U hemiji, pH je logaritamska skala koja se koristi za određivanje kiselosti medija. Ovo je otprilike negativna baza 10 logaritma molarne koncentracije, mjerena u jedinicama molova po litri vodikovih jona. Može se nazvati i indikatorom kiselosti okoline. Tačnije, to je negativna baza 10 logaritam aktivnosti vodikovih jona. Na 25°C, rastvori sa pH manjim od 7 su kiseli, a rastvori sa pH većim od 7 su bazni. Neutralna pH vrijednost ovisi o temperaturi i manja je od 7 kako temperatura raste. Čista voda je neutralna, pH=7 (na 25°C), nije ni kisela ni alkalna. Suprotno popularnom vjerovanju, pH vrijednost može biti manja od 0 ili veća od 14 za vrlo jake kiseline i baze.
Prijava
Mjerenja pH su važna u agronomiji, medicini, hemiji, tretmanu vode i mnogim drugim oblastima.
PH skala je relevantna za skup standardnih otopina, čija je kiselost utvrđena međunarodnimsporazum. Primarni pH standardi se određuju pomoću ćelije za prijenosnu koncentraciju mjerenjem razlike potencijala između vodikove elektrode i standardne elektrode kao što je srebrni hlorid. pH vodenih rastvora se može meriti staklenom elektrodom i pH metrom ili indikatorom.
Otvaranje
Koncept pH je prvi uveo danski hemičar Søren Peter Laurits Sørensen u Carlsberg laboratoriji 1909. godine i revidiran na trenutni pH nivo 1924. kako bi se prilagodile definicijama i mjerenjima u smislu elektrohemijskih ćelija. U ranim radovima, oznaka je imala slovo H malim slovom p, što znači: pH.
Porijeklo imena
Tačno značenje p je sporno, ali prema Carlsberg fondaciji, pH znači "moć vodonika". Također je sugerirano da p označava njemačku riječ potenz ("moć"), dok se druge odnose na francusku puisance (također znači "moć", na osnovu činjenice da je laboratorija Carlsberg bila francuska). Drugi prijedlog je da se p odnosi na latinski izraz pondus hydroii (količina vodonika), potentio hydroii (kapacitet vodonika) ili potencijal hydroli (potencijal vodika). Također se sugerira da je Sørensen koristio slova p i q (obično konjugirana slova u matematici) jednostavno da označi rješenje testa (p) i referentno rješenje (q). Trenutno, u hemiji, p predstavlja decimalni logaritam, a koristi se i u terminu pKa, koji se koristi za konstante disocijacije kiselosti medija.
američki doprinosi
Bakteriologinja Alice Evans, poznata po utjecaju svog rada na mliječne proizvode i sigurnost hrane, zahvalila je Williamu Mansfieldu Clarku i njegovim kolegama za razvoj metoda za mjerenje pH 1910-ih, koje su kasnije imale veliki utjecaj na laboratorijske i industrijske koristiti. U svojim memoarima, ona ne spominje koliko ili koliko su Clarke i njegove kolege znali o Sorensenovom radu prethodnih godina. Već u to vrijeme naučnici su aktivno proučavali pitanje kiselosti/alkalnosti okoliša.
Utjecaj kiseline
Dr. Clark pažnja je bila usmjerena na učinak kiseline na rast bakterija. I zahvaljujući tome, dopunio je ideju tadašnje nauke o vodoničnom indeksu kiselosti životne sredine. Otkrio je da je intenzitet kiseline u smislu koncentracije vodikovih jona utjecao na njihov rast. Ali postojeće metode za mjerenje kiselosti medija određivale su količinu, a ne intenzitet kiseline. Zatim je sa svojim kolegama dr. Clark razvio precizne metode za mjerenje koncentracije vodikovih jona. Ove metode su zamijenile nepreciznu metodu titracije za određivanje kiseline u biološkim laboratorijama širom svijeta. Također je utvrđeno da se mogu koristiti u mnogim industrijskim i drugim procesima u kojima se široko koriste.
Praktični aspekt
Prvu elektronsku metodu mjerenja pH izmislio je Arnold Orville Beckman, profesor na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, 1934. godine. U tom trenutku lokalni uzgajivač citrusaSunkist je želio bolju metodu za brzo testiranje pH vrijednosti limuna koje su ubrali iz obližnjih voćnjaka. Uticaj kiselosti medijuma je uvek uzet u obzir.
Na primjer, za otopinu s aktivnošću vodikovih jona od 5 × 10–6 (na ovom nivou, ovo je, u stvari, broj molova vodikovih jona po litru rastvora), dobijamo 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Dakle, takav rastvor ima pH 5,3. Veruje se da su mase mol vode, mol vodonikovih jona i mol hidroksidnih jona su 18 g, 1 g i 17 g, količina čistih 107 mola (pH 7) vode sadrži oko 1 g disociranih vodikovih jona (ili, tačnije, 19 g H3O + hidronijum joni) i 17 g hidroksidnih jona.
