In chemie is pH 'n logaritmiese skaal wat gebruik word om die suurheid van 'n medium te bepaal. Dit is ongeveer die negatiewe basis 10-logaritme van die molêre konsentrasie, gemeet in eenhede van mol per liter waterstofione. Dit kan ook 'n aanduiding van die suurheid van die omgewing genoem word. Meer presies, dit is die negatiewe basis 10-logaritme van waterstofioonaktiwiteit. By 25°C is oplossings met 'n pH minder as 7 suur, en oplossings met 'n pH groter as 7 is basies. Die neutrale pH-waarde is temperatuurafhanklik en is minder as 7 soos die temperatuur styg. Suiwer water is neutraal, pH=7 (by 25°C), nie suur of alkalies nie. In teenstelling met die algemene opvatting, kan die pH-waarde minder as 0 of groter as 14 wees vir onderskeidelik baie sterk sure en basisse.
Aansoek
Metings van pH is belangrik in agronomie, medisyne, chemie, waterbehandeling en baie ander gebiede.
Die pH-skaal is relevant vir 'n stel standaardoplossings, waarvan die suurheid deur die internasionaleooreenkoms. Primêre pH-standaarde word met behulp van 'n oordragkonsentrasiesel bepaal deur die potensiaalverskil tussen 'n waterstofelektrode en 'n standaardelektrode soos silwerchloried te meet. Die pH van waterige oplossings kan met 'n glaselektrode en 'n pH-meter of aanwyser gemeet word.
Opening
Die pH-konsep is die eerste keer deur die Deense chemikus Søren Peter Laurits Sørensen by die Carlsberg-laboratorium in 1909 bekendgestel en in 1924 na die huidige pH-vlak hersien om definisies en metings in terme van elektrochemiese selle te akkommodeer. In die vroeë werke het die notasie die letter H in kleinletter p gehad, wat beteken: pH.
Oorsprong van die naam
Die presiese betekenis van die p word betwis, maar volgens die Carlsberg-stigting beteken pH "die krag van waterstof." Daar is ook voorgestel dat die p staan vir die Duitse woord potenz ("krag"), ander verwys na die Franse puisance (wat ook "krag beteken", gebaseer op die feit dat die Carlsberg-laboratorium Frans was). Nog 'n voorstel is dat p verwys na die Latynse term pondus hydroii (hoeveelheid waterstof), potentio hydroii (kapasiteit van waterstof) of potensiële hydroli (waterstofpotensiaal). Daar word ook voorgestel dat Sørensen die letters p en q (gewoonlik vervoeg letters in wiskunde) bloot gebruik het om toetsoplossing (p) en verwysingsoplossing (q) aan te dui. Tans, in chemie, staan p vir die desimale logaritme, en word ook gebruik in die term pKa, wat gebruik word vir dissosiasiekonstantes van die suurheid van 'n medium.
Amerikaanse bydraes
Bakterioloog Alice Evans, bekend vir die invloed van haar werk op suiwelprodukte en voedselveiligheid, het William Mansfield Clark en sy kollegas gekrediteer vir die ontwikkeling van metodes om pH in die 1910's te meet, wat daarna 'n wye impak op laboratorium en industriële gebruik. In haar memoires noem sy nie hoeveel of hoe min Clarke en sy kollegas van Sorensen se werk in die vorige jare geweet het nie. Reeds op daardie tydstip het wetenskaplikes aktief die kwessie van suurheid / alkaliniteit van die omgewing bestudeer.
Invloed van suur
Dr. Clark se aandag was gerig op die effek van suur op bakteriese groei. En danksy dit het hy die idee van die destydse wetenskap van die waterstofindeks van die suurheid van die omgewing aangevul. Hy het gevind dat dit die intensiteit van die suur in terme van die konsentrasie waterstofione was wat hul groei beïnvloed het. Maar bestaande metodes vir die meting van die suurheid van 'n medium het die hoeveelheid bepaal, nie die intensiteit van die suur nie. Toe, saam met sy kollegas, het dr. Clark presiese metodes ontwikkel om die konsentrasie van waterstofione te meet. Hierdie metodes het die onakkurate titrasiemetode vir suurbepaling in biologiese laboratoriums regoor die wêreld vervang. Daar is ook gevind dat hulle in baie industriële en ander prosesse gebruik kan word waarin hulle wyd gebruik word.
