РН мәнінің мәні зертханаларда да, өндірісте де, тірі организмдер мен қоршаған ортада да болып жатқан көптеген химиялық және биологиялық өзгерістер үшін маңызды рөл атқарады. Сутегі иондарының саны кез келген реакцияның нәтижесіне ғана емес, оның пайда болу мүмкіндігіне де әсер етеді. Орнатылған рН мәнін сақтау үшін буферлік ерітінділер қолданылады. Олардың міндеті - ерітінділерді сұйылтқанда немесе оларға қышқылдар мен сілтілерді қосқанда осы деңгейді сақтау.
Судың рН мәні әртүрлі мақсаттарға арналған су сапасының белгілерінің бірі болып табылады. Табиғатта өсімдіктердің дамуы, қоршаған ортаның металл және бетон конструкцияларына агрессивтілігі осыған байланысты. рН мәні өзендерде, көлдерде, тоғандарда тұратын ағзалар үшін ластаушы заттардың уыттылығын өзгертетінін есте ұстаған жөн.
PH
Бұл параметр ерітінділердегі Η+ иондарының мазмұнын сипаттайды. Ол рН ретінде белгіленеді. Математикалық тұрғыдан рН концентрацияның кері ондық логарифміне тең Η+ (CH+,мοл/л): рΗ=−lgCH+. Судағы H+ иондарының саны H2O молекулаларының диссоциациясымен анықталады, ол мына өрнекке сәйкес жүреді: H2O H ++ OH-.
Суды электролиттер деп атамайтынына қарамастан, ол төмен диссоциацияланатын зат. Ол үшін диссоциация константасын жазуға болады: Кd=(СН+·СOH-)/ CH2O. t=22 °C кезінде оның мәні 1,8ˑ10-16.
Бұл көрсеткіш соншалықты аз, сондықтан судағы Η+ және OH- иондарын елемеуге болады. Бірақ ерітінді химиясында рН мәнінің мәні рН шкаласын құру үшін қолданылады. Оның мағыналарын қарастырыңыз.
PH шкаласы
Оны ерітіндінің қышқылдығын анықтау үшін пайдалануға болады.
| R мәні | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Қоршаған орта сапасы | қышқыл | бейтарап | сілтілі |
Қоршаған ортаның рН-ын есептеу оңай. Сізге тек сутегі катиондарының концентрациясын біліп, мына формуланы қолдану керек: Cn+=10 , мұндағы n – қарама-қарсы таңбалы рН мәні. Мысалы, ерітіндідегі H+ концентрациясы CH+=10–5 mοl/l.. Яғни, n=-5 және рН=5.
Кейбір медиа және шешімдердің PH мәндері
Адамды қоршаған ортадағы барлық нәрсенің өзіндік рН мәндері бар. Бұлдененің әртүрлі жүйелеріне өз міндеттерін оңай жеңуге көмектеседі. Өздеріңіз білетіндей, таза бейтарап су үшін рН мәні 7. Дегенмен, адамның терісінде аздап қышқылдық реакция бар. Олардың рН=5, 5. Бұл факт ішінара сумен жиі байланыста құрғақ терінің пайда болуына әсер етеді. Төменде кейбір заттардың рН мәндері берілген.
| Зат | pΗ |
| Батарея электролиті | <1.0 |
| Асқазан сөлі | 1, 0-2, 0 |
| Лимон шырыны | 2, 0 |
| Асхан сірке суы | 2, 4 |
| Cola | 3, 0 |
| Алма шырыны | 3, 0 |
| Кофе | 5, 0 |
| Сусабындар | 5, 5 |
| Қара шай | 5, 5 |
| Адам терісі | 5, 5 |
| Қышқыл жаңбыр | <5, 6 |
| Сілекей | 6, 5 |
| Сүт | 6, 7 |
| Vοda | 7, 0 |
| Қан | 7, 36 |
| Морская вода | 8, 0 |
| Қатты сабын | 9, 5 |
| Ағартқыш (ағартқыш) | 12, 5 |
Шешім түрлері
Су ерітінділері, жоғарыда айтылғандай, бейтарап, қышқыл немесе сілтілі реакция ортасына ие болуы мүмкін. Ерітіндінің қышқылдығы H+ иондарының, ал сілтілігі ОН- иондарының болуына байланысты емес.оларда басқалар жоқ дегенді білдіреді. Қышқыл ортада сутегі иондарының, ал сілтілі ортада гидроксид иондарының артық болуын анықтауға болады.
