Vrijednost pH vrijednosti igra važnu ulogu za mnoge hemijske i biološke transformacije koje se dešavaju kako u laboratorijama, tako iu proizvodnji, kao iu živim organizmima i životnoj sredini. Broj vodikovih jona ne utiče samo na rezultat bilo koje reakcije, već i na mogućnost njenog nastanka. Za održavanje postavljene pH vrijednosti koriste se puferske otopine. Njihov zadatak je da održavaju ovaj nivo kada razblažuju rastvore ili im dodaju kiseline i alkalije.
PH vode je jedan od znakova kvaliteta vode za različite namjene. U prirodi od toga ovisi razvoj biljaka, agresivnost okoliša na metalne i betonske konstrukcije. Treba imati na umu da pH vrijednost mijenja toksičnost zagađivača za organizme koji žive u rijekama, jezerima, barama.
PH
Ovaj parametar karakteriše sadržaj jona Η+ u rastvorima. Označava se kao pH. Matematički, pH je jednak recipročnom decimalnom logaritmu koncentracije Η+ (CH+,mol/l): rΗ=−lgCH+. Broj H+ jona u vodi određen je disocijacijom H2O molekula, koja se javlja prema izrazu: H2O H ++ OH-.
Uprkos činjenici da se voda obično ne naziva elektrolitima, ona je supstanca koja se slabo disocira. Za to možete napisati konstantu disocijacije: Kd=(SN+·SOH-)/ CH2O. Na t=22 °C, njegova vrijednost je 1.8ˑ10-16.
Ova brojka je toliko mala da se Η+ i OH- joni u vodi mogu zanemariti. Ali u hemiji rastvora, vrednost pH vrednosti je primenljiva za kreiranje pH skale. Razmotrite njegova značenja.
PH skala
Može se koristiti za kvantificiranje kiselosti otopine.
| R vrijednost | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Kvaliteta okoline | kiselo | neutralno | alkalna |
Ph okoline je lako izračunati. Samo trebate znati koncentraciju vodoničnih katjona i koristiti formulu: Cn+=10 , gdje je n pH vrijednost sa suprotnim predznakom. Na primjer, koncentracija H+ u otopini je CH+=10–5 mοl/l. To jest, n=-5, i pH=5.
PH vrijednosti nekih medija i rješenja
Sve u ljudskom okruženju ima svoje specifične pH vrijednosti. Ovo jepomaže različitim sistemima organizma da se lakše nose sa svojim zadacima. Kao što znate, za čistu neutralnu vodu pH vrijednost je 7. Međutim, ljudska koža ima blago kiselu reakciju. Njihov pH=5, 5. Delimično, ova činjenica utiče na pojavu suve kože uz česti kontakt sa vodom. Ispod su pH vrijednosti za neke supstance.
| Supstanca | pΗ |
| Elektrolit baterije | <1.0 |
| želudačni sok | 1, 0-2, 0 |
| Limunov sok | 2, 0 |
| Stono sirće | 2, 4 |
| Cola | 3, 0 |
| Sok od jabuke | 3, 0 |
| Kafa | 5, 0 |
| Šamponi | 5, 5 |
| Crni čaj | 5, 5 |
| Ljudska koža | 5, 5 |
| Kisela kiša | <5, 6 |
| Pljuvačka | 6, 5 |
| mlijeko | 6, 7 |
| Vοda | 7, 0 |
| Krv | 7, 36 |
| Mοrskaya vοda | 8, 0 |
| Tvrdi sapun | 9, 5 |
| Bleach (izbjeljivač) | 12, 5 |
Vrste rješenja
Vodeni rastvori, kao što je već pomenuto gore, mogu imati neutralan, kiseli ili alkalni medij za reakciju. Činjenica da je kiselost rastvora zbog prisustva H+ jona, a alkalnost zbog OH- jona, nijeznači da ne sadrže druge. U kiselim sredinama moguće je detektovati višak jona vodonika, au alkalnim medijima višak hidroksidnih jona.
U neutralnim otopinama pH vrijednost je 7. To znači da je koncentracija H+ u njima 10–7 mol/l, ali u isto vrijeme, sadržaj hidroksidnih anjona je također 10–7 mοl/l. Drugim riječima, u neutralnim otopinama nema viška Η+ ili OΗ- jona.