Praktiese aspek
Die eerste elektroniese pH-metingsmetode is in 1934 deur Arnold Orville Beckman, 'n professor by die California Institute of Technology, uitgevind. Dit was op hierdie stadium dat die plaaslike sitrusprodusentSunkist wou 'n beter metode hê om vinnig die pH van die suurlemoene wat hulle uit nabygeleë boorde geoes het, te toets. Die invloed van die suurheid van die medium is altyd in ag geneem.
Byvoorbeeld, vir 'n oplossing met 'n waterstofioonaktiwiteit van 5 × 10–6 (op hierdie vlak is dit in werklikheid die aantal mol waterstofione per liter oplossing), kry ons 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. So 'n oplossing het dus 'n pH van 5.3. Daar word geglo dat die massas van 'n mol water, 'n mol waterstofione en 'n mol hidroksiedione is onderskeidelik 18 g, 1 g en 17 g, die hoeveelheid suiwer 107 mol (pH 7) water bevat ongeveer 1 g gedissosieerde waterstofione (of, meer presies, 19 g H3O + hidroniumione) en 17 g hidroksiedione.
Die rol van temperatuur
Let daarop dat pH temperatuurafhanklik is. Byvoorbeeld, by 0 °C is die pH van suiwer water 7,47. By 25 °C is dit 7, en by 100 °C is dit 6,14.
Elektrodepotensiaal is eweredig aan pH wanneer pH in terme van aktiwiteit gedefinieer word. Akkurate pH-meting word in die internasionale standaard ISO 31-8 aangebied.
'n Galvaniese sel is gekonfigureer om die elektromotoriese krag (EMK) tussen die verwysingselektrode en die waterstofioonaktiwiteit waarneemelektrode te meet wanneer albei in dieselfde waterige oplossing gedompel is. Die verwysingselektrode kan 'n silwerchloriedvoorwerp of 'n kalomelelektrode wees. 'n Waterstofioon selektiewe elektrode is standaard vir hierdie toepassings.
Om hierdie proses in die praktyk toe te pas, word 'n glaselektrode in plaas van 'n lywige waterstofelektrode gebruik. Hyhet 'n ingeboude verwysingselektrode. Dit word ook gekalibreer teen bufferoplossings met bekende waterstofioonaktiwiteit. IUPAC het voorgestel om 'n stel bufferoplossings met bekende H+ aktiwiteit te gebruik. Twee of meer bufferoplossings word gebruik om rekening te hou met die feit dat die helling effens minder as ideaal kan wees. Om hierdie kalibrasiebenadering te implementeer, word die elektrode eers in 'n standaardoplossing gedompel en die pH-meterlesing word op die waarde van die standaardbuffer gestel.
Wat is volgende?
Die lesing van die tweede standaard bufferoplossing word dan met hellingbeheer reggestel om gelyk te wees aan die pH-vlak vir daardie oplossing. Wanneer meer as twee bufferoplossings gebruik word, word die elektrode gekalibreer deur die waargenome pH-waardes op 'n reguit lyn teen standaard bufferwaardes te pas. Kommersiële standaard bufferoplossings word gewoonlik voorsien van inligting oor die waarde by 25 °C en die korreksiefaktor wat vir ander temperature toegepas moet word.
Definisie kenmerk
Die pH-skaal is logaritmies en daarom is pH 'n dimensielose hoeveelheid, wat dikwels onder andere gebruik word om die suurheid van die interne omgewing van die sel te meet. Dit was Sorensen se oorspronklike definisie, wat in 1909 vervang is.