Uloga temperature
Napominjemo da pH zavisi od temperature. Na primjer, na 0 °C pH čiste vode je 7,47, na 25 °C je 7, a na 100 °C je 6,14.
Potencijal elektrode je proporcionalan pH kada je pH definisan u smislu aktivnosti. Precizno mjerenje pH vrijednosti predstavljeno je u međunarodnom standardu ISO 31-8.
Galvanska ćelija je konfigurisana za mjerenje elektromotorne sile (EMF) između referentne elektrode i elektrode za mjerenje aktivnosti vodikovih jona kada su obje uronjene u istu vodenu otopinu. Referentna elektroda može biti predmet srebrnog klorida ili kalomelna elektroda. Selektivna elektroda za jone vodika je standardna za ove aplikacije.
Da bi se ovaj proces proveo u praksi, koristi se staklena elektroda umjesto glomazne vodonične elektrode. Onima ugrađenu referentnu elektrodu. Takođe je kalibrisan prema puferskim rastvorima sa poznatom aktivnošću jona vodonika. IUPAC je predložio korištenje seta puferskih otopina s poznatom H+ aktivnošću. Dva ili više puferskih rješenja se koriste kako bi se objasnila činjenica da nagib može biti nešto manji od idealnog. Da bi se implementirao ovaj pristup kalibraciji, elektroda se prvo uroni u standardnu otopinu i očitavanje pH metra se postavlja na vrijednost standardnog pufera.
Šta je sljedeće?
Očitavanje iz druge standardne puferske otopine se zatim korigira korištenjem kontrole nagiba da bude jednako pH nivou za tu otopinu. Kada se koristi više od dvije puferske otopine, elektroda se kalibrira postavljanjem promatranih pH vrijednosti na pravu liniju u odnosu na standardne vrijednosti pufera. Komercijalne standardne puferske otopine obično se isporučuju s informacijama o vrijednosti na 25 °C i faktoru korekcije koji se primjenjuje za druge temperature.
Definicijska karakteristika
PH skala je logaritamska i stoga je pH bezdimenzionalna veličina, koja se često koristi, između ostalog, za mjerenje kiselosti unutrašnjeg okruženja ćelije. Ovo je bila originalna Sorensenova definicija, koja je zamijenjena 1909.
Međutim, moguće je direktno izmjeriti koncentraciju vodikovih iona ako je elektroda kalibrirana u smislu koncentracija vodikovih jona. Jedan od načina da se to učini, koji se široko koristi, je titriranje otopine poznate koncentracijejaka kiselina sa rastvorom poznate koncentracije jake alkalije u prisustvu relativno visoke koncentracije pratećeg elektrolita. Pošto su poznate koncentracije kiselina i alkalija, lako je izračunati koncentraciju vodikovih jona tako da se potencijal može povezati sa izmjerenom vrijednošću.
Indikatori se mogu koristiti za mjerenje pH vrijednosti koristeći činjenicu da se njihova boja mijenja. Vizuelno poređenje boje test rastvora sa standardnom skalom boja omogućava merenje pH sa celobrojnom tačnošću. Preciznija mjerenja su moguća ako se boja mjeri spektrofotometrijski pomoću kolorimetra ili spektrofotometra. Univerzalni indikator se sastoji od mješavine indikatora tako da postoji trajna promjena boje od oko pH 2 do pH 10. Univerzalni indikatorski papir je napravljen od upijajućeg papira koji je impregniran univerzalnim indikatorom. Druga metoda za mjerenje pH je korištenje elektronskog pH metra.
Nivoi mjerenja
Mjerenje pH ispod oko 2,5 (oko 0,003 mola kiseline) i iznad oko 10,5 (oko 0,0003 mola alkalije) zahtijeva posebne procedure jer se pri takvim vrijednostima krši Nernstov zakon kada se koristi staklena elektroda. Tome doprinose različiti faktori. Ne može se pretpostaviti da su potencijali tranzicije tekućine neovisni o pH. Takođe, ekstremni pH znači da je rastvor koncentrisan, tako da na potencijale elektrode utiče promena jonske snage. Pri visokom pH može biti staklena elektrodapodložan alkalnoj grešci jer elektroda postaje osjetljiva na koncentraciju kationa kao što su Na+ i K+ u otopini. Dostupne su posebno dizajnirane elektrode koje djelimično prevazilaze ove probleme.
Oticanje iz rudnika ili rudničkog otpada može rezultirati vrlo niskim pH vrijednostima.
Čista voda je neutralna. Nije kiselo. Kada se kiselina otopi u vodi, pH će biti ispod 7 (25°C). Kada se lužina otopi u vodi, pH će biti veći od 7. 1 mol otopine jake kiseline kao što je hlorovodonična kiselina ima pH nula. Otopina jake alkalije kao što je natrijum hidroksid u koncentraciji od 1 mol ima pH 14. Dakle, izmjerene pH vrijednosti će uglavnom ležati u rasponu od 0 do 14, iako su negativne pH vrijednosti i vrijednosti iznad 14 je sasvim moguće.
