Sa chemistry, ang pH ay isang logarithmic scale na ginagamit upang matukoy ang acidity ng isang medium. Ito ay humigit-kumulang sa negatibong base 10 logarithm ng konsentrasyon ng molar, na sinusukat sa mga yunit ng mga moles bawat litro ng mga hydrogen ions. Maaari din itong tawaging tagapagpahiwatig ng kaasiman ng kapaligiran. Mas tiyak, ito ang negatibong base 10 logarithm ng aktibidad ng hydrogen ion. Sa 25°C, ang mga solusyon na may pH na mas mababa sa 7 ay acidic, at ang mga solusyon na may pH na higit sa 7 ay basic. Ang neutral na halaga ng pH ay nakadepende sa temperatura at mas mababa sa 7 habang tumataas ang temperatura. Ang dalisay na tubig ay neutral, pH=7 (sa 25°C), hindi acidic o alkaline. Taliwas sa popular na paniniwala, ang pH value ay maaaring mas mababa sa 0 o mas mataas sa 14 para sa napakalakas na acid at base, ayon sa pagkakabanggit.
Application
Ang mga pagsukat ng pH ay mahalaga sa agronomy, medisina, chemistry, water treatment at marami pang ibang lugar.
Ang sukat ng pH ay may kaugnayan para sa isang hanay ng mga karaniwang solusyon, ang kaasiman nito ay itinatag ng internasyonalkasunduan. Ang mga pangunahing pamantayan ng pH ay tinutukoy gamit ang isang transfer concentration cell sa pamamagitan ng pagsukat ng potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng isang hydrogen electrode at isang karaniwang electrode tulad ng silver chloride. Maaaring masukat ang pH ng mga may tubig na solusyon gamit ang glass electrode at pH meter o indicator.
Pagbubukas
Ang konsepto ng pH ay unang ipinakilala ng Danish na chemist na si Søren Peter Laurits Sørensen sa laboratoryo ng Carlsberg noong 1909 at binago sa kasalukuyang antas ng pH noong 1924 upang matugunan ang mga kahulugan at sukat sa mga tuntunin ng mga electrochemical cell. Sa mga unang gawa, ang notasyon ay may letrang H sa lowercase na p, na nangangahulugang: pH.
Pinagmulan ng pangalan
Ang eksaktong kahulugan ng p ay pinagtatalunan, ngunit ayon sa Carlsberg Foundation, ang pH ay nangangahulugang "ang kapangyarihan ng hydrogen." Iminungkahi din na ang p ay kumakatawan sa salitang Aleman na potenz ("kapangyarihan"), ang iba ay tumutukoy sa French puisance (na nangangahulugang "kapangyarihan", batay sa katotohanan na ang laboratoryo ng Carlsberg ay Pranses). Ang isa pang mungkahi ay ang p ay tumutukoy sa salitang Latin na pondus hydroii (dami ng hydrogen), potentio hydroii (kapasidad ng hydrogen), o potensyal na hydroli (hydrogen potential). Iminumungkahi din na ginamit ni Sørensen ang mga letrang p at q (karaniwang conjugate na mga letra sa matematika) para lamang tukuyin ang solusyon sa pagsubok (p) at reference na solusyon (q). Sa kasalukuyan, sa chemistry, ang p ay kumakatawan sa decimal logarithm, at ginagamit din sa terminong pKa, na ginagamit para sa dissociation constants ng acidity ng isang medium.
American contributions
Bacteriologist na si Alice Evans, na kilala sa impluwensya ng kanyang trabaho sa mga produkto ng pagawaan ng gatas at kaligtasan ng pagkain, ay pinarangalan si William Mansfield Clark at ang kanyang mga kasamahan para sa pagbuo ng mga pamamaraan para sa pagsukat ng pH noong 1910s, na nagkaroon ng malawak na epekto sa laboratoryo at industriya. gamitin. Sa kanyang mga memoir, hindi niya binanggit kung gaano o gaano kaliit ang alam ni Clarke at ng kanyang mga kasamahan sa trabaho ni Sorensen noong mga nakaraang taon. Noong panahong iyon, aktibong pinag-aaralan ng mga siyentipiko ang isyu ng acidity / alkalinity ng kapaligiran.