Dit is egter moontlik om die waterstofioonkonsentrasie direk te meet as die elektrode in terme van waterstofioonkonsentrasies gekalibreer is. Een manier om dit te doen, wat wyd gebruik is, is om 'n oplossing met bekende konsentrasie te titreersterk suur met 'n oplossing van 'n bekende konsentrasie van 'n sterk alkali in die teenwoordigheid van 'n relatief hoë konsentrasie van 'n ondersteunende elektroliet. Aangesien die suur- en alkalikonsentrasies bekend is, is dit maklik om die waterstofioonkonsentrasie te bereken sodat die potensiaal met die gemete waarde in verband gebring kan word.
Aanwysers kan gebruik word om pH te meet deur die feit dat hul kleur verander. Visuele vergelyking van die kleur van die toetsoplossing met 'n standaard kleurskaal laat die pH met heelgetal akkuraatheid gemeet word. Meer akkurate metings is moontlik as die kleur spektrofotometries gemeet word met 'n kolorimeter of spektrofotometer. Die universele aanwyser bestaan uit 'n mengsel van aanwysers sodat daar 'n permanente kleurverandering van ongeveer pH 2 tot pH 10 is. Universele aanwyserpapier word gemaak van absorberende papier wat met 'n universele aanwyser geïmpregneer is. Nog 'n metode om pH te meet, is om 'n elektroniese pH-meter te gebruik.
Meetvlakke
Om pH onder ongeveer 2,5 (ongeveer 0,003 mol suur) en bo ongeveer 10,5 (ongeveer 0,0003 mol alkali) te meet, vereis spesiale prosedures omdat Nernst se wet teen sulke waardes oortree word wanneer 'n glaselektrode gebruik word. Verskeie faktore dra daartoe by. Daar kan nie aanvaar word dat vloeistofoorgangspotensiale onafhanklik van pH is nie. Ekstreme pH beteken ook dat die oplossing gekonsentreer is, dus word die elektrodepotensiale beïnvloed deur die verandering in ioniese sterkte. By hoë pH kan die glaselektrode weesonderhewig aan alkaliese foute aangesien die elektrode sensitief word vir die konsentrasie van katione soos Na+ en K+ in oplossing. Spesiaal ontwerpte elektrodes is beskikbaar wat hierdie probleme gedeeltelik oorkom.
Afloop van myne of mynafval kan baie lae pH-waardes tot gevolg hê.
Suiwer water is neutraal. Dit is nie suur nie. Wanneer die suur in water oplos, sal die pH onder 7 (25°C) wees. Wanneer 'n alkali in water oplos, sal die pH groter as 7 wees. 'n 1 mol oplossing van 'n sterk suur soos soutsuur het 'n pH van nul. 'n Oplossing van 'n sterk alkali soos natriumhidroksied by 'n konsentrasie van 1 mol het 'n pH van 14. Dus sal gemete pH-waardes oor die algemeen in die reeks van 0 tot 14 lê, hoewel negatiewe pH-waardes en waardes bo 14 is heel moontlik.
Baie hang af van die suurheid van die oplossingsmedium. Omdat pH 'n logaritmiese skaal is, is 'n verskil van een pH-eenheid gelykstaande aan tien keer die verskil in waterstofioonkonsentrasie. Neutraliteit PH bereik nie heeltemal 7 nie (by 25 °C), hoewel dit in die meeste gevalle 'n goeie benadering is. Neutraliteit word gedefinieer as die toestand waarin [H+]=[OH-]. Aangesien die selfionisasie van water die produk van hierdie konsentrasies hou [H+] × [OH-]=Kw, kan gesien word dat by neutraliteit [H+]=[OH-]=√Kw of pH=pKw / 2.
PKw is ongeveer 14, maar hang af van ioniese sterkte en temperatuur, dus maak die pH-waarde van die medium ook saak, wat op neutraal moet weesvlak. Suiwer water en 'n oplossing van NaCl in suiwer water is neutraal omdat die dissosiasie van water dieselfde hoeveelheid van beide ione produseer. Die pH van 'n neutrale NaCl-oplossing sal egter effens verskil van die pH van neutrale suiwer water, aangesien die aktiwiteit van waterstof- en hidroksiedione afhang van ioniese sterkte, dus verskil Kw met ioniese sterkte.
