V chémii je pH logaritmická stupnica používaná na určenie kyslosti média. Toto je približne záporný 10-základný logaritmus molárnej koncentrácie, meraný v jednotkách mólov na liter vodíkových iónov. Možno ho nazvať aj indikátorom kyslosti prostredia. Presnejšie, je to záporný 10-základný logaritmus aktivity vodíkových iónov. Pri 25 °C sú roztoky s pH nižším ako 7 kyslé a roztoky s pH vyšším ako 7 sú zásadité. Neutrálna hodnota pH závisí od teploty a je nižšia ako 7, keď teplota stúpa. Čistá voda je neutrálna, pH=7 (pri 25°C), nie je kyslá ani zásaditá. Na rozdiel od všeobecného presvedčenia môže byť hodnota pH nižšia ako 0 alebo vyššia ako 14 pre veľmi silné kyseliny a zásady.
Aplikácia
Merania pH sú dôležité v agronómii, medicíne, chémii, úprave vody a mnohých ďalších oblastiach.
Stupnica pH je relevantná pre súbor štandardných roztokov, ktorých kyslosť je stanovená medzinárodnýmdohoda. Primárne štandardy pH sa určujú pomocou prenosovej koncentračnej bunky meraním potenciálneho rozdielu medzi vodíkovou elektródou a štandardnou elektródou, ako je chlorid strieborný. pH vodných roztokov možno merať pomocou sklenenej elektródy a pH metra alebo indikátora.
Otvorenie
Koncept pH prvýkrát predstavil dánsky chemik Søren Peter Laurits Sørensen v laboratóriu Carlsberg v roku 1909 a revidovaný na súčasnú úroveň pH v roku 1924, aby vyhovoval definíciám a meraniam z hľadiska elektrochemických článkov. V raných prácach mala notácia písmeno H s malým písmenom p, čo znamená: pH.
Pôvod mena
Presný význam p je sporný, ale podľa Carlsberg Foundation znamená pH „sila vodíka“. Bolo tiež navrhnuté, že p znamená nemecké slovo potenz ("sila"), iné sa týkajú francúzskeho puisance (tiež znamená "sila", na základe skutočnosti, že laboratórium Carlsberg bolo francúzske). Ďalším návrhom je, že p sa vzťahuje na latinský výraz pondus hydroii (množstvo vodíka), potentio hydroii (kapacita vodíka) alebo potenciálny hydroli (potenciál vodíka). Tiež sa navrhuje, aby Sørensen použil písmená p a q (zvyčajne spojené písmená v matematike) jednoducho na označenie testovaného roztoku (p) a referenčného roztoku (q). V súčasnosti v chémii p znamená dekadický logaritmus a používa sa aj v termíne pKa, ktorý sa používa pre disociačné konštanty kyslosti média.
Americké príspevky
Bakteriologička Alice Evans, známa vplyvom svojej práce na mliečne výrobky a bezpečnosť potravín, pripísala Williamovi Mansfieldovi Clarkovi a jeho kolegom zásluhy za vývoj metód na meranie pH v 10. rokoch 20. storočia, čo malo následne široký vplyv na laboratórne a priemyselné použitie. Vo svojich memoároch nespomína, koľko alebo ako málo Clarke a jeho kolegovia vedeli o Sorensenovej práci v predchádzajúcich rokoch. Už v tom čase vedci aktívne študovali problematiku kyslosti / zásaditosti prostredia.
Vplyv kyseliny
Pozornosť doktora Clarka bola zameraná na účinok kyseliny na rast baktérií. A vďaka tomu doplnil myšlienku vtedajšej vedy o vodíkovom indexe kyslosti prostredia. Zistil, že práve intenzita kyseliny z hľadiska koncentrácie vodíkových iónov ovplyvňuje ich rast. Existujúce metódy merania kyslosti média však určovali množstvo, nie intenzitu kyseliny. Potom Dr. Clark so svojimi kolegami vyvinul presné metódy na meranie koncentrácie vodíkových iónov. Tieto metódy nahradili nepresnú titračnú metódu na stanovenie kyseliny v biologických laboratóriách po celom svete. Tiež sa zistilo, že môžu byť použité v mnohých priemyselných a iných procesoch, v ktorých sú široko používané.
