Dalam kimia, pH ialah skala logaritma yang digunakan untuk menentukan keasidan sesuatu medium. Ini adalah lebih kurang asas negatif 10 logaritma kepekatan molar, diukur dalam unit mol per liter ion hidrogen. Ia juga boleh dipanggil penunjuk keasidan alam sekitar. Lebih tepat lagi, ia ialah logaritma asas 10 negatif aktiviti ion hidrogen. Pada 25°C, larutan dengan pH kurang daripada 7 adalah berasid, dan larutan dengan pH lebih daripada 7 adalah asas. Nilai pH neutral adalah bergantung kepada suhu dan kurang daripada 7 apabila suhu meningkat. Air tulen adalah neutral, pH=7 (pada 25°C), tidak berasid atau beralkali. Bertentangan dengan kepercayaan popular, nilai pH boleh kurang daripada 0 atau lebih besar daripada 14 untuk asid dan bes yang sangat kuat, masing-masing.
Permohonan
Pengukuran pH adalah penting dalam agronomi, perubatan, kimia, rawatan air dan banyak lagi bidang lain.
Skala pH adalah relevan untuk satu set larutan piawai, yang keasidannya ditetapkan oleh antarabangsaperjanjian. Piawaian pH utama ditentukan menggunakan sel kepekatan pemindahan dengan mengukur beza keupayaan antara elektrod hidrogen dan elektrod piawai seperti perak klorida. pH larutan akueus boleh diukur dengan elektrod kaca dan meter pH atau penunjuk.
Pembukaan
Konsep pH pertama kali diperkenalkan oleh ahli kimia Denmark Søren Peter Laurits Sørensen di makmal Carlsberg pada tahun 1909 dan disemak semula kepada tahap pH semasa pada tahun 1924 untuk menampung definisi dan ukuran dari segi sel elektrokimia. Dalam karya awal, tatatanda mempunyai huruf H dalam huruf kecil p, yang bermaksud: pH.
Asal usul nama
Makna tepat p dipertikaikan, tetapi menurut Yayasan Carlsberg, pH bermaksud "kuasa hidrogen." Ia juga telah dicadangkan bahawa p bermaksud perkataan Jerman potenz ("kuasa"), yang lain merujuk kepada puisance Perancis (juga bermaksud "kuasa", berdasarkan fakta bahawa makmal Carlsberg adalah Perancis). Cadangan lain ialah p merujuk kepada istilah Latin pondus hydroii (jumlah hidrogen), potentio hydroii (kapasiti hidrogen), atau potensi hidroli (potensi hidrogen). Ia juga dicadangkan bahawa Sørensen menggunakan huruf p dan q (biasanya huruf konjugasi dalam matematik) semata-mata untuk menunjukkan penyelesaian ujian (p) dan penyelesaian rujukan (q). Pada masa ini, dalam kimia, p bermaksud logaritma perpuluhan, dan juga digunakan dalam istilah pKa, digunakan untuk pemalar disosiasi keasidan medium.
Sumbangan Amerika
Pakar Bakteri Alice Evans, yang terkenal dengan pengaruh kerjanya terhadap produk tenusu dan keselamatan makanan, memuji William Mansfield Clark dan rakan-rakannya kerana membangunkan kaedah untuk mengukur pH pada tahun 1910-an, yang kemudiannya memberi kesan yang luas ke atas makmal dan industri. guna. Dalam memoirnya, dia tidak menyebut berapa banyak atau betapa sedikit Clarke dan rakan-rakannya mengetahui kerja Sorensen pada tahun-tahun sebelumnya. Pada masa itu, saintis sedang giat mengkaji isu keasidan / kealkalian alam sekitar.