Plante
Afhanklike plantpigmente wat as pH-aanwysers gebruik kan word, word in baie plante aangetref, insluitend hibiskus, rooikool (antosianien) en rooiwyn. Sitrussap is suur omdat dit sitroensuur bevat. Ander karboksielsure word in baie lewende sisteme aangetref. Melksuur word byvoorbeeld deur spieraktiwiteit geproduseer. Die toestand van protonasie van fosfaatderivate, soos ATP, hang af van die suurheid van die pH-medium. Die werking van die hemoglobien suurstofoordragensiem word deur pH beïnvloed in 'n proses bekend as die worteleffek.
Seewater
In seewater is pH tipies beperk tot tussen 7,5 en 8,4. Dit speel 'n belangrike rol in die koolstofsiklus in die see, en daar is bewyse van voortdurende seeversuring wat deur koolstofdioksiedvrystellings veroorsaak word. Die meting van pH word egter bemoeilik deur die chemiese eienskappe van seewater, en daar is verskeie verskillende pH-skale in chemiese oseanografie.
Spesiale Oplossings
As deel van die operasionele definisie van die suurheid (pH) skaal, definieer IUPAC 'n reeks bufferoplossings in die pH-reeks (dikwels na verwys asNBS of NIST). Hierdie oplossings het 'n relatief lae ioniese sterkte (≈0.1) in vergelyking met seewater (≈0.7) en word gevolglik nie aanbeveel vir gebruik in seewater pH karakterisering nie omdat verskille in ioniese sterkte veranderinge in elektrodepotensiaal veroorsaak. Om hierdie probleem op te los, is 'n alternatiewe reeks buffers wat op kunsmatige seewater gebaseer is, ontwikkel.
Hierdie nuwe reeks los die probleem van ioniese sterkte verskille tussen monsters en buffers op, en die nuwe pH-skaal vir medium suur word die algemene skaal genoem, wat dikwels na verwys word as pH. Die algehele skaal is bepaal met behulp van 'n medium wat sulfaatione bevat. Hierdie ione ervaar protonasie, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, dus die totale skaal sluit die invloed van beide protone (vrye waterstofione) en waterstofsulfiedione in:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Die alternatiewe vrye skaal, wat dikwels na verwys word as die pHF, laat hierdie oorweging weg en fokus uitsluitlik op [H+]F, wat dit in beginsel 'n eenvoudiger voorstelling van waterstofioonkonsentrasie maak. Slegs [H+] T kan bepaal word, dus moet [H+] F geskat word deur gebruik te maak van [SO2-4] en die stabiliteitskonstante HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Dit is egter moeilik om KS in seewater te skat, wat die bruikbaarheid van 'n eenvoudiger vrye skaal beperk.
'n Ander skaal, bekend as die seewaterskaal, wat dikwels na verwys word as pHSWS, neem die verdere protonbinding tussen waterstofione en fluoriedione, H+ + F- ⇌, in agHF. Die resultaat is die volgende uitdrukking vir [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Die voordeel daarvan om hierdie bykomende kompleksiteit te oorweeg, hang egter af van die fluoorinhoud van die medium. Sulfaatione word byvoorbeeld in seewater in baie hoër konsentrasies (> 400 keer) gevind as die konsentrasies fluoor. As gevolg hiervan, vir die meeste praktiese doeleindes, is die verskil tussen die gewone skaal en die seewaterskaal baie klein.
Die volgende drie vergelykings som die drie pH-skale op:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Vanuit 'n praktiese oogpunt verskil die drie pH-skale van 'n suur omgewing (of seewater) in hul waardes tot 0,12 pH-eenhede, en die verskille is baie groter as wat gewoonlik vereis word vir die akkuraatheid van pH-metings, veral met betrekking tot die karbonaatstelsel oseaan.