Praktický aspekt
Prvú elektronickú metódu merania pH vynašiel Arnold Orville Beckman, profesor na California Institute of Technology, v roku 1934. Práve na tomto mieste miestny pestovateľ citrusovSunkist chcel lepšiu metódu na rýchle testovanie pH citrónov, ktoré zozbierali z neďalekých sadov. Vždy sa bral do úvahy vplyv kyslosti média.
Napríklad pre roztok s aktivitou vodíkových iónov 5 × 10–6 (na tejto úrovni je to v skutočnosti počet mólov vodíkových iónov na liter roztoku) dostaneme 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Taký roztok má teda pH 5,3. Predpokladá sa, že hmotnosti mól vody, mól vodíkových iónov a mól hydroxidových iónov je 18 g, 1 g a 17 g, množstvo čistých 107 mólov (pH 7) vody obsahuje asi 1 g disociovaných vodíkových iónov (alebo, presnejšie 19 g H3O + hydróniové ióny) a 17 g hydroxidových iónov.
Úloha teploty
Všimnite si, že pH závisí od teploty. Napríklad pri 0 °C je pH čistej vody 7,47, pri 25 °C je 7 a pri 100 °C je 6,14.
Elektródový potenciál je úmerný pH, keď je pH definované z hľadiska aktivity. Presné meranie pH je uvedené v medzinárodnej norme ISO 31-8.
Galvanický článok je nakonfigurovaný na meranie elektromotorickej sily (EMF) medzi referenčnou elektródou a elektródou snímajúcou aktivitu vodíkových iónov, keď sú obe ponorené do rovnakého vodného roztoku. Referenčnou elektródou môže byť predmet z chloridu strieborného alebo kalomelová elektróda. Pre tieto aplikácie je štandardom selektívna elektróda s vodíkovými iónmi.
Na uvedenie tohto procesu do praxe sa namiesto objemnej vodíkovej elektródy používa sklenená elektróda. Onmá zabudovanú referenčnú elektródu. Je tiež kalibrovaný proti tlmivým roztokom so známou aktivitou vodíkových iónov. IUPAC navrhol použiť sadu tlmivých roztokov so známou H+ aktivitou. Na zohľadnenie skutočnosti, že sklon môže byť o niečo menší ako ideálny, sa používajú dva alebo viac tlmivých roztokov. Na implementáciu tohto kalibračného prístupu sa elektróda najprv ponorí do štandardného roztoku a hodnota pH metra sa nastaví na hodnotu štandardného tlmivého roztoku.
Čo ďalej?
Odčítanie z druhého štandardného tlmivého roztoku sa potom koriguje pomocou riadenia sklonu tak, aby sa rovnalo hodnote pH pre tento roztok. Ak sa použijú viac ako dva tlmiace roztoky, elektróda sa kalibruje prispôsobením pozorovaných hodnôt pH na priamku voči štandardným hodnotám tlmivého roztoku. Komerčné štandardné tlmiace roztoky sa zvyčajne dodávajú s informáciou o hodnote pri 25 °C a korekčnom faktore, ktorý sa má použiť pre iné teploty.
charakteristika definície
Stupnica pH je logaritmická, a preto je pH bezrozmerná veličina, ktorá sa často používa okrem iného na meranie kyslosti vnútorného prostredia bunky. Toto bola pôvodná Sorensenova definícia, ktorá bola nahradená v roku 1909.
