Химияда рН – ортаның қышқылдығын анықтау үшін қолданылатын логарифмдік шкала. Бұл сутегі иондарының бір литріне шаққанда моль бірліктерімен өлшенетін молярлық концентрацияның шамамен теріс негізі 10 логарифмі. Оны қоршаған ортаның қышқылдығының көрсеткіші деп те атауға болады. Дәлірек айтқанда, бұл сутегі ионының белсенділігінің теріс негізі 10 логарифм. 25°C температурада рН 7-ден төмен ерітінділер қышқыл, ал рН 7-ден жоғары ерітінділер негіздік болып табылады. Бейтарап рН мәні температураға тәуелді және температура көтерілген сайын 7-ден аз болады. Таза су бейтарап, рН=7 (25°С), қышқыл да, сілтілі де емес. Танымал пікірге қарамастан, рН мәні өте күшті қышқылдар мен негіздер үшін тиісінше 0-ден төмен немесе 14-тен жоғары болуы мүмкін.
Қолданба
РН өлшемдері агрономияда, медицинада, химияда, суды өңдеуде және басқа да көптеген салаларда маңызды.
РН шкаласы қышқылдығы халықаралық стандартпен белгіленген стандартты ерітінділер жиынтығына қатысты.келісім. Бастапқы рН стандарттары сутегі электроды мен күміс хлориді сияқты стандартты электрод арасындағы потенциалдар айырмасын өлшеу арқылы тасымалдау концентрациясы ұяшығы арқылы анықталады. Су ерітінділерінің рН мәнін шыны электродпен және рН өлшегішпен немесе индикатормен өлшеуге болады.
Ашу
РН концепциясын алғаш рет дат химигі Сорен Питер Лауритс Соренсен 1909 жылы Карлсберг зертханасында енгізді және электрохимиялық жасушалар тұрғысынан анықтамалар мен өлшемдерді қабылдау үшін 1924 жылы ағымдағы рН деңгейіне қайта қаралды. Алғашқы еңбектерде таңбалауда кіші p әрпімен H әрпі болған, ол мынаны білдіреді: pH.
Аттың шығу тегі
p-ның нақты мағынасы даулы, бірақ Карлсберг қорының мәліметтері бойынша рН «сутегінің күші» дегенді білдіреді. Сондай-ақ, p немістің potenz («күш») сөзін білдіреді, басқалары француздық puisance дегенді білдіреді («күш» дегенді білдіреді, Карлсберг зертханасы француз болғанына негізделген). Тағы бір ұсыныс, p латынның pondus hydroii (сутегі мөлшері), potentio hydroii (сутегінің сыйымдылығы) немесе потенциалды гидроли (сутегі потенциалы) терминіне қатысты. Сондай-ақ, Соренсен p және q әріптерін (әдетте математикадағы конъюгаттық әріптер) сынақ шешімін (p) және анықтамалық шешімді (q) белгілеу үшін ғана қолданғаны ұсынылады. Қазіргі уақытта химияда p ондық логарифмді білдіреді және сонымен қатар ортаның қышқылдығының диссоциация константалары үшін қолданылатын pKa терминінде қолданылады.
Америка жарналары
Бактериолог Элис Эванс, сүт өнімдері мен азық-түлік қауіпсіздігіне жұмысының әсерімен танымал, Уильям Мэнсфилд Кларк пен оның әріптестеріне 1910 жылдары рН өлшеу әдістерін жасағаны үшін еңбек сіңірді, бұл кейіннен зертханалық және өнеркәсіптік салаларға кең әсер етті. пайдалану. Ол өзінің естеліктерінде Кларк пен оның әріптестерінің алдыңғы жылдардағы Соренсеннің жұмысы туралы қаншалықты немесе қаншалықты аз білетінін айтпайды. Қазірдің өзінде ғалымдар қоршаған ортаның қышқылдығы/сілтілігі мәселесін белсенді түрде зерттеп жүрген болатын.
