בכימיה, pH הוא סולם לוגריתמי המשמש לקביעת החומציות של תווך. זהו לוגריתם הבסיס השלילי 10 בקירוב של הריכוז המולארי, הנמדד ביחידות של מולים לליטר יוני מימן. זה יכול להיקרא גם אינדיקטור של חומציות הסביבה. ליתר דיוק, זהו הלוגריתם שלילי בסיס 10 של פעילות יוני מימן. ב-25 מעלות צלזיוס, תמיסות עם pH נמוך מ-7 הן חומציות, ותמיסות עם pH גדול מ-7 הן בסיסיות. ערך ה-pH הנייטרלי תלוי בטמפרטורה והוא נמוך מ-7 ככל שהטמפרטורה עולה. מים טהורים הם ניטרליים, pH=7 (ב-25 מעלות צלזיוס), לא חומציים ולא בסיסיים. בניגוד לאמונה הרווחת, ערך ה-pH יכול להיות קטן מ-0 או גדול מ-14 עבור חומצות ובסיסים חזקים מאוד, בהתאמה.
Application
מדידות של pH חשובות באגרונומיה, ברפואה, בכימיה, בטיפול במים ובתחומים רבים אחרים.
סולם ה-pH רלוונטי עבור קבוצה של פתרונות סטנדרטיים, שהחומציות שלהם נקבעה על ידי הבינלאומיהֶסכֵּם. תקני pH ראשוניים נקבעים באמצעות תא ריכוז העברה על ידי מדידת הפרש הפוטנציאלים בין אלקטרודת מימן לאלקטרודה סטנדרטית כגון כסף כלוריד. ניתן למדוד את ה-pH של תמיסות מימיות באמצעות אלקטרודת זכוכית ומד pH או מחוון.
פתיחה
מושג ה-pH הוצג לראשונה על ידי הכימאי הדני Søren Peter Laurits Sørensen במעבדת קרלסברג ב-1909 ושוקנה לרמת ה-pH הנוכחית ב-1924 כדי להתאים להגדרות ומדידות במונחים של תאים אלקטרוכימיים. ביצירות המוקדמות, בסימון היה האות H באותיות p קטנה, שפירושה: pH.
מקור השם
המשמעות המדויקת של ה-p שנויה במחלוקת, אבל לפי קרן קרלסברג, pH פירושו "כוחו של מימן". הוצע גם שה-p מייצג את המילה הגרמנית potenz ("כוח"), אחרים מתייחסים ל-puisance הצרפתית (משמעותה גם "כוח", בהתבסס על העובדה שמעבדת קרלסברג הייתה צרפתית). הצעה נוספת היא ש-p מתייחס למונח הלטיני pondus hydroii (כמות מימן), potentio hydroii (קיבולת מימן) או פוטנציאל הידרולי (פוטנציאל מימן). כמו כן, מוצע שסורנסן השתמש באותיות p ו-q (בדרך כלל מצמידות אותיות במתמטיקה) פשוט כדי לציין פתרון מבחן (p) ופתרון ייחוס (q). נכון להיום, בכימיה, p מייצג את הלוגריתם העשרוני, ומשמש גם במונח pKa, המשמש לקבועי דיסוציאציה של החומציות של תווך.
תרומות אמריקאיות
החיידקית אליס אוונס, הידועה בהשפעת עבודתה על מוצרי חלב ובטיחות מזון, זיכתה את וויליאם מנספילד קלארק ועמיתיו על פיתוח שיטות למדידת pH בשנות ה-19, אשר לאחר מכן השפיעו רבות על מעבדות ותעשייה. להשתמש. בזיכרונותיה, היא לא מציינת כמה או כמה מעט ידעו קלארק ועמיתיו על עבודתו של סורנסן בשנים הקודמות. כבר באותה תקופה, מדענים חקרו באופן פעיל את נושא החומציות/בסיסיות של הסביבה.