Impluwensiya ng acid
Ang atensyon ni Dr. Clark ay nakatuon sa epekto ng acid sa paglaki ng bacterial. At salamat dito, dinagdagan niya ang ideya ng agham noon ng hydrogen index ng acidity ng kapaligiran. Nalaman niya na ito ay ang intensity ng acid sa mga tuntunin ng konsentrasyon ng mga hydrogen ions na nakaapekto sa kanilang paglaki. Ngunit ang mga umiiral na pamamaraan para sa pagsukat ng kaasiman ng isang daluyan ay tinutukoy ang dami, hindi ang intensity ng acid. Pagkatapos, kasama ng kanyang mga kasamahan, si Dr. Clark ay bumuo ng mga tumpak na pamamaraan para sa pagsukat ng konsentrasyon ng mga hydrogen ions. Pinalitan ng mga pamamaraang ito ang hindi wastong paraan ng titration para sa pagtukoy ng acid sa mga biological laboratories sa buong mundo. Napag-alaman din na magagamit ang mga ito sa maraming pang-industriya at iba pang proseso kung saan malawakang ginagamit ang mga ito.
Praktikal na aspeto
Ang unang electronic pH measurement method ay naimbento ni Arnold Orville Beckman, isang propesor sa California Institute of Technology, noong 1934. Ito ay sa puntong ito na ang lokal na citrus growerGusto ng Sunkist ng mas mahusay na paraan para mabilis na masuri ang pH ng mga limon na inani nila mula sa mga kalapit na taniman. Ang impluwensya ng acidity ng medium ay palaging isinasaalang-alang.
Halimbawa, para sa isang solusyon na may aktibidad ng hydrogen ion na 5 × 10–6 (sa antas na ito, ito ay, sa katunayan, ang bilang ng mga moles ng mga hydrogen ions bawat litro ng solusyon), nakakakuha tayo ng 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Kaya, ang naturang solusyon ay may pH na 5.3. Ito ay pinaniniwalaan na ang masa ng isang mole ng tubig, isang mole ng hydrogen ions at isang mole ng hydroxide ions ay ayon sa pagkakabanggit ay 18 g, 1 g at 17 g, ang dami ng purong 107 moles (pH 7) ng tubig ay naglalaman ng humigit-kumulang 1 g ng dissociated hydrogen ions (o, mas tiyak, 19 g ng H3O + hydronium ions) at 17 g hydroxide ions.
Ang tungkulin ng temperatura
Tandaan na ang pH ay nakadepende sa temperatura. Halimbawa, sa 0 °C ang pH ng purong tubig ay 7.47. Sa 25 °C ito ay 7, at sa 100 °C ito ay 6.14.
Ang potensyal ng electrode ay proporsyonal sa pH kapag ang pH ay tinukoy sa mga tuntunin ng aktibidad. Ang tumpak na pagsukat ng pH ay ipinakita sa internasyonal na pamantayang ISO 31-8.
Ang isang galvanic cell ay naka-configure upang sukatin ang electromotive force (EMF) sa pagitan ng reference electrode at ng hydrogen ion activity sensing electrode kapag pareho silang nahuhulog sa parehong aqueous solution. Ang reference na electrode ay maaaring isang silver chloride object o isang calomel electrode. Ang isang hydrogen ion selective electrode ay pamantayan para sa mga application na ito.
Upang maisagawa ang prosesong ito, ginagamit ang isang glass electrode sa halip na isang napakalaking hydrogen electrode. Siyaay may built-in na reference electrode. Naka-calibrate din ito laban sa mga solusyon sa buffer na may kilalang aktibidad ng hydrogen ion. Iminungkahi ng IUPAC ang paggamit ng isang hanay ng mga solusyon sa buffer na may kilalang aktibidad ng H+. Dalawa o higit pang mga buffer solution ang ginagamit upang isaalang-alang ang katotohanan na ang slope ay maaaring bahagyang mas mababa kaysa sa ideal. Para ipatupad ang pamamaraang ito sa pag-calibrate, ang electrode ay unang nilulubog sa isang karaniwang solusyon at ang pagbabasa ng pH meter ay nakatakda sa halaga ng karaniwang buffer.
Ano ang susunod?
Ang pagbabasa mula sa pangalawang karaniwang buffer solution ay itatama gamit ang slope control upang maging katumbas ng pH level para sa solusyon na iyon. Kapag higit sa dalawang buffer solution ang ginamit, ang elektrod ay na-calibrate sa pamamagitan ng pag-angkop sa naobserbahang mga halaga ng pH sa isang tuwid na linya laban sa karaniwang mga halaga ng buffer. Karaniwang ibinibigay ang mga komersyal na karaniwang buffer solution ng impormasyon tungkol sa halaga sa 25 °C at ang correction factor na ilalapat para sa iba pang mga temperatura.
Katangian ng kahulugan
Ang pH scale ay logarithmic at, samakatuwid, ang pH ay isang walang sukat na dami, kadalasang ginagamit, bukod sa iba pang mga bagay, upang sukatin ang acidity ng panloob na kapaligiran ng cell. Ito ang orihinal na kahulugan ni Sorensen, na pinalitan noong 1909.
