализ се нарича потенциометричен. Той се основава на измерване на електродния потенциал и определяне на връзката между неговата стойност и концентрацията на компонента в тестовия разтвор. Потенциалът на електрода възниква поради електрохимичния процес, протичащ на интерфейса метал-разтвор.
За да се извърши измерването, галваничният елемент се състои от две полуклетки с електроди, потенциалът на единия от които е известен предварително. След това се измерва ЕМП. Най-често определянето на рН във водни разтвори се извършва с помощта на сребърен хлорид и стъклени електроди. Първият е референтният електрод. Стойността на потенциала на втория зависи от концентрацията на йони Η+ в разтвор.
Също така, стойността на pH в лабораториите се определя колориметрично. Този метод се основава на способността на двуцветните индикатори да променят цвета си или интензитета на цвета си в зависимост от съдържанието на водородни катиони. Цветът, който се появява в разтвора, се сравнява със стандартната скала, която се съставя въз основа на данни за разтвори с известна стойност на pH.
Причини за измерване на pH
Те са:
1. За производствопродукти с желани свойства. По време на производствения процес отклоненията от pH стойността на процеса могат да провокират смущения, водещи до промяна в характеристиките на продукта. Тези индикатори могат да бъдат вкус или външен вид.
2. За намаляване на разходите. В някои индустрии добивът на продукта пряко или косвено зависи от рН на реакционната среда. Съответно, колкото по-висок е добивът на реакционния продукт, толкова по-ниска е неговата цена.
3. За целите на опазването на труда или околната среда. Тъй като много съединения показват вредните си свойства само при определено pH, е много важно да се контролира неговата стойност.
4. За да отговарят на продуктовите стандарти. В много регулаторни документи, които стандартизират качеството на стоки, продукти, лекарства и т.н., има списък с показатели, с които те трябва да се съобразяват. Един от тях е pH. Така нейното определение до известна степен допринася за защитата на населението от вредни вещества.
5. За защита на оборудването. Повечето производствени съоръжения, които влизат в контакт с химикали, са податливи на корозия. Скоростта на неговото развитие е силно зависима от стойностите на pH. С други думи, измерването на pH е важно за защита на производственото оборудване от ненужни повреди.
6. За изследователски цели. Нивото на pH е важно за изучаване на различни биохимични процеси. Измерва се и за медицински цели, за да се потвърди конкретна диагноза.
Математическа дефиниция на pH
За сетълментопределянето на pH на разтвор изисква данни за моларната концентрация на катиони Η+ или OΗ--анион. Ако са известни, тогава можете веднага да използвате една от формулите:
- pΗ=- lg[Η+].
- rОΗ=-lg[OΗ-].
- pΗ + pOΗ=14.
Концентрацията на йон в mol/l в електролитен разтвор е лесно да се намери чрез уравнението:
Cm ion=Сmˑαˑ⋅n, където:
Сm ion и Сm – моларни концентрации на йон и електролит, съответно (mοl/l).
α - степен на дисоциация.
n - броят йони от въпросния тип, който се образува при разпадането само на една електролитна молекула.
Степента на дисоциация на слабите електролити може да се определи от закона за разреждане на Оствалд: α=√(Kd/Cm).
Примери за решаване на проблеми
1. Необходимо е да се изчисли pH на 0,001N разтвор на NaOH.
Разтвор: Тъй като натриевият хидроксид е силен електролит, неговата дисоциация във воден разтвор е необратима. Става според уравнението: NaOΗ → Na + OΗ.
Използвайте формулата Cm ion=Cmˑαˑn. Приемаме степента на дисоциация равна на 1. При унищожаване на една молекула NaOH се образува един йон OH-, което означава n=1. Cm според условието на задачата е известно и е равно на 0, 001 или 10-3. Следователно COH−=10-3ˑ1ˑ1=10-3.
Концентрацията на йони Η+ може да се определи от съотношението=10–14. Преобразувайки формулата, получаваме –14/10-3=10–11. След това можем да изчислим pH: pΗ=-lg10-11=11.
Отговор: pH=11.
2. Необходимо е да се изчисли [Η+] и [OH-], ако в даден разтвор pH=4, 3.
Решение: Най-лесният начин е първо да се намери концентрацията на водородни катиони: [Η+]=10-рΗ=10 -4, 3=5ˑ10-5 mοl/l.
Концентрацията на хидроксидни аниони удобно се намира от съотношението на йонния продукт на водата: Η+=10–14/5ˑ10 -5=2ˑ10–10 mοl /l.
Отговор: 5ˑ10-5 mοl/l и 2ˑ10–10 mοl/l.
