Քիմիայում pH-ը լոգարիթմական սանդղակ է, որն օգտագործվում է միջավայրի թթվայնությունը որոշելու համար: Սա մոտավորապես բացասական բազային 10 լոգարիթմ է մոլային կոնցենտրացիայի, որը չափվում է ջրածնի իոնների մեկ լիտր մոլերով: Այն կարելի է անվանել նաեւ շրջակա միջավայրի թթվայնության ցուցիչ։ Ավելի ճիշտ, դա ջրածնի իոնի ակտիվության բացասական բազային 10 լոգարիթմն է։ 25°C ջերմաստիճանում 7-ից պակաս pH ունեցող լուծույթները թթվային են, իսկ 7-ից ավելի pH-ով լուծույթները՝ հիմնային։ Չեզոք pH արժեքը կախված է ջերմաստիճանից և 7-ից պակաս է, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է: Մաքուր ջուրը չեզոք է, pH=7 (25°C-ում), ոչ թթվային, ոչ ալկալային։ Հակառակ տարածված կարծիքի, pH-ի արժեքը կարող է լինել 0-ից պակաս կամ 14-ից ավելի, համապատասխանաբար, շատ ուժեղ թթուների և հիմքերի համար:
Դիմում
pH-ի չափումները կարևոր են ագրոնոմիայի, բժշկության, քիմիայի, ջրի մաքրման և շատ այլ ոլորտներում:
PH սանդղակը համապատասխանում է ստանդարտ լուծույթների մի շարքին, որոնց թթվայնությունը սահմանվում է միջազգայինհամաձայնագիր։ Առաջնային pH ստանդարտները որոշվում են փոխանցման կոնցենտրացիայի բջիջի միջոցով՝ չափելով ջրածնի էլեկտրոդի և ստանդարտ էլեկտրոդի միջև պոտենցիալ տարբերությունը, ինչպիսին է արծաթի քլորիդը: Ջրային լուծույթների pH-ը կարելի է չափել ապակե էլեկտրոդով և pH մետրով կամ ցուցիչով։
Բացում
pH-ի հայեցակարգն առաջին անգամ ներդրվել է դանիացի քիմիկոս Սորեն Պիտեր Լաուրից Սորենսենի կողմից 1909 թվականին Կարլսբերգի լաբորատորիայում և վերանայվել մինչև ներկայիս pH մակարդակը 1924 թվականին՝ էլեկտրաքիմիական բջիջների սահմանումներն ու չափումները տեղավորելու համար: Վաղ ստեղծագործություններում նշումը ունեցել է H տառը փոքրատառ p, որը նշանակում է pH:
Անվան ծագումը
p-ի ճշգրիտ նշանակությունը վիճարկվում է, սակայն, ըստ Carlsberg հիմնադրամի, pH-ը նշանակում է «ջրածնի ուժ»: Ենթադրվում է նաև, որ p-ը նշանակում է գերմաներեն potenz («իշխանություն») բառը, մյուսները վերաբերում են ֆրանսիական puisance-ին (նաև նշանակում է «ուժ»՝ հիմնվելով այն փաստի վրա, որ Կարլսբերգի լաբորատորիան ֆրանսիական էր): Մեկ այլ առաջարկ է, որ p-ն վերաբերում է լատինական pondus hydroii (ջրածնի քանակ), potentio hydroii (ջրածնի հզորություն) կամ պոտենցիալ հիդրոլի (ջրածնի պոտենցիալ) տերմինին: Առաջարկվում է նաև, որ Սորենսենն օգտագործել է p և q տառերը (սովորաբար մաթեմատիկայի մեջ զուգորդվում են տառերը) պարզապես թեստային լուծումը (p) և հղումային լուծումը (q) նշելու համար: Ներկայումս քիմիայում p-ն նշանակում է տասնորդական լոգարիթմ և օգտագործվում է նաև pKa տերմինում, որն օգտագործվում է միջավայրի թթվայնության դիսոցման հաստատունների համար:
Ամերիկյան ներդրումներ
Մանրէաբան Էլիս Էվանսը, որը հայտնի է կաթնամթերքի և սննդամթերքի անվտանգության վրա իր աշխատանքի ազդեցությամբ, Վիլյամ Մենսֆիլդ Քլարքին և նրա գործընկերներին վերագրել է 1910-ականներին pH-ի չափման մեթոդներ մշակելու համար, որոնք հետագայում լայն ազդեցություն ունեցան լաբորատոր և արդյունաբերական վրա։ օգտագործել. Իր հուշերում նա չի նշում, թե Քլարկը և նրա գործընկերները որքան կամ քիչ գիտեին Սորենսենի աշխատանքի մասին նախորդ տարիներին: Արդեն այդ ժամանակ գիտնականները ակտիվորեն ուսումնասիրում էին շրջակա միջավայրի թթվայնության/ալկալայնության հարցը։
