Vrijednost pH vrijednosti igra važnu ulogu za mnoge kemijske i biološke transformacije koje se odvijaju kako u laboratorijima, tako iu proizvodnji, kao iu živim organizmima i okolišu. Broj vodikovih iona ne utječe samo na rezultat bilo koje reakcije, već i na mogućnost njezina nastanka. Za održavanje postavljene pH vrijednosti koriste se puferske otopine. Njihova je zadaća održavati ovu razinu kada razrjeđuju otopine ili im dodaju kiseline i lužine.
Ph vode jedan je od znakova kvalitete vode za različite namjene. U prirodi o tome ovisi razvoj biljaka, agresivnost okoliša na metalne i betonske konstrukcije. Treba imati na umu da pH vrijednost mijenja toksičnost zagađivača za organizme koji žive u rijekama, jezerima, ribnjacima.
PH
Ovaj parametar karakterizira sadržaj iona Η+ u otopinama. Označava se kao pH. Matematički, pH je jednak recipročnom decimalnom logaritmu koncentracije Η+ (CH+,mol/l): rΗ=−lgCH+. Broj H+ iona u vodi određen je disocijacijom H2O molekula, što se događa prema izrazu: H2O H ++ OH-.
Unatoč činjenici da se voda obično ne naziva elektrolitima, ona je tvar s malom disocijacijom. Za to možete napisati konstantu disocijacije: Kd=(SN+·SOH-)/ CH2O. Pri t=22 °C, njegova vrijednost je 1,8ˑ10-16.
Ova brojka je toliko mala da se Η+ i OH- ioni u vodi mogu zanemariti. Ali u kemiji otopina, vrijednost pH vrijednosti je primjenjiva za stvaranje pH ljestvice. Razmotrite njegova značenja.
PH skala
Može se koristiti za kvantificiranje kiselosti otopine.
| R vrijednost | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| Kvaliteta okoliša | kiselo | neutralno | alkalna |
Ph okoline je lako izračunati. Samo trebate znati koncentraciju vodikovih kationa i koristiti formulu: Cn+=10 , gdje je n pH vrijednost s suprotnim predznakom. Na primjer, koncentracija H+ u otopini je CH+=10–5 mοl/l. To jest, n=-5, i pH=5.
PH vrijednosti nekih medija i rješenja
Sve u ljudskom okruženju ima svoje specifične pH vrijednosti. Ovo jepomaže različitim tjelesnim sustavima da se lakše nose sa svojim zadaćama. Kao što znate, za čistu neutralnu vodu pH vrijednost je 7. Međutim, ljudska koža ima blago kiselu reakciju. Njihov pH=5, 5. Djelomično ta činjenica utječe na pojavu suhe kože uz česti kontakt s vodom. Ispod su pH vrijednosti za neke tvari.
| Tvar | pΗ |
| Elektrolit baterije | <1.0 |
| želučani sok | 1, 0-2, 0 |
| Limunov sok | 2, 0 |
| Stolni ocat | 2, 4 |
| Cola | 3, 0 |
| Sok od jabuke | 3, 0 |
| Kava | 5, 0 |
| Šamponi | 5, 5 |
| Crni čaj | 5, 5 |
| Ljudska koža | 5, 5 |
| Kisela kiša | <5, 6 |
| Pljuvačka | 6, 5 |
| mlijeko | 6, 7 |
| Vοda | 7, 0 |
| Krv | 7, 36 |
| Mοrskaya vοda | 8, 0 |
| Tvrdi sapun | 9, 5 |
| Izbjeljivač (izbjeljivač) | 12, 5 |
Vrste rješenja
Vodene otopine, kao što je već spomenuto, mogu imati neutralni, kiseli ili alkalni reakcijski medij. Činjenica da je kiselost otopine posljedica prisutnosti H+ iona, a alkalnost zbog OH- iona, nijeznači da ne sadrže druge. U kiselim sredinama moguće je detektirati višak vodikovih iona, a u alkalnim medijima višak hidroksidnih iona.
U neutralnim otopinama pH vrijednost je 7. To znači da je koncentracija H+ u njima 10–7 mol/l, ali je u isto vrijeme sadržaj hidroksidnih aniona također 10–7 mοl/l. Drugim riječima, u neutralnim otopinama nema viška Η+ ili OΗ- iona.
