در شیمی، pH یک مقیاس لگاریتمی است که برای تعیین اسیدیته یک محیط استفاده می شود. این تقریباً لگاریتم پایه منفی 10 غلظت مولی است که بر حسب واحد مول در لیتر یون هیدروژن اندازه گیری می شود. همچنین می توان آن را نشانگر اسیدی بودن محیط نامید. به طور دقیق تر، این لگاریتم پایه منفی 10 فعالیت یون هیدروژن است. در دمای 25 درجه سانتیگراد محلولهای با pH کمتر از 7 اسیدی و محلولهای با pH بیشتر از 7 بازی هستند. مقدار pH خنثی وابسته به دما است و با افزایش دما کمتر از 7 است. آب خالص خنثی، pH=7 (در دمای 25 درجه سانتیگراد)، نه اسیدی و نه قلیایی است. برخلاف تصور رایج، مقدار pH می تواند به ترتیب برای اسیدها و بازهای بسیار قوی کمتر از 0 یا بیشتر از 14 باشد.
برنامه
اندازه گیری pH در زراعت، پزشکی، شیمی، تصفیه آب و بسیاری از زمینه های دیگر مهم است.
مقیاس pH مربوط به مجموعه ای از محلول های استاندارد است که اسیدیته آنها توسط استانداردهای بین المللی تعیین شده است.توافق. استانداردهای pH اولیه با استفاده از یک سلول غلظت انتقال با اندازه گیری اختلاف پتانسیل بین یک الکترود هیدروژن و یک الکترود استاندارد مانند کلرید نقره تعیین می شود. pH محلول های آبی را می توان با یک الکترود شیشه ای و یک pH متر یا نشانگر اندازه گیری کرد.
افتتاحیه
مفهوم pH برای اولین بار توسط شیمیدان دانمارکی سورن پیتر لوریتس سورنسن در آزمایشگاه کارلزبرگ در سال 1909 معرفی شد و در سال 1924 به سطح pH فعلی برای تطبیق با تعاریف و اندازه‌گیری‌ها از نظر سلول‌های الکتروشیمیایی اصلاح شد. در آثار اولیه، علامت گذاری حرف H را با حروف کوچک p داشت که به معنای pH بود.
منشأ نام
معنای دقیق p مورد بحث است، اما طبق نظر بنیاد کارلسبرگ، pH به معنای "قدرت هیدروژن" است. همچنین پیشنهاد شده است که p مخفف کلمه آلمانی potenz ("قدرت") است، برخی دیگر به puisance فرانسوی (همچنین به معنای "قدرت" است، بر اساس این واقعیت که آزمایشگاه کارلسبرگ فرانسوی بوده است) اشاره دارد. پیشنهاد دیگر این است که p به اصطلاح لاتین pondus hydroii (مقدار هیدروژن)، potentio hydroii (ظرفیت هیدروژن) یا هیدرولی پتانسیل (پتانسیل هیدروژن) اشاره دارد. همچنین پیشنهاد می شود که سورنسن از حروف p و q (معمولاً حروف مزدوج در ریاضیات) به سادگی برای نشان دادن راه حل آزمایشی (p) و حل مرجع (q) استفاده می کند. در حال حاضر، در شیمی، p مخفف لگاریتم اعشاری است، و همچنین در اصطلاح pKa استفاده می شود، که برای ثابت های تفکیک اسیدیته یک محیط استفاده می شود.
کمک های آمریکایی
باکتری شناس آلیس ایوانز، که به دلیل تأثیر کارش بر روی محصولات لبنی و ایمنی مواد غذایی شناخته شده است، ویلیام منسفیلد کلارک و همکارانش را به دلیل توسعه روش هایی برای اندازه گیری pH در دهه 1910، که متعاقباً تأثیر گسترده ای بر آزمایشگاهی و صنعتی گذاشت، اعتبار بخشید. استفاده کنید. او در خاطراتش اشاره ای نمی کند که کلارک و همکارانش در سال های قبل چقدر از کارهای سورنسن اطلاع داشتند. قبلاً در آن زمان، دانشمندان به طور فعال در حال بررسی موضوع اسیدیته / قلیایی بودن محیط بودند.