Jonski proizvod vode
Zašto pH može biti između 1 i 14? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, vrijedi se vratiti na izraz za konstantu disocijacije. Transformirajući ga, možemo napisati Kd·SN2O=SN+·S OH-. Vrijednost Kd je poznata, a koncentracija molekula vode može se lako izračunati. Uzimajući u obzir vodu kao rastvor H2O u H2O, njenu molarnu koncentraciju možete saznati tako što ćete napraviti proporciju: 18 g H 2 O - 1 mol, 1000 g N2O - x mol. Dakle, x=1000/18=55,6 ml/l. Ova konstanta je označena kao Kw i naziva se jonski proizvod vode.
Dalje, pomnožite vrijednost Kd sa pronađenom vrijednošću: 55, 6 1, 8ˑ10–16=SΗ+ SOΗ–; 10–14=SΗ+·SOΗ–. To jest, možemo napisati: Kw=SΗ+ SOΗ–=10–14.
Ova vrijednost je dovela do zaključka da je pΗ + pOΗ=14, što je odgovor na gornje pitanje.
Kisela sredina
Sve jake kiselinenepovratno disocira u vodi. Dakle, hlorovodonična kiselina se potpuno razlaže na katjone Η+ i hloridne anjone Cl-: ΗCl=Η++ Cl-. Ako se 1ˑ10-2 mοl ΗCl doda u 1 litar vode, tada će koncentracija Η+ iona također biti jednaka 1. 10-2 mοl. Odnosno, za takvo rješenje pH vrijednost je 2.
Slabe kiseline se reverzibilno disociraju, odnosno, kao u slučaju vode, neki od suprotno nabijenih jona se rekombinuju u molekule kiseline. Na primjer, ugljena kiselina se razlaže na sljedeće jone: 3-. Ne samo da se svi molekuli ne razdvajaju, već i oni koji su se ponovo raspali čine jedinstvenu cjelinu. Stoga se za pronalaženje pH kiselina koristi konstanta disocijacije.
Pored toga, jačina kiseline može se indirektno procijeniti iz pH otopine: što je veći, to je niža pΗ vrijednost.
Alkalno okruženje
Prilikom rastvaranja baza u vodi, njihova disocijacija počinje pojavom hidroksidnih anjona. Oni stupaju u interakciju sa H+ jonima, koji su prisutni u neutralnoj čistoj vodi. To dovodi do smanjenja njihove koncentracije, odnosno do povećanja pH.
Na primjer: NaOΗ=Na++ OΗ-; Η++ OΗ-=Η2O.
U rastvoru natrijum hidroksida sa koncentracijom od 1ˑ10-2 mοl/l pojavljuje se 1ˑ10-2mol/l hidroksidni anjoni. Koncentracija kationa Η+ u takvom rastvoru biće jednaka 1ˑ10-12 mοl/l, a pΗ ima vrednost 12.
U svim rješenjima baza, broj kationa H+ je uvijek manji od 1ˑ10-7 mοl/l, a pH vrijednost je veća od 7.
Određivanje pH indikatora
Jedan od najlakših načina da se približno odredi pH otopine je korištenje univerzalnih indikatorskih traka. Upoređujući njihovu boju sa indikatorskom skalom, koja se pojavljuje nakon potapanja u radnu otopinu, moguće je procijeniti koncentraciju jona Η+. Univerzalni indikator je mješavina nekoliko supstanci koja mijenja boju uzastopno od crvene do ljubičaste (kao u dugi) sa smanjenjem kiselosti.
Glavni nedostaci ove metode je nemogućnost određivanja pH u obojenim ili mutnim rastvorima, kao i samo približna procena koncentracije jona Η+ u rastvoru.
Za još grublje određivanje pH medijuma koriste se različiti indikatori. Najčešće se koriste lakmus, metilnarandža, fenolftalein i drugi. Promjenom njihove boje možete saznati samo da li je ispitivana kompozicija kisela, alkalna ili neutralna.
| Indikator | pΗ<7 | pΗ=7 | pΗ>7 |
| Litmus | crvena | ljubičasta | plava |
| Fenolftalein | bezbojno | bezbojno | malina |
| Metilnarandža | ružičasta | narandža | žuta |
Mjerenje pH pomoću instrumenata
Mnogo preciznija vrijednost koncentracije jona Η+, a time i pH otopine, može se pronaći pomoću pH metra. Ova metoda analize naziva se potenciometrijska. Zasniva se na mjerenju potencijala elektrode i određivanju odnosa između njegove vrijednosti i koncentracije komponente u ispitnom rastvoru. Potencijal elektrode nastaje zbog elektrohemijskog procesa koji se odvija na interfejsu metal-rastvor.
Za izvođenje mjerenja, galvanska ćelija se sastoji od dvije polu-ćelije sa elektrodama, od kojih je potencijal jedne unaprijed poznat. Zatim se mjeri EMF. Najčešće se određivanje pH u vodenim otopinama provodi pomoću srebrnog klorida i staklenih elektroda. Prva je referentna elektroda. Vrijednost potencijala sekunde ovisi o koncentraciji jona Η+ u otopini.