Қышқылдың әсері
Доктор Кларктың назары қышқылдың бактериялардың өсуіне әсеріне аударылды. Осының арқасында ол сол кездегі қоршаған ортаның қышқылдығының сутегі индексі туралы ғылым идеясын толықтырды. Ол олардың өсуіне әсер еткен сутегі иондарының концентрациясы бойынша қышқылдың қарқындылығы екенін анықтады. Бірақ ортаның қышқылдығын өлшеудің қолданыстағы әдістері қышқылдың қарқындылығын емес, мөлшерін анықтады. Содан кейін доктор Кларк әріптестерімен бірге сутегі иондарының концентрациясын өлшеудің нақты әдістерін жасады. Бұл әдістер дүние жүзіндегі биологиялық зертханалардағы қышқылды анықтаудың дәл емес титрлеу әдісін ауыстырды. Сондай-ақ олар кеңінен қолданылатын көптеген өнеркәсіптік және басқа процестерде қолданылуы мүмкін екені анықталды.
Практикалық аспект
РН өлшеудің алғашқы электронды әдісін 1934 жылы Калифорния технологиялық институтының профессоры Арнольд Орвилл Бекман ойлап тапты. Дәл осы кезде жергілікті цитрус өсіруші болдыСункист жақын маңдағы бақтардан жинаған лимондардың рН деңгейін жылдам тексерудің жақсы әдісін қалайды. Ортаның қышқылдығының әсері әрқашан ескерілді.
Мысалы, сутегі ионының белсенділігі 5 × 10–6 ерітінді үшін (осы деңгейде бұл, шын мәнінде, сутегі иондарының мольдерінің саны ерітіндінің литріне), біз 1 / (5 × 10-6)=2 × 105 аламыз. Осылайша, мұндай ерітіндінің рН 5,3. Массалары деп саналады. судың мольі, сутегі ионының мольі және гидроксид ионының мольі сәйкесінше 18 г, 1 г және 17 г, таза 107 моль (рН 7) судың құрамында шамамен 1 г диссоциацияланған сутегі иондары бар (немесе, дәлірек айтқанда, 19 г H3O + гидроний иондары) және 17 г гидроксид иондары.
Температураның рөлі
РН температураға тәуелді екенін ескеріңіз. Мысалы, 0 °C температурада таза судың рН 7,47.25 °C температурада 7, 100 °C температурада 6,14.
Электрод потенциалы рН белсенділік тұрғысынан анықталғанда рН-ға пропорционал. рН дәл өлшеу ISO 31-8 халықаралық стандартында берілген.
Гальваникалық элемент екеуі де бір сулы ерітіндіге батырылған кезде эталондық электрод пен сутегі ионының белсенділігін сезетін электрод арасындағы электр қозғаушы күшті (ЭМӨ) өлшеу үшін конфигурацияланған. Анықтамалық электрод күміс хлоридінің нысаны немесе каломель электроды болуы мүмкін. Бұл қолданбалар үшін сутегі ионының селективті электроды стандартты болып табылады.
Бұл процесті іс жүзінде қолдану үшін көлемді сутегі электродының орнына шыны электрод қолданылады. Олкірістірілген анықтамалық электроды бар. Ол сондай-ақ белгілі сутегі ионының белсенділігі бар буферлік ерітінділерге қарсы калибрленген. IUPAC белгілі H+ белсенділігі бар буферлік шешімдер жинағын пайдалануды ұсынды. Екі немесе одан да көп буферлік ерітінділер еңістің идеалдан сәл аз болуы мүмкін екендігін есепке алу үшін қолданылады. Бұл калибрлеу тәсілін жүзеге асыру үшін электрод алдымен стандартты ерітіндіге батырылады және рН метр көрсеткіші стандартты буфер мәніне орнатылады.
Алдағы не?
Екінші стандартты буфер ерітіндісіндегі көрсеткіш содан кейін сол ерітіндінің рН деңгейіне тең болу үшін көлбеу бақылау арқылы түзетіледі. Екіден көп буферлік ерітінділер пайдаланылған кезде электрод бақыланатын рН мәндерін стандартты буфер мәндеріне қарсы түзу сызыққа келтіру арқылы калибрленеді. Коммерциялық стандартты буферлік ерітінділер әдетте 25 °C мәні және басқа температуралар үшін қолданылатын түзету коэффициенті туралы ақпаратпен қамтамасыз етіледі.
Анықтама сипаттамасы
РН шкаласы логарифмдік, сондықтан рН өлшемсіз шама болып табылады, ол басқа нәрселермен қатар жасушаның ішкі ортасының қышқылдығын өлшеу үшін жиі қолданылады. Бұл 1909 жылы ауыстырылған Соренсеннің бастапқы анықтамасы болды.