تاثیر اسید
توجه دکتر کلارک به تأثیر اسید بر رشد باکتری معطوف شد. و به لطف این، او ایده علم آن زمان در مورد شاخص هیدروژن اسیدیته محیط را تکمیل کرد. او دریافت که شدت اسید از نظر غلظت یون های هیدروژن است که بر رشد آنها تأثیر می گذارد. اما روش‌های موجود برای اندازه‌گیری اسیدیته یک محیط، مقدار اسید را تعیین می‌کنند، نه شدت اسید. سپس دکتر کلارک با همکارانش روش های دقیقی برای اندازه گیری غلظت یون های هیدروژن ابداع کرد. این روش ها جایگزین روش تیتراسیون غیردقیق برای تعیین اسید در آزمایشگاه های بیولوژیکی در سراسر جهان شده است. همچنین مشخص شده است که آنها را می توان در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و سایر فرآیندهایی که در آنها به طور گسترده استفاده می شود استفاده کرد.
جنبه عملی
اولین روش اندازه گیری الکترونیکی pH توسط آرنولد اورویل بکمن، استاد موسسه فناوری کالیفرنیا، در سال 1934 ابداع شد. در این مرحله بود که پرورش دهنده مرکبات محلیسانکیست روش بهتری برای آزمایش سریع pH لیموهایی که از باغ‌های اطراف برداشت کرده بودند می‌خواست. تأثیر اسیدیته محیط همیشه در نظر گرفته می شد.
برای مثال، برای محلولی با فعالیت یون هیدروژن 5 × 10 –6 (در این سطح، در واقع تعداد مول های یون هیدروژن است. در هر لیتر محلول)، 1 / (5 × 10-6)=2 × 105 به دست می آوریم. بنابراین، چنین محلولی دارای pH 5.3 است. اعتقاد بر این است که جرم های یک مول آب، یک مول یون هیدروژن و یک مول یون هیدروکسید به ترتیب 18 گرم، 1 گرم و 17 گرم هستند، مقدار 107 مول خالص (pH 7) آب حاوی حدود 1 گرم یون هیدروژن تفکیک شده است (یا به طور دقیق تر، 19 گرم H3O + یون هیدرونیوم) و 17 گرم یون هیدروکسید.
نقش دما
توجه داشته باشید که pH به دما بستگی دارد. به عنوان مثال، در 0 درجه سانتیگراد pH آب خالص 7.47 است، در دمای 25 درجه سانتیگراد 7 و در 100 درجه سانتیگراد 6.14 است.
پتانسیل الکترود زمانی متناسب با pH است که pH بر حسب فعالیت تعریف شود. اندازه گیری دقیق pH در استاندارد بین المللی ISO 31-8 ارائه شده است.
یک سلول گالوانیکی برای اندازه گیری نیروی محرکه الکتریکی (EMF) بین الکترود مرجع و الکترود سنجش فعالیت یون هیدروژن زمانی که هر دو در یک محلول آبی غوطه ور می شوند پیکربندی شده است. الکترود مرجع ممکن است یک شی کلرید نقره یا یک الکترود کالومل باشد. یک الکترود انتخابی یون هیدروژن برای این کاربردها استاندارد است.
برای عملی کردن این فرآیند، از الکترود شیشه ای به جای الکترود هیدروژنی حجیم استفاده می شود. اودارای یک الکترود مرجع داخلی است. همچنین در برابر محلول های بافری با فعالیت یون هیدروژن شناخته شده کالیبره شده است. IUPAC استفاده از مجموعه‌ای از محلولهای بافر با فعالیت H+ را پیشنهاد کرد. دو یا چند محلول بافر برای توضیح این واقعیت استفاده می شود که شیب ممکن است کمی کمتر از ایده آل باشد. برای اجرای این رویکرد کالیبراسیون، ابتدا الکترود در یک محلول استاندارد غوطه ور می شود و PH سنج بر روی مقدار بافر استاندارد تنظیم می شود.
بعدی چیست؟
خوانده شده از محلول بافر استاندارد دوم سپس با استفاده از کنترل شیب تصحیح می شود تا با سطح pH آن محلول برابر باشد. هنگامی که بیش از دو محلول بافر استفاده می شود، الکترود با برازش مقادیر pH مشاهده شده در یک خط مستقیم در برابر مقادیر بافر استاندارد کالیبره می شود. محلول های بافر استاندارد تجاری معمولاً با اطلاعاتی در مورد مقدار 25 درجه سانتی گراد و ضریب تصحیح برای سایر دماها ارائه می شود.
ویژگی تعریف
مقیاس pH لگاریتمی است و بنابراین، pH یک کمیت بدون بعد است که اغلب از جمله برای اندازه گیری اسیدیته محیط داخلی سلول استفاده می شود. این تعریف اولیه سورنسن بود که در سال 1909 جایگزین شد.
