ქიმიაში, pH არის ლოგარითმული მასშტაბი, რომელიც გამოიყენება გარემოს მჟავიანობის დასადგენად. ეს არის მოლური კონცენტრაციის დაახლოებით უარყოფითი ბაზის 10 ლოგარითმი, რომელიც იზომება მოლთა ერთეულებში წყალბადის იონების ლიტრზე. მას ასევე შეიძლება ეწოდოს გარემოს მჟავიანობის მაჩვენებელი. უფრო ზუსტად, ეს არის წყალბადის იონის აქტივობის უარყოფითი ბაზის 10 ლოგარითმი. 25°C-ზე 7-ზე ნაკლები pH-ის მქონე ხსნარები მჟავეა, ხოლო 7-ზე მეტი pH-ის ხსნარები ძირითადი. ნეიტრალური pH მნიშვნელობა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე და 7-ზე ნაკლებია ტემპერატურის მატებასთან ერთად. სუფთა წყალი ნეიტრალურია, pH=7 (25°C-ზე), არც მჟავე და არც ტუტე. პოპულარული რწმენის საწინააღმდეგოდ, pH მნიშვნელობა შეიძლება იყოს 0-ზე ნაკლები ან 14-ზე მეტი ძალიან ძლიერი მჟავებისა და ფუძეებისთვის, შესაბამისად.
აპლიკაცია
pH-ის გაზომვები მნიშვნელოვანია აგრონომიაში, მედიცინაში, ქიმიაში, წყლის დამუშავებაში და ბევრ სხვა სფეროში.
pH სკალა რელევანტურია სტანდარტული ხსნარების ნაკრებისთვის, რომლის მჟავიანობა დადგენილია საერთაშორისოშეთანხმება. პირველადი pH სტანდარტები განისაზღვრება გადაცემის კონცენტრაციის უჯრედის გამოყენებით წყალბადის ელექტროდსა და სტანდარტულ ელექტროდს შორის პოტენციური სხვაობის გაზომვით, როგორიცაა ვერცხლის ქლორიდი. წყალხსნარების pH შეიძლება გაიზომოს მინის ელექტროდით და pH მეტრით ან ინდიკატორით.
გახსნა
pH კონცეფცია პირველად შემოიღო დანიელმა ქიმიკოსმა სორენ პეტერ ლაურიტს სორენსენმა კარლსბერგის ლაბორატორიაში 1909 წელს და გადაიხედა მიმდინარე pH დონემდე 1924 წელს ელექტროქიმიური უჯრედების განმარტებებისა და გაზომვების დასაკმაყოფილებლად. ადრეულ ნამუშევრებში აღნიშვნას ჰქონდა ასო H მცირე ზომის p, რაც ნიშნავს: pH.
სახელის წარმოშობა
p-ის ზუსტი მნიშვნელობა სადავოა, მაგრამ კარლსბერგის ფონდის თანახმად, pH ნიშნავს "წყალბადის ძალას". ასევე ვარაუდობენ, რომ p ნიშნავს გერმანულ სიტყვას potenz ("ძალა"), სხვები აღნიშნავენ ფრანგულ puisance (ასევე ნიშნავს "ძალაუფლებას", გამომდინარე იქიდან, რომ კარლსბერგის ლაბორატორია ფრანგული იყო). კიდევ ერთი ვარაუდი არის ის, რომ p ეხება ლათინურ ტერმინს pondus hydroii (წყალბადის რაოდენობა), potentio hydroii (წყალბადის სიმძლავრე) ან პოტენციურ ჰიდროლს (წყალბადის პოტენციალი). ასევე ვარაუდობენ, რომ სორენსენმა გამოიყენა ასოები p და q (ჩვეულებრივ ასოებს მათემატიკაში აერთიანებს) უბრალოდ სატესტო ამოხსნის (p) და საცნობარო ამოხსნის (q) აღსანიშნავად. ამჟამად, ქიმიაში, p ნიშნავს ათობითი ლოგარითმს და ასევე გამოიყენება ტერმინში pKa, რომელიც გამოიყენება საშუალო მჟავიანობის დისოციაციის მუდმივებისთვის.
ამერიკული წვლილი
ბაქტერიოლოგი ელის ევანსი, რომელიც ცნობილია რძის პროდუქტებსა და სურსათის უვნებლობაზე მისი მუშაობის გავლენით, უილიამ მენსფილდ კლარკს და მის კოლეგებს მიაკუთვნა 1910-იან წლებში pH-ის გაზომვის მეთოდების შემუშავება, რამაც შემდგომში ფართო გავლენა მოახდინა ლაბორატორიასა და ინდუსტრიაზე. გამოყენება. თავის მოგონებებში ის არ ახსენებს, თუ რამდენი ან რამდენად ცოტა იცოდნენ კლარკმა და მისმა კოლეგებმა სორენსენის მუშაობის შესახებ წინა წლებში. უკვე იმ დროს მეცნიერები აქტიურად სწავლობდნენ გარემოს მჟავიანობის/ტუტეობის საკითხს.