Бірақ, егер электрод сутегі ионының концентрациясы бойынша калибрленген болса, сутегі ионының концентрациясын тікелей өлшеуге болады. Мұны істеудің кеңінен қолданылған бір жолы - белгілі концентрациясы бар ерітіндіні титрлеутірек электролиттің салыстырмалы жоғары концентрациясы бар күшті сілтінің белгілі концентрациясының ерітіндісімен күшті қышқыл. Қышқыл мен сілтінің концентрациясы белгілі болғандықтан, потенциал өлшенген мәнге қатысты болуы үшін сутегі ионының концентрациясын есептеу оңай.
Индикаторларды түсінің өзгеру фактісі арқылы рН өлшеу үшін пайдалануға болады. Сынақ ерітіндісінің түсін стандартты түс шкаласымен визуалды салыстыру рН-ны бүтін дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік береді. Түсті колориметр немесе спектрофотометр көмегімен спектрофотометриялық жолмен өлшейтін болса, дәлірек өлшемдер мүмкін болады. Әмбебап индикатор шамамен рН 2-ден рН 10-ға дейін тұрақты түс өзгерісі болатындай индикаторлар қоспасынан тұрады. Әмбебап индикаторлық қағаз әмбебап индикатормен сіңдірілген сіңіргіш қағаздан жасалған. РН өлшеудің тағы бір әдісі - электронды рН метрді пайдалану.
Өлшем деңгейлері
РН-ны шамамен 2,5-тен төмен (шамамен 0,003 моль қышқыл) және шамамен 10,5-тен жоғары (шамамен 0,0003 моль сілті) өлшеу арнайы процедураларды қажет етеді, өйткені шыны электродты пайдаланған кезде мұндай мәндерде Нернст заңы бұзылады. Бұған әртүрлі факторлар ықпал етеді. Сұйықтық өтпелі потенциалдар рН-ға тәуелсіз деп болжауға болмайды. Сондай-ақ экстремалды рН ерітіндінің шоғырланғанын білдіреді, сондықтан электродтық потенциалдар иондық күштің өзгеруіне әсер етеді. Жоғары рН кезінде шыны электрод болуы мүмкінсілтілі қатеге ұшырайды, өйткені электрод ерітіндідегі Na+ және K+ сияқты катиондардың концентрациясына сезімтал болады. Бұл мәселелерді ішінара жеңетін арнайы жасалған электродтар бар.
Шахталардан немесе шахта қалдықтарынан ағындар рН өте төмен мәндерге әкелуі мүмкін.
Таза су бейтарап. Ол қышқыл емес. Қышқыл суда еріген кезде рН 7 (25°C) төмен болады. Сілті суда ерігенде рН 7-ден жоғары болады. Тұз қышқылы сияқты күшті қышқылдың 1 моль ерітіндісінің рН мәні нөлге тең. 1 моль концентрациядағы натрий гидроксиді сияқты күшті сілтінің ерітіндісі рН 14-ке тең. Осылайша, өлшенген рН мәндері әдетте 0-ден 14-ке дейінгі диапазонда болады, дегенмен теріс рН мәндері мен мәндері 14-тен жоғары болуы әбден мүмкін.
Көп нәрсе ерітінді ортасының қышқылдығына байланысты. рН логарифмдік шкала болғандықтан, бір рН бірлігінің айырмашылығы сутегі ионының концентрациясының он есе айырмашылығына тең. Бейтараптық PH 7-ге (25 °C температурада) толықтай жетпейді, бірақ көп жағдайда бұл жақсы жуықтау. Бейтараптық [H+]=[OH-] болатын шарт ретінде анықталады. Судың өздігінен иондануы осы концентрациялардың көбейтіндісін сақтайтындықтан [H+] × [OH-]=Кв, бейтараптықта [H+]=[OH-]=√Kw немесе pH=pKw / 2 екенін көруге болады.
PKw шамамен 14, бірақ иондық күш пен температураға байланысты, сондықтан ортаның рН мәні де маңызды, ол бейтарап болуы керекдеңгейі. Таза су және таза судағы NaCl ерітіндісі бейтарап, өйткені судың диссоциациялануы екі ионның бірдей мөлшерін шығарады. Дегенмен, бейтарап NaCl ерітіндісінің рН мәні бейтарап таза судың рН-ынан сәл өзгеше болады, өйткені сутегі мен гидроксид иондарының белсенділігі иондық күшке байланысты, сондықтан Kw иондық күшке байланысты өзгереді.