Pengaruh asid
Perhatian Dr. Clark tertumpu kepada kesan asid pada pertumbuhan bakteria. Dan terima kasih kepada ini, dia menambah idea tentang sains indeks hidrogen keasidan alam sekitar. Beliau mendapati bahawa keamatan asid dari segi kepekatan ion hidrogen yang mempengaruhi pertumbuhannya. Tetapi kaedah sedia ada untuk mengukur keasidan medium menentukan jumlah, bukan keamatan asid. Kemudian, bersama rakan-rakannya, Dr. Clark membangunkan kaedah yang tepat untuk mengukur kepekatan ion hidrogen. Kaedah ini telah menggantikan kaedah pentitratan yang tidak tepat untuk penentuan asid di makmal biologi di seluruh dunia. Ia juga didapati bahawa ia boleh digunakan dalam banyak proses perindustrian dan lain-lain di mana ia digunakan secara meluas.
Aspek praktikal
Kaedah pengukuran pH elektronik pertama telah dicipta oleh Arnold Orville Beckman, seorang profesor di Institut Teknologi California, pada tahun 1934. Pada ketika inilah penanam sitrus tempatanSunkist mahukan kaedah yang lebih baik untuk menguji pH limau dengan cepat yang mereka tuai dari dusun berhampiran. Pengaruh keasidan medium sentiasa diambil kira.
Sebagai contoh, untuk larutan dengan aktiviti ion hidrogen 5 × 10–6 (pada tahap ini, ini sebenarnya, bilangan mol ion hidrogen setiap liter larutan), kita mendapat 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Oleh itu, larutan sedemikian mempunyai pH 5.3. Adalah dipercayai bahawa jisim satu mol air, satu mol ion hidrogen dan satu mol ion hidroksida masing-masing ialah 18 g, 1 g dan 17 g, jumlah 107 mol (pH 7) air tulen mengandungi kira-kira 1 g ion hidrogen tercerai (atau, lebih tepat lagi, 19 g H3O + ion hidronium) dan 17 g ion hidroksida.
Peranan suhu
Perhatikan bahawa pH bergantung kepada suhu. Contohnya, pada 0 °C pH air tulen ialah 7.47. Pada suhu 25 °C ialah 7, dan pada 100 °C ialah 6.14.
Potensi elektrod adalah berkadar dengan pH apabila pH ditakrifkan dari segi aktiviti. Pengukuran pH yang tepat dipersembahkan dalam standard antarabangsa ISO 31-8.
Sel galvanik dikonfigurasikan untuk mengukur daya gerak elektrik (EMF) antara elektrod rujukan dan elektrod pengesan aktiviti ion hidrogen apabila kedua-duanya direndam dalam larutan akueus yang sama. Elektrod rujukan mungkin objek perak klorida atau elektrod kalomel. Elektrod selektif ion hidrogen adalah standard untuk aplikasi ini.
Untuk melaksanakan proses ini, elektrod kaca digunakan dan bukannya elektrod hidrogen yang besar. Diamempunyai elektrod rujukan terbina dalam. Ia juga ditentukur terhadap larutan penimbal dengan aktiviti ion hidrogen yang diketahui. IUPAC mencadangkan menggunakan satu set penyelesaian penimbal dengan aktiviti H+ yang diketahui. Dua atau lebih penyelesaian penimbal digunakan untuk mengambil kira fakta bahawa cerun mungkin kurang sedikit daripada ideal. Untuk melaksanakan pendekatan penentukuran ini, elektrod direndam terlebih dahulu dalam larutan standard dan bacaan meter pH ditetapkan kepada nilai penimbal standard.
Apa yang seterusnya?
Bacaan daripada larutan penimbal piawai kedua kemudian dibetulkan menggunakan kawalan cerun supaya sama dengan paras pH bagi larutan tersebut. Apabila lebih daripada dua larutan penampan digunakan, elektrod ditentukur dengan memasangkan nilai pH yang diperhatikan pada garis lurus terhadap nilai penimbal piawai. Penyelesaian penimbal standard komersial biasanya dibekalkan dengan maklumat tentang nilai pada 25 °C dan faktor pembetulan yang akan digunakan untuk suhu lain.
Ciri definisi
Skala pH adalah logaritma dan, oleh itu, pH ialah kuantiti tanpa dimensi, yang sering digunakan, antara lain, untuk mengukur keasidan persekitaran dalaman sel. Ini ialah definisi asal Sorensen, yang digantikan pada tahun 1909.