მჟავას გავლენა
დოქტორ კლარკის ყურადღება მიმართული იყო მჟავას ეფექტზე ბაქტერიების ზრდაზე. და ამის წყალობით მან შეავსო მაშინდელი მეცნიერების იდეა გარემოს მჟავიანობის წყალბადის ინდექსის შესახებ. მან აღმოაჩინა, რომ ეს იყო მჟავის ინტენსივობა წყალბადის იონების კონცენტრაციის თვალსაზრისით, რაც გავლენას ახდენდა მათ ზრდაზე. მაგრამ გარემოს მჟავიანობის გაზომვის არსებული მეთოდები განსაზღვრავს მჟავას რაოდენობას და არა ინტენსივობას. შემდეგ კოლეგებთან ერთად დოქტორმა კლარკმა შეიმუშავა წყალბადის იონების კონცენტრაციის გაზომვის ზუსტი მეთოდები. ამ მეთოდებმა ჩაანაცვლა მჟავების განსაზღვრის არაზუსტი ტიტრირების მეთოდი მთელს მსოფლიოში ბიოლოგიურ ლაბორატორიებში. ასევე დადგინდა, რომ მათი გამოყენება შესაძლებელია მრავალ ინდუსტრიულ და სხვა პროცესებში, რომლებშიც ისინი ფართოდ გამოიყენება.
პრაქტიკული ასპექტი
პირველი ელექტრონული pH გაზომვის მეთოდი გამოიგონა არნოლდ ორვილ ბეკმანმა, კალიფორნიის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის პროფესორმა, 1934 წელს. სწორედ ამ დროს ადგილობრივი ციტრუსის მწარმოებელისუნკისტს სურდა უკეთესი მეთოდი ახლომდებარე ბაღებიდან მოპოვებული ლიმონების pH-ის სწრაფად შესამოწმებლად. გარემოს მჟავიანობის გავლენა ყოველთვის იყო გათვალისწინებული.
მაგალითად, წყალბადის იონის აქტივობის 5 × 10 –6 ხსნარისთვის (ამ დონეზე, ეს არის, ფაქტობრივად, წყალბადის იონების მოლი. თითო ლიტრი ხსნარი), ვიღებთ 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. ამრიგად, ასეთ ხსნარს აქვს pH 5,3. ითვლება, რომ მასები მოლი წყალი, მოლი წყალბადის იონები და მოლი ჰიდროქსიდის იონები არის შესაბამისად 18 გ, 1 გ და 17 გ, სუფთა 107 მოლი (pH 7) წყლის რაოდენობა შეიცავს დაახლოებით 1 გ დისოცირებულ წყალბადის იონებს (ან, უფრო ზუსტად, 19 გ H3O + ჰიდრონიუმის იონები) და 17 გ ჰიდროქსიდის იონები.
ტემპერატურის როლი
გაითვალისწინეთ, რომ pH დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. მაგალითად, 0 °C-ზე სუფთა წყლის pH არის 7.47, 25 °C-ზე არის 7, ხოლო 100 °C-ზე არის 6.14..
ელექტროდის პოტენციალი არის pH-ის პროპორციული, როდესაც pH განისაზღვრება აქტივობის მიხედვით. ზუსტი pH გაზომვა წარმოდგენილია საერთაშორისო სტანდარტში ISO 31-8.
გალვანური უჯრედი კონფიგურირებულია ელექტრომოძრავი ძალის (EMF) გასაზომად საცნობარო ელექტროდსა და წყალბადის იონის აქტივობის მგრძნობელ ელექტროდს შორის, როდესაც ორივე ჩაეფლო ერთსა და იმავე წყალხსნარში. საცნობარო ელექტროდი შეიძლება იყოს ვერცხლის ქლორიდის ობიექტი ან კალომელის ელექტროდი. წყალბადის იონის სელექციური ელექტროდი სტანდარტულია ამ აპლიკაციებისთვის.
