Химияда рН – чөйрөнүн кычкылдуулугун аныктоо үчүн колдонулган логарифмдик шкала. Бул суутек иондорунун литрине моль бирдиктери менен ченелген молярдык концентрациянын болжол менен терс негизи 10 логарифм. Аны чөйрөнүн кычкылдуулугунун көрсөткүчү деп да атоого болот. Тагыраак айтканда, бул суутек ионунун активдүүлүгүнүн терс негизи 10 логарифм. 25°Сте рН 7ден аз болгон эритмелер кислоталуу, ал эми рН 7ден жогору болгон эритмелер негиздүү болуп саналат. Нейтралдуу рН мааниси температурага көз каранды жана температура көтөрүлгөндө 7ден аз болот. Таза суу нейтралдуу, рН=7 (25°С), кислота да, щелоч да эмес. Кеңири таралган ишенимге каршы, рН мааниси өтө күчтүү кислоталар жана негиздер үчүн тиешелүүлүгүнө жараша 0дөн аз же 14төн жогору болушу мүмкүн.
Колдонмо
pH өлчөө агрономияда, медицинада, химияда, сууну тазалоодо жана башка көптөгөн тармактарда маанилүү.
РН шкаласы кычкылдуулугу эл аралык стандарттар тарабынан белгиленген стандарттуу эритмелерге тиешелүү.макулдашуу. Негизги рН стандарттары суутек электродунун жана күмүш хлориди сыяктуу стандарттык электроддун ортосундагы потенциалдуу айырманы өлчөө жолу менен өткөрүү концентрациясынын клеткасынын жардамы менен аныкталат. Суудагы эритмелердин рНын айнек электрод жана рН метр же индикатор менен өлчөөгө болот.
Ачылуу
РН түшүнүгү биринчи жолу даниялык химиги Сорен Питер Лауритс Соренсен тарабынан 1909-жылы Карлсберг лабораториясында киргизилген жана электрохимиялык клеткалар боюнча аныктамаларды жана өлчөөлөрдү кабыл алуу үчүн 1924-жылы учурдагы рН деңгээлине кайра каралган. Алгачкы эмгектерде белгилер H тамгасы кичине p менен жазылган, бул: pH.
Аттын келип чыгышы
Рдин так мааниси талаштуу, бирок Карлсберг Фондунун айтымында, pH "суутектин күчү" дегенди билдирет. Ошондой эле, p немисче potenz ("күч") деген сөздү билдирет, башкалары французча puisance (ошондой эле "күч" дегенди билдирет, Карлсберг лабораториясы французча болгонуна негизделген) деген божомолдор бар. Дагы бир сунуш, p латынча pondus hydroii (суутектин көлөмү), potentio hydroii (суутектин сыйымдуулугу) же потенциалдуу гидроли (суутек потенциалы) деген терминди билдирет. Ошондой эле Соренсен p жана q тамгаларын (математикада көбүнчө туташкан тамгалар) жөн гана тесттик чечимди (p) жана шилтеме чечимди (q) белгилөө үчүн колдонгону сунушталат. Учурда химияда p ондук логарифмди билдирет жана ошондой эле чөйрөнүн кычкылдуулугунун диссоциациялануу константалары үчүн колдонулган pKa термининде колдонулат.
Америка салымдары
Бактериолог Элис Эванс, сүт азыктары жана тамак-аш коопсуздугу боюнча эмгегинин таасири менен белгилүү, Уильям Мэнсфилд Кларк жана анын кесиптештери 1910-жылдары рН өлчөө ыкмаларын иштеп чыкканы үчүн, кийинчерээк лабораториялык жана өнөр жай тармагына кеңири таасирин тийгизген. колдонуу. Өзүнүн эскерүүлөрүндө ал Кларк жана анын кесиптештери Соренсендин мурунку жылдардагы иши жөнүндө канчалык көп же канчалык аз билишкенин айтпайт. Ошол убакта окумуштуулар чөйрөнүн кычкылдуулугу/щелочтуулугу маселесин активдүү изилдеп жатышкан.