Je však možné priamo merať koncentráciu vodíkových iónov, ak je elektróda kalibrovaná z hľadiska koncentrácií vodíkových iónov. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, ktorý je široko používaný, je titrácia roztoku so známou koncentráciousilná kyselina s roztokom známej koncentrácie silnej zásady v prítomnosti relatívne vysokej koncentrácie podporného elektrolytu. Keďže koncentrácie kyselín a zásad sú známe, je ľahké vypočítať koncentráciu vodíkových iónov, aby sa potenciál dal priradiť k nameranej hodnote.
Indikátory možno použiť na meranie pH s využitím skutočnosti, že sa mení ich farba. Vizuálne porovnanie farby testovaného roztoku so štandardnou farebnou stupnicou umožňuje meranie pH s celočíselnou presnosťou. Presnejšie merania sú možné, ak sa farba meria spektrofotometricky pomocou kolorimetra alebo spektrofotometra. Univerzálny indikátor je tvorený zmesou indikátorov tak, aby došlo k trvalej zmene farby od cca pH 2 do pH 10. Univerzálny indikátorový papierik je vyrobený zo savého papiera, ktorý je napustený univerzálnym indikátorom. Ďalšou metódou na meranie pH je použitie elektronického pH metra.
Úrovne merania
Meranie pH pod asi 2,5 (asi 0,003 mólu kyseliny) a nad asi 10,5 (asi 0,0003 mólu zásady) vyžaduje špeciálne postupy, pretože pri takýchto hodnotách sa pri použití sklenenej elektródy porušuje Nernstov zákon. Prispievajú k tomu rôzne faktory. Nedá sa predpokladať, že tekuté prechodové potenciály sú nezávislé od pH. Tiež extrémne pH znamená, že roztok je koncentrovaný, takže potenciál elektródy je ovplyvnený zmenou iónovej sily. Pri vysokom pH môže byť sklenená elektródapodlieha alkalickej chybe, keď sa elektróda stáva citlivou na koncentráciu katiónov, ako sú Na+ a K+ v roztoku. K dispozícii sú špeciálne navrhnuté elektródy, ktoré čiastočne prekonávajú tieto problémy.
Stekanie z baní alebo banského odpadu môže viesť k veľmi nízkym hodnotám pH.
Čistá voda je neutrálna. Nie je kyslý. Keď sa kyselina rozpustí vo vode, pH bude nižšie ako 7 (25 °C). Keď sa zásada rozpustí vo vode, pH bude vyššie ako 7. 1 molový roztok silnej kyseliny, ako je kyselina chlorovodíková, má pH nulu. Roztok silnej alkálie, ako je hydroxid sodný, v koncentrácii 1 mol má pH 14. Namerané hodnoty pH budú teda vo všeobecnosti ležať v rozsahu 0 až 14, hoci záporné hodnoty pH a hodnoty nad 14 sú celkom možné.
Veľa závisí od kyslosti média roztoku. Pretože pH je logaritmická stupnica, rozdiel jednej jednotky pH je ekvivalentný desaťnásobku rozdielu v koncentrácii vodíkových iónov. Neutralita PH nedosahuje celkom 7 (pri 25 °C), aj keď vo väčšine prípadov ide o dobrú aproximáciu. Neutralita je definovaná ako stav, v ktorom [H+]=[OH-]. Keďže samoionizácia vody zachováva súčin týchto koncentrácií [H+] × [OH-]=Kw, je možné vidieť, že pri neutralite [H+]=[OH-]=√Kw alebo pH=pKw / 2.
PKw je približne 14, ale závisí od iónovej sily a teploty, takže záleží aj na hodnote pH média, ktoré by malo byť neutrálneúrovni. Čistá voda a roztok NaCl v čistej vode sú neutrálne, pretože disociáciou vody vzniká rovnaké množstvo oboch iónov. Avšak pH neutrálneho roztoku NaCl sa bude mierne líšiť od pH neutrálnej čistej vody, pretože aktivita vodíkových a hydroxidových iónov závisí od iónovej sily, takže Kw sa mení s iónovou silou.