Өсімдіктер
РН индикаторлары ретінде пайдалануға болатын тәуелді өсімдік пигменттері гибискус, қызыл қырыққабат (антоцианин) және қызыл шарапты қоса көптеген өсімдіктерде кездеседі. Цитрус шырыны қышқыл, өйткені оның құрамында лимон қышқылы бар. Басқа карбон қышқылдары көптеген тірі жүйелерде кездеседі. Мысалы, сүт қышқылы бұлшықет қызметі арқылы түзіледі. АТФ сияқты фосфат туындыларының протондану күйі рН ортасының қышқылдығына байланысты. Гемоглобинді оттегін тасымалдау ферментінің жұмысына тамыр әсері деп аталатын процесте рН әсер етеді.
Теңіз суы
Теңіз суында рН әдетте 7,5 және 8,4 арасында шектеледі. Ол мұхиттағы көміртегі айналымында маңызды рөл атқарады және көмірқышқыл газының шығарындылары нәтижесінде мұхиттың үздіксіз қышқылдануының дәлелі бар. Дегенмен, рН өлшеу теңіз суының химиялық қасиеттеріне байланысты қиын және химиялық океанографияда бірнеше түрлі рН шкаласы бар.
Арнайы шешімдер
Қышқылдық (рН) шкаласының операциялық анықтамасының бөлігі ретінде IUPAC рН диапазонындағы буферлік ерітінділердің сериясын анықтайды (көбінесе осылай аталады)NBS немесе NIST). Бұл ерітінділер теңіз суымен (≈0,7) салыстырғанда салыстырмалы түрде төмен иондық беріктікке (≈0,1) ие және нәтижесінде теңіз суының рН сипаттамасында пайдалану ұсынылмайды, өйткені иондық беріктіктегі айырмашылықтар электрод потенциалының өзгеруіне әкеледі. Бұл мәселені шешу үшін жасанды теңіз суына негізделген буферлердің балама сериясы әзірленді.
Бұл жаңа серия үлгілер мен буферлер арасындағы иондық күш айырмашылықтары мәселесін шешеді және орташа қышқылдық үшін жаңа рН шкаласы жалпы шкала деп аталады, жиі рН деп аталады. Жалпы шкала құрамында сульфат иондары бар орта арқылы анықталды. Бұл иондар H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4 протонданады, сондықтан жалпы шкала протондардың да (бос сутегі иондары) да, күкіртсутек иондарының да әсерін қамтиды:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Көбінесе pHF деп аталатын баламалы бос шкала бұл мәселені қарастырмайды және тек [H+]F-ге назар аударады, бұл оны негізінен сутегі ионының концентрациясының қарапайым көрінісіне айналдырады. Тек [H+] T анықтауға болады, сондықтан [H+] F мәнін [SO2-4] және HSO-4 тұрақтылық константасы арқылы бағалау керек, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Алайда теңіз суындағы KS мәнін бағалау қиын, бұл қарапайым еркін шкаланың пайдалылығын шектейді.
Көбінесе pHSWS деп аталатын теңіз суының шкаласы деп аталатын басқа шкала сутегі иондары мен фторид иондары арасындағы әрі қарай протондық байланысты ескереді, H+ + F- ⇌HF. Нәтиже [H+] SWS үшін келесі өрнек:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Алайда бұл қосымша күрделілікті қарастырудың пайдасы ортадағы фтордың құрамына байланысты. Мысалы, теңіз суында сульфат иондары фтордың концентрациясынан әлдеқайда жоғары концентрацияда (> 400 есе) кездеседі. Нәтижесінде, көптеген практикалық мақсаттар үшін жалпы шкала мен теңіз суы шкаласы арасындағы айырмашылық өте аз.
Келесі үш теңдеу үш рН шкаласын қорытындылайды:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- журнал [H+]
Практикалық тұрғыдан алғанда қышқыл ортаның (немесе теңіз суының) үш рН шкаласы 0,12 рН бірлікке дейінгі мәндері бойынша ерекшеленеді және айырмашылықтар әдетте дәлдік үшін талап етілетіннен әлдеқайда үлкен. рН өлшемдері, әсіресе мұхиттың карбонатты жүйесіне қатысты.