Кислотанын таасири
Доктор Кларктын көңүлү кислотанын бактериялардын өсүшүнө тийгизген таасирине бурулган. Ошонун аркасында ал чөйрөнүн кычкылдуулугунун суутек индекси жөнүндөгү илимдин идеясын толуктаган. Ал алардын өсүшүнө таасир эткен суутек иондорунун концентрациясы боюнча кислотанын интенсивдүүлүгү экенин аныктады. Бирок чөйрөнүн кычкылдуулугун өлчөө үчүн колдонулуп жаткан ыкмалар кислотанын интенсивдүүлүгүн эмес, көлөмүн аныктаган. Андан кийин доктор Кларк кесиптештери менен суутек иондорунун концентрациясын өлчөөнүн так ыкмаларын иштеп чыккан. Бул ыкмалар дүйнө жүзү боюнча биологиялык лабораторияларда кислота аныктоо үчүн так эмес титрлөө ыкмасын алмаштырды. Ошондой эле алар кеңири колдонулган көптөгөн өнөр жай жана башка процесстерде колдонулушу мүмкүн экени аныкталган.
Практикалык аспект
Биринчи электрондук рН өлчөө ыкмасын 1934-жылы Калифорния технологиялык институтунун профессору Арнольд Орвилл Бекман ойлоп тапкан. Дал ушул учурда жергиликтуу цитрус остуруучуSunkist жакын жердеги бакчалардан жыйнаган лимондордун рН деңгээлин тез текшерүү үчүн жакшыраак ыкманы каалады. чөйрөнүн кычкылдуулугунун таасири ар дайым эске алынган.
Мисалы, суутек ионунун активдүүлүгү 5 × 10–6 болгон эритме үчүн (бул деңгээлде бул, чындыгында, суутек иондорунун моль саны эритменин литрине), биз 1 / (5 × 10-6)=2 × 105 алабыз. Ошентип, мындай эритменин рН 5,3 болот. бир моль суу, бир моль суутек иондору жана бир моль гидроксид иондору тиешелүүлүгүнө жараша 18 г, 1 г жана 17 г, таза 107 моль (рН 7) суунун көлөмү болжол менен 1 г диссоциацияланган суутек иондорун (же, тагыраак айтканда, 19 г H3O + гидроний иондору) жана 17 г гидроксид иондору.
Температуранын ролу
РН температурага көз каранды экенин эске алыңыз. Мисалы, 0 °Cта таза суунун рНы 7,47, 25 °Cде 7, 100 °Cде 6,14.
Электроддун потенциалы рН активдүүлүк менен аныкталганда рНга пропорционал. Так рН өлчөө ISO 31-8 эл аралык стандартында берилген.
Гальваникалык элемент эталондук электрод менен суутек ионунун активдүүлүгүн сезүүчү электроддун ортосундагы электр кыймылдаткыч күчүн (EMF) өлчөө үчүн конфигурацияланган. Эталондук электрод күмүш хлорид объектиси же каломель электрод болушу мүмкүн. Бул колдонмолор үчүн суутек ионунун тандалма электрод стандарт болуп саналат.
Бул процессти ишке ашыруу үчүн көлөмдүү суутек электродунун ордуна айнек электрод колдонулат. Алорнотулган эталондук электрод бар. Ал ошондой эле белгилүү суутек ионунун активдүүлүгү менен буфердик эритмелерге каршы калибрленген. IUPAC белгилүү H+ активдүүлүгү бар буфердик чечимдердин топтомун колдонууну сунуштады. Идеалдан бир аз азыраак болушу мүмкүн экенин эсепке алуу үчүн эки же андан көп буфердик чечимдер колдонулат. Бул калибрлөө ыкмасын ишке ашыруу үчүн электрод адегенде стандарттуу эритмеге салынып, рН метрдин көрсөткүчү стандарттык буфердин маанисине коюлат.
Кийинки эмне?
Экинчи стандарттык буфер эритмесиндеги көрсөткүч андан кийин ошол эритменин рН деңгээлине барабар болуу үчүн эңкейиш контролунун жардамы менен оңдолот. Экиден ашык буфердик эритмелер колдонулганда, электрод байкалган рН маанилерин стандарттык буфердик маанилерге каршы түз сызыкка тууралоо жолу менен калибрленет. Коммерциялык стандарттуу буфердик чечимдер, адатта, 25 °C мааниси жана башка температуралар үчүн колдонула турган оңдоо коэффициенти жөнүндө маалымат менен камсыз кылынат.
Аныктама мүнөздөмөсү
рН шкаласы логарифмдик, демек, рН өлчөмсүз чоңдук, көбүнчө клетканын ички чөйрөсүнүн кычкылдуулугун өлчөө үчүн колдонулат. Бул Соренсендин баштапкы аныктамасы болгон, ал 1909-жылы алмаштырылган.