Rastliny
Závislé rastlinné pigmenty, ktoré možno použiť ako indikátory pH, sa nachádzajú v mnohých rastlinách vrátane ibišteka, červenej kapusty (anthokyanín) a červeného vína. Citrusová šťava je kyslá, pretože obsahuje kyselinu citrónovú. Iné karboxylové kyseliny sa nachádzajú v mnohých živých systémoch. Napríklad pri svalovej činnosti vzniká kyselina mliečna. Stav protonizácie fosfátových derivátov, ako je ATP, závisí od kyslosti pH média. Fungovanie enzýmu prenosu kyslíka hemoglobínu je ovplyvnené pH v procese známom ako koreňový efekt.
Morská voda
V morskej vode je pH zvyčajne obmedzené na 7,5 až 8,4. Hrá dôležitú úlohu v kolobehu uhlíka v oceáne a existujú dôkazy o pokračujúcom okysľovaní oceánov spôsobenom emisiami oxidu uhličitého. Meranie pH je však komplikované chemickými vlastnosťami morskej vody a v chemickej oceánografii existuje niekoľko rôznych stupníc pH.
Špeciálne riešenia
Ako súčasť operačnej definície stupnice kyslosti (pH) IUPAC definuje sériu tlmivých roztokov v rozsahu pH (často označované akoNBS alebo NIST). Tieto roztoky majú relatívne nízku iónovú silu (≈0,1) v porovnaní s morskou vodou (≈0,7) a v dôsledku toho sa neodporúčajú na použitie pri charakterizácii pH morskej vody, pretože rozdiely v iónovej sile spôsobujú zmeny potenciálu elektródy. Na vyriešenie tohto problému bola vyvinutá alternatívna séria nárazníkov založených na umelej morskej vode.
Táto nová séria rieši problém rozdielov v iónovej sile medzi vzorkami a puframi a nová stupnica pH pre strednú kyslosť sa nazýva bežná stupnica, často označovaná ako pH. Celková mierka bola stanovená pomocou média obsahujúceho síranové ióny. Tieto ióny podliehajú protonácii, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, takže celkový rozsah zahŕňa vplyv protónov (voľných vodíkových iónov) a sírovodíkových iónov:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Alternatívna voľná stupnica, často označovaná ako pHF, túto úvahu vynecháva a zameriava sa výlučne na [H+]F, vďaka čomu je v princípe jednoduchšou reprezentáciou koncentrácie vodíkových iónov. Je možné určiť iba [H+] T, takže [H+] F by sa malo odhadnúť pomocou [SO2-4] a konštanty stability HSO-4, KS:
[H+] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Je však ťažké odhadnúť KS v morskej vode, čo obmedzuje užitočnosť jednoduchšej voľnej stupnice.
Ďalšia stupnica, známa ako stupnica morskej vody, často označovaná ako pHSWS, berie do úvahy ďalšiu protónovú väzbu medzi vodíkovými iónmi a fluoridovými iónmi, H+ + F- ⇌HF. Výsledkom je nasledujúci výraz pre [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Výhoda zvažovania tejto dodatočnej zložitosti však závisí od obsahu fluóru v médiu. Napríklad v morskej vode sa síranové ióny nachádzajú v oveľa vyšších koncentráciách (> 400-krát) ako koncentrácie fluóru. V dôsledku toho je pre väčšinu praktických dôvodov rozdiel medzi bežnou stupnicou a stupnicou morskej vody veľmi malý.
Nasledujúce tri rovnice zhŕňajú tri stupnice pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Z praktického hľadiska sa tri stupnice pH kyslého prostredia (alebo morskej vody) líšia svojimi hodnotami až do 0,12 jednotiek pH a rozdiely sú oveľa väčšie, ako sa zvyčajne vyžaduje pre presnosť merania pH, najmä vo vzťahu k oceánskemu systému uhličitanov.