Թթվի ազդեցություն
Դոկտոր Քլարկի ուշադրությունն ուղղված էր թթվի ազդեցությանը բակտերիաների աճի վրա: Եվ դրա շնորհիվ նա լրացրեց այն ժամանակվա գիտության գաղափարը շրջակա միջավայրի թթվայնության ջրածնի ինդեքսի մասին: Նա պարզեց, որ ջրածնի իոնների կոնցենտրացիայի առումով թթվի ինտենսիվությունն է ազդել դրանց աճի վրա: Սակայն միջավայրի թթվայնությունը չափելու գոյություն ունեցող մեթոդները որոշում են թթվի քանակությունը, այլ ոչ թե ինտենսիվությունը: Հետո իր գործընկերների հետ դոկտոր Քլարկը մշակեց ջրածնի իոնների կոնցենտրացիան չափելու ճշգրիտ մեթոդներ։ Այս մեթոդները փոխարինել են ամբողջ աշխարհի կենսաբանական լաբորատորիաներում թթվի որոշման ոչ ճշգրիտ տիտրման մեթոդին: Պարզվել է նաև, որ դրանք կարող են օգտագործվել բազմաթիվ արդյունաբերական և այլ գործընթացներում, որոնցում դրանք լայնորեն կիրառվում են:
Գործնական ասպեկտ
PH-ի չափման առաջին էլեկտրոնային մեթոդը հայտնագործվել է Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտի պրոֆեսոր Առնոլդ Օրվիլ Բեքմանի կողմից 1934 թվականին: Հենց այս պահին էլ տեղի ցիտրուսային աճեցնողըՍանկիստը ցանկանում էր ավելի լավ մեթոդ գտնել կիտրոնի pH-ն արագ ստուգելու համար, որը նրանք հավաքել էին մոտակա այգիներից: Միշտ հաշվի է առնվել միջավայրի թթվայնության ազդեցությունը։
Օրինակ, ջրածնի իոնային ակտիվությամբ 5 × 10 –6 լուծույթի համար (այս մակարդակում, ըստ էության, սա ջրածնի իոնների մոլերի թիվն է. մեկ լիտր լուծույթի համար մենք ստանում ենք 1 / (5 × 10-6)=2 × 105: Այսպիսով, նման լուծույթն ունի 5,3 pH: Ենթադրվում է, որ զանգվածները մեկ մոլ ջուր, մեկ մոլ ջրածնի իոններ և մեկ մոլ հիդրօքսիդ իոններ համապատասխանաբար կազմում են 18 գ, 1 գ և 17 գ, մաքուր 107 մոլ (pH 7) ջրի քանակը պարունակում է մոտ 1 գ տարանջատված ջրածնի իոններ (կամ. ավելի ճիշտ՝ 19 գ H3O + հիդրոնիումի իոններ) և 17 գ հիդրօքսիդի իոններ։
Ջերմաստիճանի դերը
Նշեք, որ pH-ը կախված է ջերմաստիճանից: Օրինակ՝ 0 °C-ում մաքուր ջրի pH-ը 7,47 է, 25 °C-ում՝ 7, իսկ 100 °C-ում՝ 6,14։
Էլեկտրոդային պոտենցիալը համաչափ է pH-ին, երբ pH-ը որոշվում է ակտիվության առումով: Ճշգրիտ pH չափումը ներկայացված է ISO 31-8 միջազգային ստանդարտում:
Գալվանական բջիջը կազմաձևված է՝ չափելու էլեկտրաշարժիչ ուժը (EMF) հղման էլեկտրոդի և ջրածնի իոնային ակտիվության ցուցիչ էլեկտրոդի միջև, երբ երկուսն էլ ընկղմված են նույն ջրային լուծույթում: Հղման էլեկտրոդը կարող է լինել արծաթի քլորիդի առարկա կամ կալոմելի էլեկտրոդ: Ջրածնի իոնային ընտրողական էլեկտրոդը ստանդարտ է այս կիրառությունների համար:
Այս գործընթացը գործնականում կիրառելու համար ջրածնային էլեկտրոդի փոխարեն օգտագործվում է ապակե էլեկտրոդ: Նաունի ներկառուցված տեղեկատու էլեկտրոդ: Այն նաև տրամաչափված է ջրածնի իոնային հայտնի ակտիվությամբ բուֆերային լուծույթների նկատմամբ: IUPAC-ն առաջարկել է օգտագործել հայտնի H+ ակտիվությամբ բուֆերային լուծույթների հավաքածու: Երկու կամ ավելի բուֆերային լուծումներ օգտագործվում են հաշվի առնելու այն փաստը, որ թեքությունը կարող է մի փոքր պակաս լինել, քան իդեալականը: Այս տրամաչափման մոտեցումն իրականացնելու համար էլեկտրոդը նախ ընկղմվում է ստանդարտ լուծույթի մեջ և pH մետրի ընթերցումը սահմանվում է ստանդարտ բուֆերի արժեքին:
Ի՞նչ է հաջորդը?