ამ პროცესის პრაქტიკაში გამოსაყენებლად, ნაყარი წყალბადის ელექტროდის ნაცვლად გამოიყენება მინის ელექტროდი. ისაქვს ჩაშენებული საცნობარო ელექტროდი. ის ასევე დაკალიბრებულია ბუფერული ხსნარებით ცნობილი წყალბადის იონის აქტივობით. IUPAC-მა შემოგვთავაზა ბუფერული ხსნარების კომპლექტის გამოყენება ცნობილი H+ აქტივობით. ორი ან მეტი ბუფერული ხსნარი გამოიყენება იმ ფაქტის გასათვალისწინებლად, რომ დახრილობა შეიძლება იყოს იდეალურზე ოდნავ ნაკლები. ამ კალიბრაციის მიდგომის განსახორციელებლად, ელექტროდი ჯერ ჩაეფლო სტანდარტულ ხსნარში და pH მრიცხველის მაჩვენებელი დაყენებულია სტანდარტული ბუფერის მნიშვნელობაზე.
რა არის შემდეგი?
მეორე სტანდარტული ბუფერული ხსნარის წაკითხვა შემდეგ კორექტირებულია დახრილობის კონტროლის გამოყენებით, რათა იყოს ამ ხსნარის pH დონის ტოლი. როდესაც გამოიყენება ორზე მეტი ბუფერული ხსნარი, ელექტროდი კალიბრირებულია დაკვირვებული pH მნიშვნელობების სწორ ხაზზე სტანდარტული ბუფერული მნიშვნელობების მიმართ. კომერციული სტანდარტული ბუფერული ხსნარებს, როგორც წესი, მიეწოდება ინფორმაცია მნიშვნელობის შესახებ 25 °C-ზე და კორექტირების კოეფიციენტზე, რომელიც გამოიყენება სხვა ტემპერატურისთვის.
განმარტების მახასიათებელი
pH-ის მასშტაბი ლოგარითმულია და, შესაბამისად, pH არის განზომილებიანი სიდიდე, რომელიც ხშირად გამოიყენება, სხვა საკითხებთან ერთად, უჯრედის შიდა გარემოს მჟავიანობის გასაზომად. ეს იყო სორენსენის ორიგინალური განმარტება, რომელიც შეიცვალა 1909 წელს.
თუმცა, შესაძლებელია წყალბადის იონის კონცენტრაციის უშუალოდ გაზომვა, თუ ელექტროდი დაკალიბრებულია წყალბადის იონის კონცენტრაციის მიხედვით. ამის გაკეთების ერთ-ერთი გზა, რომელიც ფართოდ გამოიყენება, არის ცნობილი კონცენტრაციის ხსნარის ტიტრირებაძლიერი მჟავა ძლიერი ტუტეს ცნობილი კონცენტრაციის ხსნარით დამხმარე ელექტროლიტის შედარებით მაღალი კონცენტრაციის არსებობისას. ვინაიდან მჟავისა და ტუტეს კონცენტრაცია ცნობილია, ადვილია წყალბადის იონის კონცენტრაციის გამოთვლა ისე, რომ პოტენციალი შეიძლება დაკავშირებული იყოს გაზომილ მნიშვნელობასთან.
ინდიკატორები შეიძლება გამოყენებულ იქნას pH-ის გასაზომად იმ ფაქტის გამოყენებით, რომ მათი ფერი იცვლება. ტესტის ხსნარის ფერის ვიზუალური შედარება სტანდარტული ფერის მასშტაბით იძლევა pH-ის გაზომვის მთელი რიცხვის სიზუსტით. უფრო ზუსტი გაზომვები შესაძლებელია, თუ ფერი გაზომილია სპექტროფოტომეტრიულად კოლორიმეტრის ან სპექტროფოტომეტრის გამოყენებით. უნივერსალური ინდიკატორი შედგება ინდიკატორების ნაზავისაგან, რათა მოხდეს ფერის მუდმივი ცვლილება pH 2-დან pH 10-მდე. უნივერსალური ინდიკატორის ქაღალდი დამზადებულია შთამნთქმელი ქაღალდისგან, რომელიც გაჟღენთილია უნივერსალური ინდიკატორით. pH-ის გაზომვის კიდევ ერთი მეთოდია ელექტრონული pH მრიცხველის გამოყენება.