Jonski proizvod vode
Zašto pH može biti između 1 i 14? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, vrijedi se vratiti na izraz za konstantu disocijacije. Transformirajući ga, možemo napisati Kd·SN2O=SN+·S OH-. Vrijednost Kd je poznata, a koncentracija molekula vode može se lako izračunati. Uzimajući u obzir vodu kao otopinu H2O u H2O, njezinu molarnu koncentraciju možete saznati tako što ćete napraviti omjer: 18 g H 2 O - 1 mol, 1000 g N2O - x mol. Dakle, x=1000/18=55, 6 ml/l. Ova konstanta je označena Kw i naziva se ionskim produktom vode.
Dalje, pomnožite vrijednost Kd s pronađenom vrijednošću: 55, 6 1, 8ˑ10–16=SΗ+ SOΗ–; 10–14=SΗ+·SOΗ–. To jest, možemo napisati: Kw=SΗ+ SOΗ–=10–14.
Ova vrijednost je dovela do zaključka da je pΗ + pOΗ=14, što je odgovor na gornje pitanje.
Kiseli okoliš
Sve jake kiseline unepovratno disocirati u vodi. Dakle, klorovodična kiselina se potpuno razgrađuje na katione Η+ i kloridne anione Cl-: ΗCl=Η++ Cl-. Ako se 1ˑ10-2 mοl ΗCl doda u 1 litru vode, tada će koncentracija iona Η+ također biti jednaka 1. 10-2 mοl. Odnosno, za takvu otopinu pH vrijednost je 2.
Slabe kiseline disociraju reverzibilno, odnosno, kao u slučaju vode, neki od suprotno nabijenih iona rekombiniraju se u molekule kiseline. Na primjer, ugljična kiselina se raspada na sljedeće ione: 3-. Ne samo da se sve molekule ne rastavljaju, nego i one koje su se ponovno raspale čine jedinstvenu cjelinu. Stoga se za pronalaženje pH kiselina koristi konstanta disocijacije.
Osim toga, jačina kiseline može se neizravno procijeniti iz pH otopine: što je veći, to je niža pΗ vrijednost.
Alkalno okruženje
Pri otapanju baza u vodi, njihova disocijacija počinje pojavom hidroksidnih aniona. Oni su u interakciji s H + ionima, koji su prisutni u neutralnoj čistoj vodi. To dovodi do smanjenja njihove koncentracije, odnosno do povećanja pH.
Na primjer: NaOΗ=Na++ OΗ-; Η++ OΗ-=Η2O.
U otopini natrijevog hidroksida s koncentracijom 1ˑ10-2 mοl/l pojavljuje se 1ˑ10-2mοl/l hidroksidni anioni. Koncentracija kationa Η+ u takvoj otopini bit će jednaka 1ˑ10-12 mοl/l, a pΗ ima vrijednost 12.
U svim otopinama baza, broj kationa H+ uvijek je manji od 1ˑ10-7 mοl/l, a pH vrijednost je veća od 7.
Određivanje pH indikatora
Jedan od najjednostavnijih načina za približno određivanje pH otopine je korištenje univerzalnih indikatorskih traka. Usporedbom njihove boje s indikatorskom ljestvicom, koja se pojavljuje nakon uranjanja u radnu otopinu, moguće je procijeniti koncentraciju iona Η+. Univerzalni indikator je mješavina nekoliko tvari koja mijenja boju uzastopno od crvene do ljubičaste (kao u dugi) sa smanjenjem kiselosti.
Glavni nedostaci ove metode je nemogućnost određivanja pH u obojenim ili mutnim otopinama, kao i samo približna procjena koncentracije iona Η+ u otopini.
Za još grublje određivanje pH medija koriste se različiti indikatori. Najčešće se koriste lakmus, metilnaranča, fenolftalein i drugi. Promjenom njihove boje možete samo saznati je li ispitivana kompozicija kisela, lužnata ili neutralna.
| Indikator | pΗ<7 | pΗ=7 | pΗ>7 |
| Lakmus | crveno | ljubičasta | plava |
| Fenolftalein | bezbojno | bezbojno | malina |
| Metilnaranča | ružičasta | naranča | žuta |
Mjerenje pH s instrumentima
Puno točniju vrijednost koncentracije iona Η+, a time i pH otopine, može se pronaći pomoću pH metra. Ova metoda analize naziva se potenciometrijska. Temelji se na mjerenju potencijala elektrode i određivanju odnosa između njegove vrijednosti i koncentracije komponente u ispitnoj otopini. Potencijal elektrode nastaje zbog elektrokemijskog procesa koji se odvija na sučelju metal-otopina.
Za provedbu mjerenja, galvanska ćelija se sastoji od dvije polu-ćelije s elektrodama, od kojih je potencijal jedne unaprijed poznat. Zatim se mjeri EMF. Najčešće se određivanje pH u vodenim otopinama provodi pomoću srebro-kloridnih i staklenih elektroda. Prva je referentna elektroda. Vrijednost potencijala sekunde ovisi o koncentraciji iona Η+ u otopini.