با این حال، اگر الکترود بر حسب غلظت یون هیدروژن کالیبره شود، می توان به طور مستقیم غلظت یون هیدروژن را اندازه گیری کرد. یکی از راه های انجام این کار که بسیار مورد استفاده قرار گرفته است، تیتر کردن محلولی با غلظت شناخته شده استاسید قوی با محلولی با غلظت مشخص از یک قلیایی قوی در حضور غلظت نسبتاً بالایی از یک الکترولیت حمایت کننده. از آنجایی که غلظت اسید و قلیایی مشخص است، محاسبه غلظت یون هیدروژن آسان است تا بتوان پتانسیل را با مقدار اندازه گیری شده مرتبط کرد.
نشانگرها را می توان برای اندازه گیری pH با استفاده از تغییر رنگ آنها استفاده کرد. مقایسه بصری رنگ محلول آزمایش با مقیاس رنگی استاندارد امکان اندازه گیری pH را با دقت عدد صحیح فراهم می کند. اگر رنگ به روش اسپکتروفتومتری با استفاده از رنگ سنج یا اسپکتروفتومتر اندازه گیری شود، اندازه گیری دقیق تر امکان پذیر است. نشانگر جهانی از مخلوطی از نشانگرها ساخته شده است به طوری که تغییر رنگ دائمی از حدود pH 2 به pH 10 وجود دارد. کاغذ نشانگر جهانی از کاغذ جاذب آغشته به یک نشانگر جهانی ساخته شده است. روش دیگر برای اندازه گیری pH استفاده از pH متر الکترونیکی است.
سطوح اندازه گیری
اندازه گیری pH زیر حدود 2.5 (حدود 0.003 مول اسید) و بالاتر از حدود 10.5 (حدود 0.0003 مول قلیایی) نیاز به روش های خاصی دارد زیرا قانون نرنست در چنین مقادیری هنگام استفاده از الکترود شیشه ای نقض می شود. عوامل مختلفی در این امر نقش دارند. نمی توان فرض کرد که پتانسیل های انتقال مایع مستقل از pH هستند. همچنین pH شدید به این معنی است که محلول متمرکز است، بنابراین پتانسیل های الکترود تحت تأثیر تغییر قدرت یونی قرار می گیرند. در pH بالا، الکترود شیشه ای ممکن استدر معرض خطای قلیایی است زیرا الکترود به غلظت کاتیون‌هایی مانند Na+ و K+ در محلول حساس می‌شود. الکترودهای طراحی شده ویژه ای در دسترس هستند که تا حدی بر این مشکلات غلبه می کنند.
رواناب از معادن یا زباله های معدن می تواند به مقادیر pH بسیار پایین منجر شود.
آب خالص خنثی است. اسیدی نیست. هنگامی که اسید در آب حل می شود، pH کمتر از 7 (25 درجه سانتیگراد) خواهد بود. هنگامی که یک قلیایی در آب حل می شود، pH آن بیشتر از 7 خواهد بود. محلول 1 مول یک اسید قوی مانند اسید کلریدریک دارای PH صفر است. محلول یک قلیایی قوی مانند هیدروکسید سدیم در غلظت 1 مول دارای PH 14 است. بنابراین، مقادیر pH اندازه گیری شده معمولاً در محدوده 0 تا 14 قرار دارد، اگرچه مقادیر و مقادیر pH منفی است. بالاتر از 14 کاملاً ممکن است.
خیلی به اسیدیته محیط محلول بستگی دارد. از آنجایی که pH یک مقیاس لگاریتمی است، اختلاف یک واحد pH معادل ده برابر اختلاف غلظت یون هیدروژن است. PH خنثی کاملاً به 7 (در 25 درجه سانتیگراد) نمی رسد، اگرچه در بیشتر موارد این یک تقریب خوب است. خنثی به عنوان شرایطی تعریف می شود که در آن [H+]=[OH-]. از آنجایی که خودیونیزاسیون آب حاصلضرب این غلظت ها را حفظ می کند [H+] × [OH-]=Kw، می توان مشاهده کرد که در حالت خنثی [H+]=[OH-]=√Kw یا pH=pKw / 2.
PKw تقریباً 14 است، اما به قدرت یونی و دما بستگی دارد، بنابراین مقدار pH محیط نیز مهم است، که باید در حالت خنثی باشد.مرحله. آب خالص و محلول NaCl در آب خالص خنثی هستند زیرا تفکیک آب مقدار یکسانی از هر دو یون را تولید می کند. با این حال، pH محلول NaCl خنثی کمی با pH آب خالص خنثی متفاوت خواهد بود، زیرا فعالیت یون های هیدروژن و هیدروکسید به قدرت یونی بستگی دارد، بنابراین Kw با قدرت یونی متفاوت است.