Երկրորդ ստանդարտ բուֆերային լուծույթից ստացված ցուցանիշը այնուհետև ուղղվում է թեքության հսկողության միջոցով, որպեսզի հավասար լինի այդ լուծույթի pH մակարդակին: Երբ օգտագործվում են ավելի քան երկու բուֆերային լուծույթներ, էլեկտրոդը տրամաչափվում է՝ դիտարկված pH արժեքները համապատասխանեցնելով ուղիղ գծին՝ ստանդարտ բուֆերային արժեքներին համապատասխան: Առևտրային ստանդարտ բուֆերային լուծույթները սովորաբար տրամադրվում են 25 °C արժեքի և այլ ջերմաստիճանների համար կիրառվող ուղղիչ գործոնի մասին:
Սահմանման բնութագիր
PH սանդղակը լոգարիթմական է, և, հետևաբար, pH-ն անչափ մեծություն է, որը հաճախ օգտագործվում է, ի թիվս այլ բաների, բջջի ներքին միջավայրի թթվայնությունը չափելու համար: Սա Սորենսենի սկզբնական սահմանումն էր, որը փոխարինվեց 1909 թվականին։
Սակայն հնարավոր է ուղղակիորեն չափել ջրածնի իոնի կոնցենտրացիան, եթե էլեկտրոդը չափորոշված է ջրածնի իոնների կոնցենտրացիաներով: Դա անելու եղանակներից մեկը, որը լայնորեն կիրառվում է, հայտնի կոնցենտրացիայի լուծույթի տիտրումն էուժեղ թթու՝ ուժեղ ալկալիի հայտնի կոնցենտրացիայի լուծույթով, օժանդակ էլեկտրոլիտի համեմատաբար բարձր կոնցենտրացիայի առկայության դեպքում: Քանի որ թթվի և ալկալիների կոնցենտրացիաները հայտնի են, հեշտ է հաշվարկել ջրածնի իոնի կոնցենտրացիան, որպեսզի պոտենցիալը հնարավոր լինի կապված լինել չափված արժեքի հետ:
Ցուցանիշները կարող են օգտագործվել pH-ի չափման համար՝ օգտագործելով այն փաստը, որ դրանց գույնը փոխվում է: Փորձարկման լուծույթի գույնի տեսողական համեմատությունը ստանդարտ գունային սանդղակի հետ թույլ է տալիս չափել pH-ն ամբողջ թվային ճշգրտությամբ: Ավելի ճշգրիտ չափումներ հնարավոր են, եթե գույնը չափվում է սպեկտրոֆոտոմետրիկ եղանակով՝ օգտագործելով գունաչափ կամ սպեկտրոֆոտոմետր: Ունիվերսալ ցուցիչը կազմված է ցուցիչների խառնուրդից, որպեսզի գույնի մշտական փոփոխություն լինի մոտ pH 2-ից մինչև pH 10: Ունիվերսալ ցուցիչ թուղթը պատրաստված է ներծծող թղթից, որը ներծծված է ունիվերսալ ցուցիչով: pH-ի չափման մեկ այլ եղանակ է էլեկտրոնային pH հաշվիչի օգտագործումը:
Չափման մակարդակներ
մոտ 2,5-ից (մոտ 0,003 մոլ թթու) և մոտ 10,5-ից (մոտ 0,0003 մոլ ալկալի) ցածր pH-ի չափումը պահանջում է հատուկ ընթացակարգեր, քանի որ Ներնստի օրենքը խախտվում է նման արժեքներով ապակե էլեկտրոդ օգտագործելիս: Դրան նպաստում են տարբեր գործոններ։ Չի կարելի ենթադրել, որ հեղուկի անցումային պոտենցիալները անկախ են pH-ից: Բացի այդ, ծայրահեղ pH-ը նշանակում է, որ լուծումը կենտրոնացված է, ուստի էլեկտրոդների պոտենցիալների վրա ազդում է իոնային ուժի փոփոխությունը: Բարձր pH-ի դեպքում ապակու էլեկտրոդը կարող է լինելենթակա է ալկալային սխալի, քանի որ էլեկտրոդը զգայուն է դառնում լուծույթում Na+ և K+ կատիոնների կոնցենտրացիայի նկատմամբ։ Առկա են հատուկ նախագծված էլեկտրոդներ, որոնք մասամբ հաղթահարում են այս խնդիրները։