השפעת חומצה
תשומת לבו של ד"ר קלארק הופנתה להשפעה של חומצה על צמיחת חיידקים. ובזכות זה, הוא השלים את הרעיון של המדע דאז של מדד המימן של חומציות הסביבה. הוא גילה שעוצמת החומצה מבחינת ריכוז יוני המימן היא שהשפיעה על גדילתם. אבל השיטות הקיימות למדידת חומציות של תווך קבעו את הכמות, לא את עוצמת החומצה. לאחר מכן, יחד עם עמיתיו, פיתח ד"ר קלארק שיטות מדויקות למדידת ריכוז יוני המימן. שיטות אלו החליפו את שיטת הטיטרציה הלא מדויקת לקביעת חומצה במעבדות ביולוגיות ברחבי העולם. כמו כן, נמצא שניתן להשתמש בהם בתהליכים תעשייתיים רבים ואחרים שבהם נעשה בהם שימוש נרחב.
היבט מעשי
שיטת מדידת ה-pH האלקטרונית הראשונה הומצאה על ידי ארנולד אורוויל בקמן, פרופסור במכון הטכנולוגי של קליפורניה, ב-1934. זה היה בשלב זה כי מגדל ההדרים המקומיSunkist רצה שיטה טובה יותר לבדיקה מהירה של ה-pH של הלימונים שהם קטפו ממטעים סמוכים. השפעת החומציות של המדיום נלקחה תמיד בחשבון.
לדוגמה, עבור תמיסה עם פעילות יוני מימן של 5 × 10–6 (ברמה זו, זהו, למעשה, מספר המול של יוני מימן לליטר תמיסה), נקבל 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. לפיכך, לתמיסה כזו יש pH של 5.3. מאמינים שהמסות של שומה של מים, שומה של יוני מימן ושומה של יוני הידרוקסיד הם בהתאמה 18 גרם, 1 גרם ו-17 גרם, הכמות של 107 מולים (pH 7) הטהורים של מים מכילה בערך 1 גרם של יוני מימן מפורקים (או, ליתר דיוק, 19 גרם של H3O + יוני הידרוניום) ו-17 גרם יוני הידרוקסיד.
תפקיד הטמפרטורה
שים לב שה-pH תלוי בטמפרטורה. לדוגמה, ב-0°C ה-pH של מים טהורים הוא 7.47. ב-25°C הוא 7, וב-100°C הוא 6.14.
פוטנציאל האלקטרודה פרופורציונלי ל-pH כאשר ה-pH מוגדר במונחים של פעילות. מדידת pH מדויקת מוצגת בתקן הבינלאומי ISO 31-8.
תא גלווני מוגדר למדוד את הכוח האלקטרו-מוטיבי (EMF) בין אלקטרודת הייחוס לאלקטרודת חישת פעילות יוני המימן כאשר שניהם שקועים באותה תמיסה מימית. אלקטרודת הייחוס עשויה להיות חפץ כלורי כסף או אלקטרודת קלומל. אלקטרודה סלקטיבית יוני מימן היא סטנדרטית עבור יישומים אלה.
כדי ליישם את התהליך הזה, נעשה שימוש באלקטרודת זכוכית במקום באלקטרודת מימן מגושמת. הואבעל אלקטרודת ייחוס מובנית. זה גם מכויל נגד תמיסות חיץ עם פעילות ידועה של יוני מימן. IUPAC הציע להשתמש בקבוצה של פתרונות חיץ עם פעילות H+ ידועה. שני פתרונות חיץ או יותר משמשים כדי להסביר את העובדה שהשיפוע עשוי להיות מעט פחות מהאידיאלי. כדי ליישם גישת כיול זו, האלקטרודה מוטמעת תחילה בתמיסה סטנדרטית וקריאת מד ה-pH מוגדרת לערך של המאגר הסטנדרטי.
מה הלאה?
הקריאה מתמיסת המאגר הסטנדרטית השנייה מתוקנת לאחר מכן באמצעות בקרת שיפוע כך שתהיה שווה לרמת ה-pH עבור אותה תמיסה. כאשר משתמשים ביותר משתי פתרונות חיץ, האלקטרודה מכוילת על ידי התאמת ערכי ה-pH שנצפו לקו ישר מול ערכי חיץ סטנדרטיים. פתרונות חיץ סטנדרטיים מסחריים מסופקים בדרך כלל עם מידע על הערך ב-25 מעלות צלזיוס ומקדם התיקון שיש להחיל עבור טמפרטורות אחרות.
מאפיין הגדרה
סולם ה-pH הוא לוגריתמי, ולכן, ה-pH הוא כמות חסרת ממדים, המשמשת לעתים קרובות, בין היתר, למדידת החומציות של הסביבה הפנימית של התא. זו הייתה ההגדרה המקורית של סורנסן, שהוחלפה ב-1909.