Gayunpaman, posibleng direktang sukatin ang konsentrasyon ng hydrogen ion kung ang electrode ay naka-calibrate sa mga tuntunin ng mga konsentrasyon ng hydrogen ion. Ang isang paraan upang gawin ito, na malawakang ginagamit, ay ang pag-titrate ng isang solusyon ng kilalang konsentrasyonmalakas na acid na may isang solusyon ng isang kilalang konsentrasyon ng isang malakas na alkali sa pagkakaroon ng isang medyo mataas na konsentrasyon ng isang sumusuporta sa electrolyte. Dahil alam ang acid at alkali concentrations, madaling kalkulahin ang hydrogen ion concentration para maiugnay ang potensyal sa sinusukat na halaga.
Ang mga indicator ay maaaring gamitin upang sukatin ang pH gamit ang katotohanang nagbabago ang kulay ng mga ito. Ang visual na paghahambing ng kulay ng solusyon sa pagsubok na may karaniwang sukat ng kulay ay nagpapahintulot sa pH na masukat nang may katumpakan ng integer. Posible ang mas tumpak na mga sukat kung ang kulay ay sinusukat nang spectrophotometric gamit ang colorimeter o spectrophotometer. Ang unibersal na tagapagpahiwatig ay binubuo ng pinaghalong mga tagapagpahiwatig upang magkaroon ng permanenteng pagbabago ng kulay mula sa humigit-kumulang pH 2 hanggang pH 10. Ang Universal indicator paper ay ginawa mula sa sumisipsip na papel na pinapagbinhi ng isang unibersal na tagapagpahiwatig. Ang isa pang paraan para sa pagsukat ng pH ay ang paggamit ng electronic pH meter.
Mga antas ng pagsukat
Ang pagsukat ng pH sa ibaba ng humigit-kumulang 2.5 (mga 0.003 moles ng acid) at higit sa humigit-kumulang 10.5 (mga 0.0003 moles ng alkali) ay nangangailangan ng mga espesyal na pamamaraan dahil ang batas ni Nernst ay nilalabag sa mga naturang halaga kapag gumagamit ng glass electrode. Iba't ibang salik ang nag-aambag dito. Hindi maaaring ipagpalagay na ang mga potensyal na paglipat ng likido ay independyente sa pH. Gayundin, ang matinding pH ay nangangahulugan na ang solusyon ay puro, kaya ang mga potensyal ng elektrod ay apektado ng pagbabago sa lakas ng ionic. Sa mataas na pH, ang glass electrode ay maaaringnapapailalim sa alkaline error habang ang elektrod ay nagiging sensitibo sa konsentrasyon ng mga cation tulad ng Na+ at K+ sa solusyon. Available ang mga espesyal na dinisenyong electrodes na bahagyang nagtagumpay sa mga problemang ito.
Runoff mula sa mga minahan o dumi ng minahan ay maaaring magresulta sa napakababang pH value.
Ang purong tubig ay neutral. Ito ay hindi acidic. Kapag ang acid ay natunaw sa tubig, ang pH ay magiging mas mababa sa 7 (25°C). Kapag ang isang alkali ay natunaw sa tubig, ang pH ay mas malaki sa 7. Ang isang 1 mol na solusyon ng isang malakas na acid tulad ng hydrochloric acid ay may pH na zero. Ang isang solusyon ng isang malakas na alkali tulad ng sodium hydroxide sa isang konsentrasyon ng 1 mol ay may pH na 14. Kaya, ang sinusukat na mga halaga ng pH ay karaniwang nasa hanay ng 0 hanggang 14, bagaman ang mga negatibong halaga at halaga ng pH higit sa 14 ay medyo posible.
Marami ang nakasalalay sa kaasiman ng medium ng solusyon. Dahil ang pH ay isang logarithmic scale, ang pagkakaiba ng isang pH unit ay katumbas ng sampung beses ng pagkakaiba sa konsentrasyon ng hydrogen ion. Ang neutralidad na PH ay hindi masyadong umabot sa 7 (sa 25 °C), bagaman sa karamihan ng mga kaso ito ay isang magandang pagtatantya. Ang neutralidad ay tinukoy bilang ang kondisyon kung saan ang [H+]=[OH-]. Dahil pinapanatili ng self-ionization ng tubig ang produkto ng mga konsentrasyong ito [H+] × [OH-]=Kw, makikita na sa neutralidad [H+]=[OH-]=√Kw o pH=pKw / 2.
Ang PKw ay humigit-kumulang 14, ngunit depende sa lakas at temperatura ng ionic, kaya mahalaga din ang pH value ng medium, na dapat ay nasa neutralantas. Ang dalisay na tubig at isang solusyon ng NaCl sa purong tubig ay neutral dahil ang dissociation ng tubig ay gumagawa ng parehong dami ng parehong mga ion. Gayunpaman, ang pH ng isang neutral na solusyon ng NaCl ay bahagyang naiiba sa pH ng neutral na purong tubig, dahil ang aktibidad ng mga hydrogen at hydroxide ions ay nakasalalay sa lakas ng ionic, kaya nag-iiba ang Kw sa lakas ng ionic.