Հանքերից կամ հանքերի թափոններից արտահոսքը կարող է հանգեցնել շատ ցածր pH արժեքների:
Մաքուր ջուրը չեզոք է: Այն թթվային չէ։ Երբ թթուն լուծվում է ջրի մեջ, pH-ը կլինի 7-ից ցածր (25°C): Երբ ալկալին լուծվում է ջրի մեջ, pH-ն ավելի մեծ կլինի, քան 7: Ուժեղ թթվի 1 մոլ լուծույթը, ինչպիսին է աղաթթվին, ունի զրոյական pH: Ուժեղ ալկալիի լուծույթը, ինչպիսին է նատրիումի հիդրօքսիդը 1 մոլ կոնցենտրացիայում, ունի pH 14: Այսպիսով, pH-ի չափված արժեքները հիմնականում կլինեն 0-ից 14-ի սահմաններում, թեև բացասական pH արժեքներն ու արժեքները: 14-ից բարձրը միանգամայն հնարավոր է։
Շատ բան կախված է լուծույթի թթվայնությունից: Քանի որ pH-ը լոգարիթմական սանդղակ է, pH-ի մեկ միավորի տարբերությունը համարժեք է ջրածնի իոնի կոնցենտրացիայի տարբերությանը տասնապատիկին: Չեզոքություն PH-ն այնքան էլ չի հասնում 7-ի (25 °C-ում), թեև շատ դեպքերում դա լավ մոտարկում է: Չեզոքությունը սահմանվում է որպես պայման, որի դեպքում [H+]=[OH-]: Քանի որ ջրի ինքնաիոնացումը պահպանում է այս կոնցենտրացիաների արտադրյալը [H+] × [OH-]=Kw, կարելի է տեսնել, որ չեզոքության դեպքում [H+]=[OH-]=√Kw կամ pH=pKw / 2.:
PKw մոտավորապես 14 է, բայց կախված է իոնային ուժից և ջերմաստիճանից, ուստի կարևոր է նաև միջավայրի pH արժեքը, որը պետք է լինի չեզոք:մակարդակ. Մաքուր ջուրը և մաքուր ջրի մեջ NaCl-ի լուծույթը չեզոք են, քանի որ ջրի տարանջատումը առաջացնում է երկու իոնների նույն քանակությունը: Այնուամենայնիվ, չեզոք NaCl լուծույթի pH-ը փոքր-ինչ տարբերվում է չեզոք մաքուր ջրի pH-ից, քանի որ ջրածնի և հիդրօքսիդի իոնների ակտիվությունը կախված է իոնային ուժից, ուստի Kw-ն տատանվում է իոնային ուժի հետ::
Բույսեր
Կախված բույսերի պիգմենտները, որոնք կարող են օգտագործվել որպես pH-ի ցուցիչ, հայտնաբերված են շատ բույսերում, ներառյալ հիբիսկուսը, կարմիր կաղամբը (անտոցիանինը) և կարմիր գինին: Ցիտրուսային հյութը թթվային է, քանի որ այն պարունակում է կիտրոնաթթու: Այլ կարբոքսիլաթթուներ հայտնաբերված են բազմաթիվ կենդանի համակարգերում: Օրինակ, կաթնաթթուն արտադրվում է մկանային ակտիվությամբ: Ֆոսֆատի ածանցյալների, օրինակ՝ ATP-ի պրոտոնացման վիճակը կախված է pH միջավայրի թթվայնությունից։ Հեմոգլոբինի թթվածնի փոխանցման ֆերմենտի աշխատանքի վրա pH-ն ազդում է գործընթացի վրա, որը հայտնի է որպես արմատային ազդեցություն:
Ծովի ջուր
Ծովի ջրում pH-ը սովորաբար սահմանափակվում է 7,5-ից 8,4-ի սահմաններում: Այն կարևոր դեր է խաղում օվկիանոսում ածխածնի ցիկլում, և առկա են ածխաթթու գազի արտանետումների հետևանքով օվկիանոսների շարունակական թթվացման ապացույցներ: Այնուամենայնիվ, pH-ի չափումը բարդ է ծովի ջրի քիմիական հատկությունների պատճառով, և քիմիական օվկիանոսագրության մեջ կան մի քանի տարբեր pH սանդղակներ:
Հատուկ լուծումներ