Također, pH vrijednost u laboratorijama se određuje kolorimetrijski. Ova metoda se zasniva na sposobnosti dvobojnih indikatora da mijenjaju svoju boju ili intenzitet boje u zavisnosti od sadržaja vodonikovih katjona. Boja koja se pojavljuje u rastvoru upoređuje se sa standardnom skalom, koja je sastavljena na osnovu podataka o rastvorima sa poznatom pH vrednošću.
Razlozi za mjerenje pH
Oni su:
1. Za proizvodnjuproizvodi sa željenim svojstvima. U toku procesa proizvodnje, odstupanja od pH vrednosti procesa mogu izazvati poremećaje koji dovode do promene karakteristika proizvoda. Ovi pokazatelji mogu biti ukus ili izgled.
2. Za smanjenje troškova. U nekim industrijama, prinos proizvoda direktno ili indirektno zavisi od pH reakcionog medija. Shodno tome, što je veći prinos produkta reakcije, to je niža njegova cijena.
3. Za potrebe zaštite rada ili životne sredine. Pošto mnoga jedinjenja pokazuju svoja štetna svojstva samo pri određenom pH, veoma je važno kontrolisati njihovu vrednost.
4. Za ispunjavanje standarda proizvoda. U mnogim regulatornim dokumentima koji standardiziraju kvalitetu robe, proizvoda, lijekova itd., postoji lista pokazatelja kojih se moraju pridržavati. Jedan od njih je pH. Dakle, njegova definicija u određenoj mjeri doprinosi zaštiti stanovništva od štetnih supstanci.
5. Za zaštitu opreme. Većina proizvodne opreme koja dolazi u kontakt sa hemikalijama podložna je koroziji. Brzina njegovog razvoja u velikoj meri zavisi od pH vrednosti. Drugim riječima, pH mjerenje je važno za zaštitu proizvodne opreme od nepotrebnog oštećenja.
6. U istraživačke svrhe. Nivo pH je važan za proučavanje različitih biohemijskih procesa. Također se mjeri u medicinske svrhe kako bi se potvrdila određena dijagnoza.
Matematička definicija pH
Za poravnanjeOdređivanje pH rastvora zahteva podatke o molarnoj koncentraciji kationa Η+ ili OΗ--anion. Ako su poznate, možete odmah koristiti jednu od formula:
- pΗ=- lg[Η+].
- rOΗ=-lg[OΗ-].
- pΗ + pOΗ=14.
Koncentraciju jona u mol/l u otopini elektrolita lako je pronaći jednadžbom:
Cm ion=Smˑαˑ⋅n, gdje je:
Sm ion i Sm – molarne koncentracije jona i elektrolita, respektivno (mοl/l).
α - stepen disocijacije.
n - broj jona dotičnog tipa, koji nastaje pri raspadu samo jednog molekula elektrolita.
Stepen disocijacije slabih elektrolita može se odrediti Ostwaldovim zakonom razblaženja: α=√(Kd/Cm).
Primjeri rješavanja problema
1. Potrebno je izračunati pH 0,001N otopine NaOH.
Rješenje: Pošto je natrijum hidroksid jak elektrolit, njegova disocijacija u vodenom rastvoru je nepovratna. To ide prema jednadžbi: NaOΗ → Na + OΗ.
Koristite formulu Cm ion=Cmˑαˑn. Uzimamo stepen disocijacije jednak 1. Kada se uništi jedan molekul NaOH, formira se jedan jon OH-, što znači n=1. Cm prema stanju problema je poznat i jednak je 0, 001 ili 10-3. Otuda COH−=10-3ˑ1ˑ1=10-3.
Koncentracija Η+ jona može se odrediti iz relacije=10–14. Transformacijom formule dobijamo –14/10-3=10–11. Zatim možemo izračunati pH: pΗ=-lg10-11=11.
Odgovor: pH=11.
2. Potrebno je izračunati [Η+] i [OH-], ako je u datom rastvoru pH=4, 3.
Rješenje: Najlakši način je prvo pronaći koncentraciju vodikovih katjona: [Η+]=10-rΗ=10 -4, 3=5ˑ10-5 mοl/l.
Koncentracija hidroksidnih anjona se prikladno nalazi iz omjera jonskog proizvoda vode: Η+=10–14/5ˑ10 -5=2ˑ10–10 mοl /l.
Odgovor: 5ˑ10-5 mοl/l i 2ˑ10–10 mοl/l.