Mnogo zavisi od kiselosti rastvora. Budući da je pH logaritamska skala, razlika od jedne pH jedinice je ekvivalentna desetostrukoj razlici u koncentraciji vodikovih jona. Neutralnost PH ne dostiže sasvim 7 (na 25 °C), iako je u većini slučajeva to dobra aproksimacija. Neutralnost se definiše kao stanje u kojem je [H+]=[OH-]. Budući da samojonizacija vode zadržava proizvod ovih koncentracija [H+] × [OH-]=Kw, može se vidjeti da je pri neutralnosti [H+]=[OH-]=√Kw ili pH=pKw / 2.
PKw je otprilike 14, ali zavisi od jonske snage i temperature, tako da je pH vrijednost medija također bitna, koja bi trebala biti neutralnanivo. Čista voda i rastvor NaCl u čistoj vodi su neutralni jer disocijacija vode proizvodi istu količinu oba jona. Međutim, pH neutralne otopine NaCl bit će malo drugačiji od pH neutralne čiste vode, budući da aktivnost vodikovih i hidroksidnih jona ovisi o ionskoj snazi, tako da Kw varira s ionskom snagom.
Biljke
Zavisni biljni pigmenti koji se mogu koristiti kao pH indikatori nalaze se u mnogim biljkama, uključujući hibiskus, crveni kupus (antocijanin) i crno vino. Sok od citrusa je kiseo jer sadrži limunsku kiselinu. Druge karboksilne kiseline nalaze se u mnogim živim sistemima. Na primjer, mliječna kiselina se proizvodi mišićnom aktivnošću. Stanje protonacije derivata fosfata, kao što je ATP, zavisi od kiselosti pH medija. Na funkcioniranje enzima za prijenos kisika u hemoglobinu utječe pH u procesu poznatom kao efekt korijena.
Morska voda
U morskoj vodi, pH je obično ograničen na između 7,5 i 8,4. On igra važnu ulogu u ciklusu ugljika u okeanu, a postoje dokazi o tekućem zakiseljavanju oceana uzrokovanom emisijom ugljičnog dioksida. Međutim, mjerenje pH je komplikovano hemijskim svojstvima morske vode, a postoji nekoliko različitih pH skala u hemijskoj okeanografiji.
Posebna rješenja
Kao dio operativne definicije skale kiselosti (pH), IUPAC definira niz puferskih otopina u pH opsegu (često se nazivaNBS ili NIST). Ova rješenja imaju relativno nisku ionsku snagu (≈0,1) u usporedbi s morskom vodom (≈0,7) i kao rezultat toga se ne preporučuju za upotrebu u pH karakterizaciji morske vode jer razlike u ionskoj snazi uzrokuju promjene u potencijalu elektrode. Da bi se riješio ovaj problem, razvijena je alternativna serija pufera na bazi umjetne morske vode.
Ova nova serija rješava problem razlike jonske jačine između uzoraka i pufera, a nova pH skala za srednju kiselost naziva se uobičajena skala, koja se često naziva pH. Ukupna skala je određena korištenjem medija koji sadrži sulfatne ione. Ovi joni doživljavaju protonaciju, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, tako da ukupna skala uključuje uticaj i protona (slobodni vodikovi joni) i jona vodonik sulfida:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Alternativna slobodna skala, koja se često naziva pHF, izostavlja ovo razmatranje i fokusira se isključivo na [H+]F, što ga u principu čini jednostavnijim prikazom koncentracije vodikovih jona. Može se odrediti samo [H+] T, tako da [H+] F treba procijeniti pomoću [SO2-4] i konstante stabilnosti HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Međutim, teško je procijeniti KS u morskoj vodi, ograničavajući korisnost jednostavnije besplatne skale.
Druga skala, poznata kao skala morske vode, koja se često naziva pHSWS, uzima u obzir dalju protonsku vezu između vodikovih iona i jona fluorida, H+ + F- ⇌HF. Rezultat je sljedeći izraz za [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Međutim, prednost razmatranja ove dodatne složenosti zavisi od sadržaja fluora u medijumu. Na primjer, u morskoj vodi, sulfatni joni se nalaze u mnogo većim koncentracijama (> 400 puta) od koncentracija fluora. Kao posljedica toga, za većinu praktičnih razloga, razlika između obične skale i skale morske vode je vrlo mala.
Sljedeće tri jednadžbe sumiraju tri pH skale:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- zapisnik [H+]
S praktične tačke gledišta, tri pH skale kiselog okruženja (ili morske vode) razlikuju se u svojim vrednostima do 0,12 pH jedinica, a razlike su mnogo veće nego što je obično potrebno za tačnost pH mjerenja, posebno u odnosu na karbonatni sistem oceana.