Бирок, эгерде электрод суутек ионунун концентрациялары боюнча калибрленген болсо, суутек ионунун концентрациясын түздөн-түз өлчөөгө болот. Мунун кеңири колдонулуп келген бир жолу белгилүү концентрациядагы эритмени титрлөө болуп саналаттаяныч электролиттин салыштырмалуу жогорку концентрациясынын катышуусунда күчтүү щелочтун белгилүү концентрациясынын эритмеси менен күчтүү кислота. Кислотанын жана щелочтун концентрациялары белгилүү болгондуктан, суутек ионунун концентрациясын эсептөө оңой, андыктан потенциал өлчөнгөн мааниге байланыштуу болушу мүмкүн.
Индикаторлор түсү өзгөргөндүгүнө байланыштуу pH өлчөө үчүн колдонулушу мүмкүн. Сыноочу эритменин түсүн стандарттуу түс шкаласы менен визуалдык салыштыруу рНды бүтүн сандын тактыгы менен өлчөөгө мүмкүндүк берет. Эгерде түстү колориметрдин же спектрофотометрдин жардамы менен спектрофотометрдик жол менен ченесе, так өлчөө мүмкүн. Универсалдуу индикатор болжол менен рН 2ден рН 10го чейин туруктуу түс өзгөрүшү үчүн индикаторлордун аралашмасынан түзүлөт. Универсалдуу индикатор кагаз универсалдуу индикатор менен сиңирилген соргуч кагаздан жасалган. РН өлчөөнүн дагы бир ыкмасы - электрондук рН метрди колдонуу.
Өлчөө деңгээли
рНды болжол менен 2,5тен төмөн (болжол менен 0,003 моль кислота) жана 10,5тен жогору (болжол менен 0,0003 моль щелоч) өлчөө өзгөчө процедураларды талап кылат, анткени айнек электродду колдонууда мындай маанилерде Нернсттин мыйзамы бузулат. Буга ар кандай факторлор себеп болууда. Бул суюк өтүү потенциалдар рН көз карандысыз деп болжолдоого болбойт. Ошондой эле, экстремалдык рН эритме топтолгон дегенди билдирет, ошондуктан электрод потенциалдарына иондук күчтүн өзгөрүшү таасир этет. Жогорку рНда айнек электрод болушу мүмкүнэлектрод эритмедеги Na+ жана K+ сыяктуу катиондордун концентрациясына сезгич болуп калгандыктан, щелочтук катага дуушар болот. Бул көйгөйлөрдү жарым-жартылай жеңүүчү атайын жасалган электроддор бар.
Шахталардан же шахтанын калдыктарынан агып чыгуулар рНнын өтө төмөн болушуна алып келиши мүмкүн.
Таза суу нейтралдуу. Бул кислота эмес. Кислота сууда эригенде рН 7ден (25°С) төмөн болот. Щелоч сууда эригенде, рН 7ден жогору болот. Туз кислотасы сыяктуу күчтүү кислотанын 1 моль эритмесинде рН нөлгө барабар. 1 моль концентрациясында натрий гидроксиди сыяктуу күчтүү щелочтун эритмеси 14 рНга ээ. Ошентип, өлчөнгөн рН маанилери жалпысынан 0 ден 14кө чейинки диапазондо болот, бирок терс рН маанилери жана маанилери 14төн жогору болушу мүмкүн.
Көп нерсе эритме чөйрөнүн кычкылдыгынан көз каранды. рН логарифмдик шкала болгондуктан, бир рН бирдигинин айырмасы суутек ионунун концентрациясынын он эсе айырмасына барабар. Нейтралдуулук PH 7ге (25 °Cде) такыр жетпейт, бирок көпчүлүк учурларда бул жакшы жакындык. Бейтараптык [H+]=[OH-] болгон шарт катары аныкталат. Суунун өзүн-өзү иондоштуруусу бул концентрациялардын продуктусун [H+] × [OH-]=Kw сактагандыктан, нейтралдуулукта [H+]=[OH-]=√Kw же pH=pKw / 2 экенин көрүүгө болот.
PKw болжол менен 14, бирок иондук күчкө жана температурага көз каранды, ошондуктан чөйрөнүн рН мааниси да маанилүү, ал нейтралдуу болушу керекдеңгээл. Таза суу жана NaCl нин таза суудагы эритмеси нейтралдуу, анткени суунун диссоциацияланышы эки иондун тең көлөмүн бирдей пайда кылат. Бирок, нейтралдуу NaCl эритмесинин рНы нейтралдуу таза суунун рНынан бир аз башкача болот, анткени суутек менен гидроксид иондорунун активдүүлүгү иондук күчкө көз каранды, ошондуктан Kw иондук күчкө жараша өзгөрөт.