Որպես թթվայնության (pH) սանդղակի գործառնական սահմանման մաս, IUPAC-ը սահմանում է բուֆերային լուծույթների մի շարք pH միջակայքում (հաճախ կոչվում է որպես. NBS կամ NIST): Այս լուծույթներն ունեն համեմատաբար ցածր իոնային ուժ (≈0.1)՝ համեմատած ծովի ջրի հետ (≈0.7), և արդյունքում խորհուրդ չի տրվում օգտագործել ծովի ջրի pH բնութագրման մեջ, քանի որ իոնային ուժի տարբերությունները առաջացնում են էլեկտրոդների ներուժի փոփոխություններ: Այս խնդիրը լուծելու համար մշակվել է արհեստական ծովի ջրի վրա հիմնված բուֆերների այլընտրանքային շարք։
Այս նոր շարքը լուծում է նմուշների և բուֆերների միջև իոնային ուժի տարբերությունների խնդիրը, և միջին թթվայնության նոր pH սանդղակը կոչվում է ընդհանուր սանդղակ, որը հաճախ կոչվում է pH: Ընդհանուր մասշտաբը որոշվել է՝ օգտագործելով սուլֆատ իոններ պարունակող միջավայր: Այս իոնները ունենում են պրոտոնացիա՝ H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, ուստի ընդհանուր մասշտաբը ներառում է և՛ պրոտոնների (ազատ ջրածնի իոնների) և՛ ջրածնի սուլֆիդի իոնների ազդեցությունը՝
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Այլընտրանքային ազատ սանդղակը, որը հաճախ կոչվում է pHF, բաց է թողնում այս նկատառումը և կենտրոնանում է բացառապես [H+]F-ի վրա՝ սկզբունքորեն այն դարձնելով ջրածնի իոնի կոնցենտրացիայի ավելի պարզ ներկայացում: Միայն [H+] T-ն կարող է որոշվել, ուստի [H+] F-ը պետք է գնահատվի՝ օգտագործելով [SO2-4] և HSO-4 կայունության հաստատունը, KS::
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Սակայն դժվար է գնահատել K S ծովի ջրի մեջ՝ սահմանափակելով ավելի պարզ ազատ մասշտաբի օգտակարությունը:
Մեկ այլ սանդղակ, որը հայտնի է որպես ծովի ջրի սանդղակ, որը հաճախ կոչվում է pHSWS, հաշվի է առնում հետագա պրոտոնային կապը ջրածնի իոնների և ֆտորիդի իոնների միջև՝ H+ + F- ⇌ՀՖ. Արդյունքը [H+] SWS-ի հետևյալ արտահայտությունն է՝
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Սակայն, այս լրացուցիչ բարդությունը հաշվի առնելու օգուտը կախված է միջավայրի ֆտորի պարունակությունից: Օրինակ՝ ծովի ջրում սուլֆատի իոնները հայտնաբերվում են շատ ավելի բարձր կոնցենտրացիաներով (> 400 անգամ), քան ֆտորի կոնցենտրացիաները։ Որպես հետևանք, շատ գործնական նպատակների համար ընդհանուր մասշտաբի և ծովի ջրի սանդղակի միջև տարբերությունը շատ փոքր է:
Հետևյալ երեք հավասարումներն ամփոփում են pH-ի երեք սանդղակները.
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- մատյան [H+]
Գործնական տեսանկյունից թթվային միջավայրի (կամ ծովի ջրի) pH-ի երեք սանդղակները տարբերվում են իրենց արժեքներով մինչև 0,12 pH միավոր, և տարբերությունները շատ ավելի մեծ են, քան սովորաբար պահանջվում է ճշգրտության համար: pH չափումներ, մասնավորապես՝ կապված օվկիանոսի կարբոնատային համակարգի հետ։