გაზომვის დონეები
pH-ის გაზომვა დაახლოებით 2,5 (დაახლოებით 0,003 მოლი მჟავა) და 10,5-ზე მეტი (დაახლოებით 0,0003 მოლი ტუტე) მოითხოვს სპეციალურ პროცედურებს, რადგან ნერნსტის კანონი ასეთ მნიშვნელობებზე ირღვევა მინის ელექტროდის გამოყენებისას. ამას სხვადასხვა ფაქტორი უწყობს ხელს. არ შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ თხევადი გარდამავალი პოტენციალი დამოუკიდებელია pH-ისგან. ასევე, უკიდურესი pH ნიშნავს, რომ ხსნარი კონცენტრირებულია, ამიტომ ელექტროდის პოტენციალზე გავლენას ახდენს იონური სიძლიერის ცვლილება. მაღალი pH-ზე, შუშის ელექტროდი შეიძლება იყოსექვემდებარება ტუტე შეცდომას, რადგან ელექტროდი ხდება მგრძნობიარე კათიონების კონცენტრაციის მიმართ, როგორიცაა Na+ და K+ ხსნარში. ხელმისაწვდომია სპეციალურად შექმნილი ელექტროდები, რომლებიც ნაწილობრივ გადალახავს ამ პრობლემებს.
მაღაროებიდან ან მაღაროს ნარჩენებიდან ჩამონადენი შეიძლება გამოიწვიოს pH-ის ძალიან დაბალი მნიშვნელობები.
სუფთა წყალი ნეიტრალურია. არ არის მჟავე. როდესაც მჟავა წყალში იხსნება, pH იქნება 7 (25°C) ქვემოთ. როდესაც ტუტე წყალში იხსნება, pH იქნება 7-ზე მეტი. ძლიერი მჟავის 1 მოლ ხსნარს, როგორიცაა მარილმჟავა, აქვს pH ნული. ძლიერი ტუტეს ხსნარს, როგორიცაა ნატრიუმის ჰიდროქსიდი 1 მოლი კონცენტრაციით, აქვს pH 14. ამრიგად, გაზომილი pH მნიშვნელობები, როგორც წესი, იქნება 0-დან 14-მდე დიაპაზონში, თუმცა უარყოფითი pH მნიშვნელობები და მნიშვნელობებია. 14-ზე მეტი სავსებით შესაძლებელია.
ბევრი რამ არის დამოკიდებული ხსნარის მჟავიანობაზე. ვინაიდან pH არის ლოგარითმული მასშტაბი, pH-ის ერთი ერთეულის სხვაობა უდრის წყალბადის იონის კონცენტრაციის სხვაობას ათჯერ. ნეიტრალიტეტი PH არ აღწევს 7-ს (25 °C-ზე), თუმცა უმეტეს შემთხვევაში ეს კარგი მიახლოებაა. ნეიტრალიტეტი განისაზღვრება, როგორც მდგომარეობა, რომელშიც [H+]=[OH-]. ვინაიდან წყლის თვითიონიზაცია ინარჩუნებს ამ კონცენტრაციების პროდუქტს [H+] × [OH-]=Kw, ჩანს, რომ ნეიტრალიტეტის დროს [H+]=[OH-]=√Kw ან pH=pKw / 2..
PKw არის დაახლოებით 14, მაგრამ დამოკიდებულია იონურ სიძლიერეზე და ტემპერატურაზე, ამიტომ მნიშვნელოვანია გარემოს pH მნიშვნელობაც, რომელიც უნდა იყოს ნეიტრალურიდონე. სუფთა წყალი და სუფთა წყალში NaCl-ის ხსნარი ნეიტრალურია, რადგან წყლის დისოციაციის შედეგად წარმოიქმნება ორივე იონის იგივე რაოდენობა. თუმცა, ნეიტრალური NaCl ხსნარის pH ოდნავ განსხვავდება ნეიტრალური სუფთა წყლის pH-ისგან, რადგან წყალბადის და ჰიდროქსიდის იონების აქტივობა დამოკიდებულია იონურ სიძლიერეზე, ამიტომ Kw იცვლება იონური სიძლიერით.
მცენარეები
დამოკიდებული მცენარეული პიგმენტები, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც pH ინდიკატორი, გვხვდება ბევრ მცენარეში, მათ შორის ჰიბისკუსში, წითელ კომბოსტოში (ანტოციანინი) და წითელ ღვინოში. ციტრუსის წვენი მჟავეა, რადგან შეიცავს ლიმონმჟავას. სხვა კარბოქსილის მჟავები გვხვდება ბევრ ცოცხალ სისტემაში. მაგალითად, რძემჟავა წარმოიქმნება კუნთების აქტივობით. ფოსფატის წარმოებულების პროტონაციის მდგომარეობა, როგორიცაა ATP, დამოკიდებულია pH გარემოს მჟავიანობაზე. ჰემოგლობინის ჟანგბადის გადაცემის ფერმენტის ფუნქციონირებაზე გავლენას ახდენს pH პროცესი, რომელიც ცნობილია როგორც ფესვის ეფექტი.