Өсүмдүктөр
РН көрсөткүчү катары колдонула турган көз каранды өсүмдүк пигменттери гибискус, кызыл капуста (антоцианин) жана кызыл шарап сыяктуу көптөгөн өсүмдүктөрдө кездешет. Цитрус ширеси кислоталуу, анткени анын курамында лимон кислотасы бар. Башка карбон кислоталары көптөгөн тирүү системаларда кездешет. Мисалы, сүт кислотасы булчуңдардын активдүүлүгүнөн пайда болот. АТФ сыяктуу фосфат туундуларынын протондоо абалы рН чөйрөсүнүн кычкылдуулугуна көз каранды. Гемоглобиндин кычкылтек ташуучу ферментинин иштеши тамыр эффекти деп аталган процессте pH таасир этет.
Деңиз суусу
Деңиз суусунда рН адатта 7,5 жана 8,4 ортосунда чектелет. Ал океандагы көмүртек циклинде маанилүү роль ойнойт жана көмүр кычкыл газынын эмиссиясынан улам океандын кычкылдануусу уланып жаткандыгынын далилдери бар. Бирок, рН өлчөө деңиз суусунун химиялык касиеттери менен татаал жана химиялык океанографияда бир нече түрдүү рН масштабдары бар.
Атайын чечимдер
Кислоталуулук (рН) шкаласынын операциялык аныктамасынын бир бөлүгү катары IUPAC рН диапазонундагы буфердик эритмелердин сериясын аныктайт (көбүнчө мындай деп аталат)NBS же NIST). Бул эритмелер деңиз суусуна (≈0,7) салыштырмалуу төмөн иондук күчкө (≈0,1) ээ жана натыйжада деңиз суусунун рН мүнөздөмөсүндө колдонуу сунушталбайт, анткени иондук күчтүн айырмачылыктары электрод потенциалынын өзгөрүшүнө алып келет. Бул көйгөйдү чечүү үчүн жасалма деңиз суусуна негизделген буферлердин альтернативалуу сериясы иштелип чыкты.
Бул жаңы серия үлгүлөр менен буферлердин ортосундагы иондук күчтүн айырмачылыктары көйгөйүн чечет жана орто кычкылдуулук үчүн жаңы рН шкаласы жалпы шкала деп аталат, көбүнчө рН деп аталат. Жалпы масштаб сульфат иондорун камтыган чөйрөнү колдонуу менен аныкталган. Бул иондор протонацияны башынан өткөрөт, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, ошондуктан жалпы шкала протондордун (эркин суутек иондору) жана күкүрт суутек иондорунун тең таасирин камтыйт:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Альтернативалуу эркин шкала, көбүнчө pHF деп аталат, бул эске алынбайт жана [H+]Fга гана көңүл бурат, бул негизинен суутек ионунун концентрациясын жөнөкөйраак чагылдырат. [H+] T гана аныктоого болот, ошондуктан [H+] F [SO2-4] жана HSO-4 туруктуулук константасы, KS: менен бааланышы керек.
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Бирок, деңиз суусунда KS баалоо кыйын, бул жөнөкөй эркин масштабдын пайдалуулугун чектейт.
Деңиз суусунун шкаласы деп аталган, көбүнчө pHSWS деп аталган дагы бир шкала суутек иондору менен фторид иондорунун ортосундагы протондук байланышты, H+ + F- ⇌HF. Натыйжада [H+] SWS үчүн төмөнкү туюнтма:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Бирок, бул кошумча татаалдыкты эске алуунун пайдасы чөйрөдөгү фтордын курамынан көз каранды. Мисалы, деңиз суусунда сульфат иондору фтордун концентрациясына караганда бир топ жогору концентрацияда (> 400 эсе) кездешет. Натыйжада, көпчүлүк практикалык максаттар үчүн жалпы масштаб менен деңиз суусунун шкаласынын ортосундагы айырма өтө аз.
Төмөнкү үч теңдеме үч рН шкаласын жыйынтыктайт:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Практикалык көз караштан алганда, кислоталуу чөйрөнүн (же деңиз суусунун) үч рН шкаласы 0,12 рН бирдигине чейинки маанилери боюнча айырмаланат жана айырмачылыктар адаттагыдай тактык үчүн талап кылынгандан бир топ чоң. рН өлчөөлөрү, өзгөчө океандын карбонат системасына карата.