Mga Halaman
Ang mga dependant na pigment ng halaman na maaaring gamitin bilang pH indicator ay matatagpuan sa maraming halaman, kabilang ang hibiscus, red cabbage (anthocyanin), at red wine. Ang citrus juice ay acidic dahil naglalaman ito ng citric acid. Ang iba pang mga carboxylic acid ay matatagpuan sa maraming mga buhay na sistema. Halimbawa, ang lactic acid ay ginawa ng aktibidad ng kalamnan. Ang estado ng protonation ng phosphate derivatives, tulad ng ATP, ay depende sa acidity ng pH medium. Ang paggana ng hemoglobin oxygen transfer enzyme ay apektado ng pH sa isang prosesong kilala bilang root effect.
Tubig dagat
Sa tubig-dagat, ang pH ay karaniwang limitado sa pagitan ng 7.5 at 8.4. Ito ay gumaganap ng mahalagang papel sa siklo ng carbon sa karagatan, at may ebidensya ng patuloy na pag-aasido ng karagatan na dulot ng mga paglabas ng carbon dioxide. Gayunpaman, ang pagsukat ng pH ay kumplikado sa pamamagitan ng mga kemikal na katangian ng tubig dagat, at may ilang iba't ibang pH scale sa kemikal na oceanography.
Mga Espesyal na Solusyon
Bilang bahagi ng operational definition ng acidity (pH) scale, tinutukoy ng IUPAC ang isang serye ng mga buffer solution sa pH range (madalas na tinutukoy bilangNBS o NIST). Ang mga solusyon na ito ay may medyo mababang ionic strength (≈0.1) kumpara sa seawater (≈0.7) at bilang resulta ay hindi inirerekomenda para sa paggamit sa seawater pH characterization dahil ang mga pagkakaiba sa ionic strength ay nagdudulot ng mga pagbabago sa electrode potential. Upang malutas ang problemang ito, binuo ang isang alternatibong serye ng mga buffer batay sa artipisyal na tubig dagat.
Niresolba ng bagong seryeng ito ang problema sa pagkakaiba ng lakas ng ionic sa pagitan ng mga sample at buffer, at ang bagong pH scale para sa medium acidity ay tinatawag na common scale, na kadalasang tinutukoy bilang pH. Ang kabuuang sukat ay natukoy gamit ang isang daluyan na naglalaman ng mga sulfate ions. Ang mga ion na ito ay nakakaranas ng protonation, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, kaya kasama sa kabuuang sukat ang impluwensya ng parehong mga proton (mga libreng hydrogen ions) at hydrogen sulfide ions:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Ang alternatibong libreng sukat, na kadalasang tinutukoy bilang pHF, ay inalis ang pagsasaalang-alang na ito at eksklusibong nakatuon sa [H+]F, na ginagawa itong mas simpleng representasyon ng konsentrasyon ng hydrogen ion sa prinsipyo. [H+] T lamang ang maaaring matukoy, kaya ang [H+] F ay dapat tantyahin gamit ang [SO2-4] at ang stability constant na HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Gayunpaman, mahirap tantiyahin ang KS sa tubig dagat, na nililimitahan ang pagiging kapaki-pakinabang ng mas simpleng libreng sukat.
Ang isa pang sukat, na kilala bilang ang seawater scale, na kadalasang tinutukoy bilang pHSWS, ay isinasaalang-alang ang karagdagang proton bonding sa pagitan ng hydrogen ions at fluoride ions, H+ + F- ⇌HF. Ang resulta ay ang sumusunod na expression para sa [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Gayunpaman, ang pakinabang ng pagsasaalang-alang sa karagdagang kumplikadong ito ay nakasalalay sa fluorine na nilalaman ng medium. Halimbawa, sa tubig dagat, ang mga sulfate ions ay matatagpuan sa mas mataas na konsentrasyon (> 400 beses) kaysa sa mga konsentrasyon ng fluorine. Bilang resulta, para sa karamihan ng mga praktikal na layunin, ang pagkakaiba sa pagitan ng karaniwang sukat at sukat ng tubig dagat ay napakaliit.
Ang sumusunod na tatlong equation ay nagbubuod sa tatlong pH scale:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Mula sa praktikal na pananaw, ang tatlong pH scale ng acidic na kapaligiran (o tubig-dagat) ay naiiba sa kanilang mga halaga hanggang sa 0.12 pH unit, at ang mga pagkakaiba ay mas malaki kaysa sa karaniwang kinakailangan para sa katumpakan ng Mga sukat ng pH, partikular na may kaugnayan sa carbonate system na karagatan.