עם זאת, ניתן למדוד ישירות את ריכוז יוני המימן אם האלקטרודה מכוילת במונחים של ריכוזי יוני מימן. אחת הדרכים לעשות זאת, שהייתה בשימוש נרחב, היא טיטרציה של תמיסה בריכוז ידועחומצה חזקה עם תמיסה בריכוז ידוע של אלקלי חזק בנוכחות ריכוז גבוה יחסית של אלקטרוליט תומך. מכיוון שריכוזי החומצה והאלקלי ידועים, קל לחשב את ריכוז יוני המימן כך שניתן יהיה לקשר את הפוטנציאל לערך הנמדד.
אינדיקטורים יכולים לשמש למדידת pH באמצעות העובדה שהצבע שלהם משתנה. השוואה חזותית של צבע תמיסת הבדיקה עם סולם צבעים סטנדרטי מאפשרת מדידת pH בדיוק שלמים. מדידות מדויקות יותר אפשריות אם הצבע נמדד בספקטרופוטומטריה באמצעות קולורימטר או ספקטרופוטומטר. המחוון האוניברסלי מורכב מתערובת של מדדים כך שיש שינוי צבע קבוע מכ-pH 2 ל-pH 10. נייר מחוון אוניברסלי עשוי מנייר סופג שהושפע במחוון אוניברסלי. שיטה נוספת למדידת pH היא שימוש במד pH אלקטרוני.
רמות מדידה
מדידת pH מתחת לכ-2.5 (כ-0.003 מולים חומצה) ומעל לכ-10.5 (כ-0.0003 מולים של אלקלי) דורשת הליכים מיוחדים מכיוון שחוק נרנסט מופר בערכים כאלה בעת שימוש באלקטרודת זכוכית. גורמים שונים תורמים לכך. לא ניתן להניח שפוטנציאל המעבר הנוזל אינו תלוי ב-pH. כמו כן, pH קיצוני אומר שהתמיסה מרוכזת, ולכן פוטנציאל האלקטרודה מושפע מהשינוי בחוזק היוני. ב-pH גבוה, אלקטרודת הזכוכית עשויה להיותנתון לשגיאה בסיסית כאשר האלקטרודה הופכת רגישה לריכוז של קטיונים כגון Na+ ו-K+ בתמיסה. זמינות אלקטרודות שתוכננו במיוחד המתגברות חלקית על בעיות אלו.
נגר ממכרות או פסולת מכרה עלול לגרום לערכי pH נמוכים מאוד.
מים טהורים הם ניטרליים. זה לא חומצי. כאשר החומצה מתמוססת במים, ה-pH יהיה מתחת ל-7 (25 מעלות צלזיוס). כאשר אלקלי מתמוסס במים, ה-pH יהיה גדול מ-7. לתמיסת 1 מול של חומצה חזקה כמו חומצה הידרוכלורית יש pH של אפס. לתמיסה של אלקלי חזק כמו נתרן הידרוקסיד בריכוז של 1 מול יש pH של 14. לפיכך, ערכי pH נמדדים יהיו בדרך כלל בטווח של 0 עד 14, אם כי ערכי pH שליליים וערכי מעל 14 אפשר בהחלט.
הרבה תלוי בחומציות של תווך התמיסה. מכיוון שה-pH הוא סולם לוגריתמי, הפרש של יחידת pH אחת שווה פי עשרה מההבדל בריכוז יוני המימן. הנייטרליות PH לא ממש מגיעה ל-7 (ב-25 מעלות צלזיוס), אם כי ברוב המקרים מדובר בקירוב טוב. ניטרליות מוגדרת כמצב שבו [H+]=[OH-]. מכיוון שהיינון העצמי של המים שומר על התוצר של ריכוזים אלו [H+] × [OH-]=Kw, ניתן לראות שבנייטרליות [H+]=[OH-]=√Kw או pH=pKw / 2.
PKw הוא בערך 14, אבל תלוי בחוזק יוני ובטמפרטורה, כך שגם ערך ה-pH של המדיום חשוב, שאמור להיות נייטרלירָמָה. מים טהורים ותמיסת NaCl במים טהורים הם ניטרליים מכיוון שהניתוק של מים מייצר את אותה כמות של שני היונים. עם זאת, ה-pH של תמיסת NaCl ניטרלית יהיה שונה במקצת מה-pH של מים טהורים ניטרליים, שכן הפעילות של יוני מימן והידרוקסיד תלויה בחוזק היוני, ולכן Kw משתנה בהתאם לחוזק היוני.