گیاهان
رنگدانه های گیاهی وابسته که می توانند به عنوان شاخص pH مورد استفاده قرار گیرند در بسیاری از گیاهان از جمله هیبیسکوس، کلم قرمز (آنتوسیانین) و شراب قرمز یافت می شوند. آب مرکبات اسیدی است زیرا حاوی اسید سیتریک است. سایر اسیدهای کربوکسیلیک در بسیاری از سیستم های زنده یافت می شوند. به عنوان مثال، اسید لاکتیک توسط فعالیت ماهیچه ای تولید می شود. وضعیت پروتونه شدن مشتقات فسفات مانند ATP به اسیدیته محیط pH بستگی دارد. عملکرد آنزیم انتقال اکسیژن هموگلوبین تحت تأثیر pH در فرآیندی به نام اثر ریشه است.
آب دریا
در آب دریا، pH معمولاً بین 7.5 تا 8.4 محدود می شود. نقش مهمی در چرخه کربن در اقیانوس دارد، و شواهدی از اسیدی شدن مداوم اقیانوس ها ناشی از انتشار دی اکسید کربن وجود دارد. با این حال، اندازه گیری pH به دلیل خواص شیمیایی آب دریا پیچیده است و چندین مقیاس pH مختلف در اقیانوس شناسی شیمیایی وجود دارد.
راهکارهای ویژه
به عنوان بخشی از تعریف عملیاتی مقیاس اسیدیته (pH)، IUPAC مجموعه‌ای از محلولهای بافر را در محدوده pH تعریف می‌کند (اغلب به آنها اشاره می‌شود. NBS یا NIST). این محلول ها دارای قدرت یونی نسبتاً پایینی (≈0.1) در مقایسه با آب دریا (≈0.7) هستند و در نتیجه برای تعیین pH آب دریا توصیه نمی شوند زیرا تفاوت در قدرت یونی باعث تغییر در پتانسیل الکترود می شود. برای حل این مشکل، یک سری جایگزین از بافرهای مبتنی بر آب مصنوعی دریا ساخته شده است.
این سری جدید مشکل اختلاف قدرت یونی بین نمونه ها و بافرها را حل می کند و مقیاس pH جدید برای اسیدیته متوسط، مقیاس رایج نامیده می شود که اغلب به عنوان pH شناخته می شود. مقیاس کلی با استفاده از محیطی حاوی یون های سولفات تعیین شد. این یون ها پروتونه شدن را تجربه می کنند، H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4، بنابراین مقیاس کل شامل تأثیر هر دو پروتون (یون هیدروژن آزاد) و یون سولفید هیدروژن است:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
مقیاس آزاد جایگزین، که اغلب به عنوان pHF نامیده می شود، این ملاحظات را حذف می کند و منحصراً روی [H+]F تمرکز می کند، و در اصل آن را به نمایش ساده تری از غلظت یون هیدروژن تبدیل می کند. فقط [H+] T را می توان تعیین کرد، بنابراین [H+] F باید با استفاده از [SO2-4] و ثابت پایداری HSO-4، KS: تخمین زده شود.
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
با این حال، تخمین KS در آب دریا دشوار است، که سودمندی مقیاس آزاد ساده‌تر را محدود می‌کند.
مقیاس دیگری، معروف به مقیاس آب دریا، که اغلب به عنوان pHSWS شناخته می شود، پیوند پروتون بیشتر بین یون های هیدروژن و یون های فلوراید، H+ + F- ⇌ را در نظر می گیرد. HF. نتیجه عبارت زیر برای [H+] SWS است:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
با این حال، فایده در نظر گرفتن این پیچیدگی اضافی به محتوای فلوئور محیط بستگی دارد. به عنوان مثال، در آب دریا، یون های سولفات در غلظت های بسیار بالاتر (> 400 برابر) نسبت به غلظت فلوئور یافت می شوند. در نتیجه، برای بیشتر اهداف عملی، تفاوت بین مقیاس رایج و مقیاس آب دریا بسیار ناچیز است.
سه معادله زیر سه مقیاس pH را خلاصه می کند:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- ورود [H+]
از نقطه نظر عملی، سه مقیاس pH یک محیط اسیدی (یا آب دریا) در مقادیر آنها تا 0.12 واحد pH متفاوت است، و تفاوت ها بسیار بزرگتر از آن چیزی است که معمولاً برای دقت لازم است. اندازه گیری pH، به ویژه در رابطه با سیستم کربناته اقیانوس.