Walau bagaimanapun, adalah mungkin untuk mengukur kepekatan ion hidrogen secara langsung jika elektrod ditentukur dari segi kepekatan ion hidrogen. Satu cara untuk melakukan ini, yang telah digunakan secara meluas, ialah mentitrasi larutan yang diketahui kepekatannyaasid kuat dengan larutan kepekatan alkali kuat yang diketahui dengan kehadiran kepekatan elektrolit penyokong yang agak tinggi. Memandangkan kepekatan asid dan alkali diketahui, adalah mudah untuk mengira kepekatan ion hidrogen supaya potensi boleh dikaitkan dengan nilai yang diukur.
Penunjuk boleh digunakan untuk mengukur pH menggunakan fakta bahawa warnanya berubah. Perbandingan visual warna larutan ujian dengan skala warna standard membolehkan pH diukur dengan ketepatan integer. Pengukuran yang lebih tepat boleh dilakukan jika warna diukur secara spektrofotometri menggunakan kolorimeter atau spektrofotometer. Penunjuk universal terdiri daripada campuran penunjuk supaya berlaku perubahan warna kekal dari kira-kira pH 2 kepada pH 10. Kertas penunjuk universal diperbuat daripada kertas penyerap yang telah diresapi dengan penunjuk universal. Kaedah lain untuk mengukur pH ialah menggunakan meter pH elektronik.
Tahap pengukuran
Mengukur pH di bawah kira-kira 2.5 (kira-kira 0.003 mol asid) dan di atas kira-kira 10.5 (kira-kira 0.0003 mol alkali) memerlukan prosedur khas kerana hukum Nernst dilanggar pada nilai sedemikian apabila menggunakan elektrod kaca. Pelbagai faktor menyumbang kepada ini. Ia tidak boleh diandaikan bahawa potensi peralihan cecair adalah bebas daripada pH. Juga, pH yang melampau bermakna bahawa larutan itu tertumpu, jadi potensi elektrod dipengaruhi oleh perubahan kekuatan ion. Pada pH tinggi, elektrod kaca mungkintertakluk kepada ralat alkali kerana elektrod menjadi sensitif kepada kepekatan kation seperti Na+ dan K+ dalam larutan. Elektrod direka khas tersedia yang sebahagiannya dapat mengatasi masalah ini.
Larian daripada lombong atau sisa lombong boleh menghasilkan nilai pH yang sangat rendah.
Air tulen adalah neutral. Ia tidak berasid. Apabila asid larut dalam air, pH akan berada di bawah 7 (25°C). Apabila alkali larut dalam air, pH akan lebih besar daripada 7. Larutan 1 mol asid kuat seperti asid hidroklorik mempunyai pH sifar. Larutan alkali kuat seperti natrium hidroksida pada kepekatan 1 mol mempunyai pH 14. Oleh itu, nilai pH yang diukur biasanya terletak dalam julat 0 hingga 14, walaupun nilai dan nilai pH negatif 14 ke atas adalah mungkin.
Sangat bergantung kepada keasidan medium larutan. Oleh kerana pH ialah skala logaritma, perbezaan satu unit pH adalah bersamaan dengan sepuluh kali ganda perbezaan kepekatan ion hidrogen. Berkecuali PH tidak cukup mencapai 7 (pada 25 °C), walaupun dalam kebanyakan kes ini adalah anggaran yang baik. Kekecualian ditakrifkan sebagai keadaan di mana [H+]=[OH-]. Oleh kerana pengionan sendiri air mengekalkan hasil darab kepekatan ini [H+] × [OH-]=Kw, dapat dilihat bahawa pada neutraliti [H+]=[OH-]=√Kw atau pH=pKw / 2.
PKw ialah lebih kurang 14, tetapi bergantung pada kekuatan dan suhu ionik, jadi nilai pH medium juga penting, yang sepatutnya berada pada neutr altahap. Air tulen dan larutan NaCl dalam air tulen adalah neutral kerana penceraian air menghasilkan jumlah yang sama bagi kedua-dua ion. Walau bagaimanapun, pH larutan NaCl neutral akan berbeza sedikit daripada pH air tulen neutral, kerana aktiviti ion hidrogen dan hidroksida bergantung kepada kekuatan ion, jadi Kw berbeza mengikut kekuatan ion.