Бейтарап ерітінділерде рН мәні 7. Бұл олардағы H+ катиондарының концентрациясы 10–7 екенін білдіреді. mοl/l, бірақ сонымен бірге гидроксид аниондарының мөлшері де 10–7 мοл/л. Басқаша айтқанда, бейтарап ерітінділерде Η+ немесе OΗ- иондарының артық мөлшері болмайды.
Судың иондық өнімі
Неге рН 1 мен 14 арасында болуы мүмкін? Бұл сұраққа жауап беру үшін диссоциация константасы үшін өрнекке оралған жөн. Оны түрлендіре отырып, біз Kd·СН2О=СН+·С жаза аламыз. OH-. Kd мәні белгілі және су молекулаларының концентрациясын оңай есептеуге болады. Суды H2O ерітіндісі ретінде H2O деп есептесек, оның молярлық концентрациясын мына пропорцияны жасау арқылы білуге болады: 18 г H 2 O - 1 моль, 1000 г N2O - x мοл. Демек x=1000/18=55, 6 мл/л. Бұл тұрақты Kw деп белгіленеді және судың иондық өнімі деп аталады.
Келесі, Кd мәнін табылған мәнге көбейтіңіз: 55, 6 1, 8ˑ10–16=СΗ+ СОΗ–; 10–14=СΗ+·СОΗ–. Яғни, біз жаза аламыз: Kw=СΗ+ СОΗ–=10–14.
Бұл мән pΗ + pOΗ=14 деген қорытындыға әкелді, бұл жоғарыдағы сұрақтың жауабы.
Қышқыл орта
Барлық күшті қышқылдарсуда қайтымсыз диссоциацияланады. Сонымен, тұз қышқылы Η+ катиондарына және Cl- хлорид аниондарына толығымен ыдырайды: ΗCl=Η++ Cl-. Егер 1 литр суға 1ˑ10-2 mοl ΗCl қосылса, Η+ иондарының концентрациясы да 1-ге тең болады.. 10-2 моль. Яғни, мұндай ерітінді үшін рН мәні 2.
Әлсіз қышқылдар қайтымды диссоциацияланады, яғни судағы сияқты қарама-қарсы зарядталған иондардың бір бөлігі қышқыл молекулаларына қайта қосылады. Мысалы, көмір қышқылы келесі иондарға ыдырайды: 3-. Барлық молекулалар диссоциацияланбайды, қайта ыдырағандары да біртұтас бүтінді құрайды. Сондықтан қышқылдардың рН мәнін табу үшін диссоциация константасы қолданылады.
Сонымен қатар, қышқылдың күшін ерітіндінің рН мәні бойынша жанама түрде бағалауға болады: ол неғұрлым үлкен болса, pΗ мәні соғұрлым төмен болады.
Сілтілік орта
Негіздерді суда еріткен кезде олардың диссоциациялануы гидроксидті аниондардың пайда болуымен басталады. Олар бейтарап таза суда болатын H + иондарымен әрекеттеседі. Бұл олардың концентрациясының төмендеуіне, яғни рН жоғарылауына әкеледі.
Мысалы: NaOΗ=Na++ OΗ-; Η++ OΗ-=Η2O.
1ˑ10-2 концентрациясы бар натрий гидроксиді ерітіндісінде мοл/л 1ˑ10-2 пайда боладымοл/л гидроксид аниондары. Мұндай ерітіндідегі Η+ катиондарының концентрациясы 1ˑ10-12 мοл/л, ал pΗ 12 мәніне тең болады.