צמחים
פיגמנטים צמחיים תלויים שיכולים לשמש כמדדי pH נמצאים בצמחים רבים, כולל היביסקוס, כרוב אדום (אנטוציאנין) ויין אדום. מיץ הדרים הוא חומצי מכיוון שהוא מכיל חומצת לימון. חומצות קרבוקסיליות אחרות נמצאות במערכות חיים רבות. לדוגמה, חומצת חלב מיוצרת על ידי פעילות שרירים. מצב הפרוטונציה של נגזרות פוספט, כגון ATP, תלוי בחומציות של מדיום ה-pH. תפקודו של אנזים העברת חמצן המוגלובין מושפע מ-pH בתהליך המכונה אפקט השורש.
מי ים
במי ים, ה-pH מוגבל בדרך כלל ל-7.5 עד 8.4. הוא ממלא תפקיד חשוב במחזור הפחמן באוקיינוס, ויש עדויות להחמצה מתמשכת של האוקיינוס הנגרמת מפליטת פחמן דו חמצני. עם זאת, מדידת pH מסובכת בגלל התכונות הכימיות של מי הים, ויש כמה סולמות pH שונים באוקיאנוגרפיה כימית.
פתרונות מיוחדים
כחלק מההגדרה התפעולית של סולם החומציות (pH), IUPAC מגדיר סדרה של פתרונות חיץ בטווח ה-pH (המכונה לעתים קרובות כNBS או NIST). לתמיסות אלו חוזק יוני נמוך יחסית (≈0.1) בהשוואה למי ים (≈0.7) וכתוצאה מכך אינן מומלצות לשימוש באפיון pH של מי ים מכיוון שהבדלים בחוזק היוני גורמים לשינויים בפוטנציאל האלקטרודה. כדי לפתור בעיה זו פותחה סדרה חלופית של מאגרים המבוססים על מי ים מלאכותיים.
סדרה חדשה זו פותרת את הבעיה של הבדלי חוזק יוני בין דגימות ומאגרים, וסולם ה-pH החדש לחומציות בינונית נקרא הסולם הנפוץ, המכונה לעתים קרובות pH. הסולם הכולל נקבע באמצעות מדיום המכיל יוני סולפט. יונים אלו חווים פרוטונציה, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, כך שהקנה מידה הכולל כולל את ההשפעה של שני הפרוטונים (יוני מימן חופשיים) ויוני מימן גופרתי:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
הסולם החופשי האלטרנטיבי, המכונה לעתים קרובות pHF, משמיט שיקול זה ומתמקד אך ורק ב-[H+]F, מה שהופך אותו באופן עקרוני לייצוג פשוט יותר של ריכוז יוני מימן. ניתן לקבוע רק [H+] T, לכן יש להעריך את [H+] F באמצעות [SO2-4] וקבוע היציבות HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
עם זאת, קשה להעריך KS במי ים, מה שמגביל את התועלת של קנה מידה חופשי פשוט יותר.
סולם אחר, המכונה סולם מי הים, המכונה לעתים קרובות pHSWS, לוקח בחשבון את קשר הפרוטונים הנוסף בין יוני מימן ליוני פלואוריד, H+ + F- ⇌HF. התוצאה היא הביטוי הבא עבור [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
עם זאת, היתרון של התחשבות במורכבות נוספת זו תלוי בתכולת הפלואור של המדיום. לדוגמה, במי ים, יוני סולפט נמצאים בריכוזים גבוהים בהרבה (> פי 400) מריכוזי הפלואור. כתוצאה מכך, לרוב המטרות המעשיות, ההבדל בין האבנית הנפוצה לסולם מי הים קטן מאוד.
שלושת המשוואות הבאות מסכמות את שלושת סולמות ה-pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- יומן [H+]
מנקודת מבט מעשית, שלושת סולמות ה-pH של סביבה חומצית (או מי ים) שונים בערכיהם של עד 0.12 יחידות pH, וההבדלים גדולים בהרבה ממה שנדרש בדרך כלל לדיוק של מדידות pH, במיוחד ביחס לאוקיאנוס של מערכת הקרבונט.