ზღვის წყალი
ზღვის წყალში pH ჩვეულებრივ შემოიფარგლება 7.5-დან 8.4-მდე. ის მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ოკეანეში ნახშირბადის ციკლში და არსებობს მტკიცებულება ოკეანის მუდმივი მჟავიანობის შესახებ, რომელიც გამოწვეულია ნახშირორჟანგის ემისიებით. თუმცა, pH-ის გაზომვა რთულდება ზღვის წყლის ქიმიური თვისებებით და ქიმიურ ოკეანოგრაფიაში არსებობს რამდენიმე განსხვავებული pH სკალა.
სპეციალური გადაწყვეტილებები
როგორც მჟავიანობის (pH) მასშტაბის ოპერატიული განსაზღვრის ნაწილი, IUPAC განსაზღვრავს ბუფერული ხსნარების სერიას pH დიაპაზონში (ხშირად მოიხსენიება როგორცNBS ან NIST). ამ ხსნარებს აქვთ შედარებით დაბალი იონური სიძლიერე (≈0.1) ზღვის წყალთან შედარებით (≈0.7) და, შედეგად, არ არის რეკომენდებული ზღვის წყლის pH დახასიათებაში გამოყენება, რადგან იონური სიძლიერის განსხვავება იწვევს ელექტროდის პოტენციალის ცვლილებას. ამ პრობლემის გადასაჭრელად შეიქმნა ბუფერების ალტერნატიული სერია, რომელიც დაფუძნებულია ხელოვნურ ზღვის წყალზე.
ეს ახალი სერია ხსნის ნიმუშებსა და ბუფერებს შორის იონური სიძლიერის განსხვავებების პრობლემას და საშუალო მჟავიანობის ახალ pH სკალას ეწოდება საერთო მასშტაბი, რომელსაც ხშირად უწოდებენ pH. საერთო მასშტაბი განისაზღვრა სულფატის იონების შემცველი გარემოს გამოყენებით. ეს იონები განიცდიან პროტონაციას, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, ამიტომ მთლიანი მასშტაბი მოიცავს ორივე პროტონების (თავისუფალი წყალბადის იონების) და წყალბადის სულფიდის იონების გავლენას:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
ალტერნატიული თავისუფალი შკალა, რომელსაც ხშირად უწოდებენ pHF-ს, გამოტოვებს ამ განხილვას და ფოკუსირებულია ექსკლუზიურად [H+]F-ზე, რაც მას პრინციპში წყალბადის იონის კონცენტრაციის უფრო მარტივ წარმოდგენას ხდის. მხოლოდ [H+] T შეიძლება განისაზღვროს, ამიტომ [H+] F უნდა შეფასდეს [SO2-4] და სტაბილურობის მუდმივი HSO-4, KS: გამოყენებით
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
თუმცა, ძნელია შეფასდეს K S ზღვის წყალში, რაც ზღუდავს უფრო მარტივი თავისუფალი მასშტაბის სარგებლობას.
სხვა მასშტაბი, რომელიც ცნობილია როგორც ზღვის წყლის მასშტაბი, რომელსაც ხშირად უწოდებენ pHSWS, ითვალისწინებს შემდგომ პროტონულ კავშირს წყალბადის იონებსა და ფტორის იონებს შორის, H+ + F- ⇌HF. შედეგი არის შემდეგი გამოხატულება [H+] SWS-ისთვის:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
თუმცა, ამ დამატებითი სირთულის გათვალისწინების სარგებელი დამოკიდებულია გარემოში ფტორის შემცველობაზე. მაგალითად, ზღვის წყალში სულფატის იონები გაცილებით მაღალი კონცენტრაციით გვხვდება (> 400-ჯერ), ვიდრე ფტორის კონცენტრაცია. შედეგად, უმეტესი პრაქტიკული მიზნებისათვის, განსხვავება საერთო მასშტაბსა და ზღვის წყლის მასშტაბებს შორის ძალიან მცირეა.
შემდეგი სამი განტოლება აჯამებს pH-ის სამ სკალას:
pHF=- ჟურნალი [H+] FpHT=- ჟურნალი ([H+] F + [HSO-4])=- ჟურნალი [H+] TpHSWS=- ჟურნალი ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- ჟურნალი [H+]
პრაქტიკული თვალსაზრისით, მჟავე გარემოს (ან ზღვის წყლის) pH-ის სამი მასშტაბი განსხვავდება მათი მნიშვნელობებით 0,12 pH ერთეულამდე და განსხვავებები გაცილებით დიდია, ვიდრე ჩვეულებრივ საჭიროა სიზუსტისთვის. pH გაზომვები, განსაკუთრებით კარბონატული სისტემის ოკეანესთან მიმართებაში.