Негіздердің барлық ерітінділерінде H+ катиондарының саны әрқашан 1ˑ10-7 мοл/л-ден аз, ал рН мәні 7-ден жоғары.
РН көрсеткіштерін анықтау
Ерітіндінің рН мәнін шамамен анықтаудың ең оңай жолдарының бірі - әмбебап индикатор жолақтарын пайдалану. Олардың түсін жұмыс ерітіндісіне батырғаннан кейін пайда болатын индикаторлық шкаламен салыстыра отырып, Η+ иондарының концентрациясын бағалауға болады. Әмбебап индикатор - қышқылдығы төмендей отырып, түсі қызылдан күлгінге (кемпірқосақтағы сияқты) ретімен өзгеретін бірнеше заттардың қоспасы.
Бұл әдістің негізгі кемшіліктері – түсті немесе бұлыңғыр ерітінділерде рН анықтау мүмкін еместігі, сонымен қатар ерітіндідегі Η+ иондарының концентрациясын шамамен бағалау ғана..
Ортаның рН мәнін неғұрлым өрескел анықтау үшін әртүрлі индикаторлар қолданылады. Көбінесе лакмус, метил апельсин, фенолфталеин және т.б. Олардың түсін өзгерту арқылы зерттелетін композицияның қышқыл, сілтілі немесе бейтарап екенін білуге болады.
| Индикатор | pΗ<7 | pΗ=7 | pΗ>7 |
| Лакмус | қызыл | күлгін | көк |
| Фенолфталеин | түссіз | түссіз | таңқурай |
| Метил апельсин | қызғылт | апельсин | сары |
РН-ны құралдармен өлшеу
Η+ иондары концентрациясының анағұрлым дәл мәнін, демек, ерітіндінің рН мәнін рН өлшегіш арқылы табуға болады. Бұл талдау әдісі потенциометриялық деп аталады. Ол электродтық потенциалды өлшеуге және оның мәні мен зерттелетін ерітіндідегі компонент концентрациясы арасындағы байланысты анықтауға негізделген. Электродтық потенциал металл ерітіндісінің интерфейсінде жүріп жатқан электрохимиялық процеске байланысты туындайды.
Өлшеуді жүзеге асыру үшін гальваникалық элемент электродтары бар екі жартылай ұяшықтан тұрады, олардың біреуінің потенциалы алдын ала белгілі. Содан кейін ЭҚК өлшенеді. Көбінесе сулы ерітінділердегі рН анықтау күміс хлориді және шыны электродтар арқылы жүзеге асырылады. Біріншісі - анықтамалық электрод. Екіншінің потенциалының мәні ерітіндідегі Η+ иондарының концентрациясына байланысты.
Сонымен қатар зертханалардағы рН мәні колориметриялық жолмен анықталады. Бұл әдіс екі түсті индикаторлардың сутегі катиондарының құрамына байланысты олардың түсін немесе түс қарқындылығын өзгерту қабілетіне негізделген. Ерітіндіде пайда болатын түс белгілі рН мәні бар ерітінділер туралы деректер негізінде құрастырылған стандартты шкаламен салыстырылады.
pH өлшеу себептері
Олар:
1. Өндіріс үшінқажетті қасиеттері бар өнімдер. Өндіріс процесінде процестің рН мәнінен ауытқу өнім сипаттамаларының өзгеруіне әкелетін бұзылуларды тудыруы мүмкін. Бұл көрсеткіштер дәм немесе сыртқы түрі болуы мүмкін.
2. Құнды азайту үшін. Кейбір өндірістерде өнімнің шығымы тікелей немесе жанама түрде реакция ортасының рН-ына байланысты. Тиісінше, реакция өнімінің шығымы неғұрлым жоғары болса, оның құны соғұрлым төмен болады.