Tumbuhan
Pigmen tumbuhan bergantung yang boleh digunakan sebagai penunjuk pH terdapat dalam banyak tumbuhan, termasuk bunga raya, kubis merah (anthocyanin), dan wain merah. Jus sitrus adalah berasid kerana ia mengandungi asid sitrik. Asid karboksilik lain terdapat dalam banyak sistem hidup. Sebagai contoh, asid laktik dihasilkan oleh aktiviti otot. Keadaan protonasi derivatif fosfat, seperti ATP, bergantung kepada keasidan medium pH. Fungsi enzim pemindahan oksigen hemoglobin dipengaruhi oleh pH dalam proses yang dikenali sebagai kesan akar.
Air laut
Dalam air laut, pH lazimnya terhad kepada antara 7.5 dan 8.4. Ia memainkan peranan penting dalam kitaran karbon di lautan, dan terdapat bukti pengasidan laut yang berterusan disebabkan oleh pelepasan karbon dioksida. Walau bagaimanapun, mengukur pH adalah rumit oleh sifat kimia air laut, dan terdapat beberapa skala pH yang berbeza dalam oseanografi kimia.
Penyelesaian Istimewa
Sebagai sebahagian daripada definisi operasi skala keasidan (pH), IUPAC mentakrifkan satu siri larutan penimbal dalam julat pH (sering dirujuk sebagaiNBS atau NIST). Larutan ini mempunyai kekuatan ion yang agak rendah (≈0.1) berbanding dengan air laut (≈0.7) dan akibatnya tidak disyorkan untuk digunakan dalam pencirian pH air laut kerana perbezaan kekuatan ionik menyebabkan perubahan dalam potensi elektrod. Untuk menyelesaikan masalah ini, satu siri penampan alternatif berasaskan air laut buatan telah dibangunkan.
Siri baharu ini menyelesaikan masalah perbezaan kekuatan ion antara sampel dan penimbal, dan skala pH baharu untuk keasidan sederhana dipanggil skala biasa, sering dirujuk sebagai pH. Skala keseluruhan ditentukan menggunakan medium yang mengandungi ion sulfat. Ion ini mengalami protonasi, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, jadi jumlah skala termasuk pengaruh kedua-dua proton (ion hidrogen bebas) dan ion hidrogen sulfida:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Skala bebas alternatif, sering dirujuk sebagai pHF, mengetepikan pertimbangan ini dan memfokuskan secara eksklusif pada [H+]F, menjadikannya pada dasarnya perwakilan yang lebih mudah bagi kepekatan ion hidrogen. Hanya [H+] T boleh ditentukan, jadi [H+] F hendaklah dianggarkan menggunakan [SO2-4] dan pemalar kestabilan HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Walau bagaimanapun, sukar untuk menganggarkan KS dalam air laut, mengehadkan kegunaan skala percuma yang lebih mudah.
Skala lain, dikenali sebagai skala air laut, sering dirujuk sebagai pHSWS, mengambil kira ikatan proton selanjutnya antara ion hidrogen dan ion fluorida, H+ + F- ⇌HF. Hasilnya ialah ungkapan berikut untuk [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Namun, faedah mempertimbangkan kerumitan tambahan ini bergantung pada kandungan fluorin medium. Sebagai contoh, dalam air laut, ion sulfat didapati dalam kepekatan yang jauh lebih tinggi (> 400 kali) daripada kepekatan fluorin. Akibatnya, untuk kebanyakan tujuan praktikal, perbezaan antara skala biasa dan skala air laut adalah sangat kecil.
Tiga persamaan berikut meringkaskan tiga skala pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Dari sudut pandangan praktikal, tiga skala pH persekitaran berasid (atau air laut) berbeza dalam nilainya sehingga 0.12 unit pH, dan perbezaannya jauh lebih besar daripada biasanya diperlukan untuk ketepatan Pengukuran pH, khususnya berkaitan dengan lautan sistem karbonat.