3. Еңбек немесе қоршаған ортаны қорғау мақсатында. Көптеген қосылыстар өздерінің зиянды қасиеттерін белгілі рН деңгейінде ғана көрсететіндіктен, оның мәнін бақылау өте маңызды.
4. Өнім стандарттарына сай болу үшін. Тауарлардың, өнімдердің, дәрі-дәрмектердің және т.б. сапасын стандарттайтын көптеген нормативтік құжаттарда олар сәйкес болуы керек көрсеткіштер тізімі бар. Олардың бірі рН. Осылайша, оның анықтамасы белгілі бір дәрежеде халықты зиянды заттардан қорғауға ықпал етеді.
5. Жабдықты қорғау үшін. Химиялық заттармен жанасатын өндірістік жабдықтардың көпшілігі коррозияға бейім. Оның даму жылдамдығы рН мәндеріне өте тәуелді. Басқаша айтқанда, рН өлшеу өндірістік жабдықты қажетсіз зақымданудан қорғау үшін маңызды.
6. Зерттеу мақсатында. РН деңгейі әртүрлі биохимиялық процестерді зерттеу үшін маңызды. Ол белгілі бір диагнозды растау үшін медициналық мақсатта да өлшенеді.
pH-ның математикалық анықтамасы
Есеп айырысу үшінерітіндінің рН анықтау үшін Η+ немесе OΗ--аниондарының молярлық концентрациясы туралы деректер қажет. Егер олар белгілі болса, сіз бірден формулалардың бірін пайдалана аласыз:
- pΗ=- lg[Η+].
- rОΗ=-lg[OΗ-].
- pΗ + pOΗ=14.
Электролит ерітіндісіндегі ионның моль/л концентрациясын мына теңдеу арқылы табу оңай:
Cm ион=Сmˑαˑ⋅n, мұнда:
Сm ион және Сm – тиісінше ион мен электролиттің молярлық концентрациясы (моль/л).
α - диссоциация дәрежесі.
n - тек бір электролит молекуласының ыдырауы кезінде түзілетін қарастырылып отырған типтегі иондар саны.
Әлсіз электролиттердің диссоциациялану дәрежесін Оствальд сұйылту заңы бойынша анықтауға болады: α=√(Kd/Cm).
Есептерді шешу мысалдары
1. 0,001N NaOH ерітіндісінің рН мәнін есептеу қажет.
Ерітінді: Натрий гидроксиді күшті электролит болғандықтан, оның сулы ерітіндідегі диссоциациясы қайтымсыз. Ол теңдеу бойынша жүреді: NaOΗ → Na + OΗ.
Cm ion=Cmˑαˑn формуласын пайдаланыңыз. Диссоциациялану дәрежесін 1-ге тең қабылдаймыз. Бір NaOH молекуласы жойылғанда бір ОН- ион түзіледі, бұл n=1 дегенді білдіреді. Cm мәселенің шартына сәйкес белгілі және 0, 001 немесе 10-3 тең. Демек, COH−=10-3ˑ1ˑ1=10-3.
Η+ иондарының концентрациясынқатынасынан анықтауға болады=10–14. Формуланы түрлендіру арқылы –14/10-3=10–11 аламыз. Содан кейін рН мәнін есептей аламыз: pΗ=-lg10-11=11.
Жауабы: pH=11.
2. [Η+] және [OH-] есептеу қажет, егер берілген ерітіндіде pH=4, 3.
Шешімі: Ең оңай жолы - алдымен сутегі катиондарының концентрациясын табу: [Η+]=10-рΗ=10 -4, 3=5ˑ10-5 мοл/л.
Гидроксидті аниондардың концентрациясы судың иондық өнімінің қатынасынан ыңғайлы түрде табылады: Η+=10–14/5ˑ10 -5=2ˑ10–10 mοl /л.
Жауап: 5ˑ10-5 мοл/л және 2ˑ10–10 мοл/л.