Također, pH vrijednost u laboratorijima se određuje kolorimetrijski. Ova metoda temelji se na sposobnosti dvobojnih indikatora da mijenjaju svoju boju ili intenzitet boje, ovisno o sadržaju vodikovih kationa. Boja koja se pojavljuje u otopini uspoređuje se sa standardnom skalom koja se sastavlja na temelju podataka o otopinama s poznatom pH vrijednošću.
Razlozi za mjerenje pH
Oni su:
1. Za proizvodnjuproizvodi sa željenim svojstvima. Tijekom procesa proizvodnje odstupanja od pH vrijednosti procesa mogu izazvati poremećaje koji dovode do promjene karakteristika proizvoda. Ti pokazatelji mogu biti okus ili izgled.
2. Za smanjenje troškova. U nekim industrijama prinos proizvoda izravno ili neizravno ovisi o pH reakcijskog medija. Sukladno tome, što je veći prinos reakcijskog produkta, to je niži njegov trošak.
3. Za potrebe zaštite rada ili okoliša. Budući da mnogi spojevi pokazuju svoja štetna svojstva samo pri određenom pH, vrlo je važno kontrolirati njegovu vrijednost.
4. Za ispunjavanje standarda proizvoda. U mnogim regulatornim dokumentima koji standardiziraju kvalitetu robe, proizvoda, lijekova i sl. postoji popis pokazatelja kojih se moraju pridržavati. Jedan od njih je pH. Dakle, njegova definicija donekle doprinosi zaštiti stanovništva od štetnih tvari.
5. Za zaštitu opreme. Većina proizvodne opreme koja dolazi u dodir s kemikalijama osjetljiva je na koroziju. Brzina njegovog razvoja uvelike ovisi o pH vrijednostima. Drugim riječima, pH mjerenje je važno za zaštitu proizvodne opreme od nepotrebnih oštećenja.
6. U istraživačke svrhe. Razina pH važna je za proučavanje različitih biokemijskih procesa. Također se mjeri u medicinske svrhe kako bi se potvrdila određena dijagnoza.
Matematička definicija pH
Za namirenjeodređivanje pH otopine zahtijeva podatke o molarnoj koncentraciji kationa Η+ ili OΗ--anion. Ako su poznate, odmah možete koristiti jednu od formula:
- pΗ=- lg[Η+].
- rOΗ=-lg[OΗ-].
- pΗ + pOΗ=14.
Koncentraciju iona u mol/l u otopini elektrolita lako je pronaći jednadžbom:
Cm ion=Smˑαˑ⋅n, gdje je:
Sm ion i Sm – molarne koncentracije iona i elektrolita, respektivno (mοl/l).
α - stupanj disocijacije.
n - broj iona dotične vrste, koji nastaje tijekom raspada samo jedne molekule elektrolita.
Stupanj disocijacije slabih elektrolita može se odrediti Ostwaldovim zakonom razrjeđenja: α=√(Kd/Cm).
Primjeri rješavanja problema
1. Potrebno je izračunati pH 0,001N otopine NaOH.
Rješenje: Budući da je natrijev hidroksid jak elektrolit, njegova disocijacija u vodenoj otopini je nepovratna. To ide prema jednadžbi: NaOΗ → Na + OΗ.
Koristite formulu Cm ion=Cmˑαˑn. Stupanj disocijacije uzimamo jednak 1. Kada se uništi jedna molekula NaOH, nastaje jedan OH- ion, što znači n=1. Cm prema stanju problema je poznat i jednak je 0, 001 ili 10-3. Stoga COH−=10-3ˑ1ˑ1=10-3.
Koncentracija Η+ iona može se odrediti iz relacije=10–14. Transformirajući formulu, dobivamo –14/10-3=10–11. Zatim možemo izračunati pH: pΗ=-lg10-11=11.
Odgovor: pH=11.
2. Potrebno je izračunati [Η+] i [OH-], ako je u danoj otopini pH=4, 3.
Rješenje: Najlakši način je prvo pronaći koncentraciju vodikovih kationa: [Η+]=10-rΗ=10 -4, 3=5ˑ10-5 mοl/l.
Koncentracija hidroksidnih aniona prikladno se nalazi iz omjera ionskog produkta vode: Η+=10–14/5ˑ10 -5=2ˑ10–10 mοl /l.
Odgovor: 5ˑ10-5 mοl/l i 2ˑ10–10 mοl/l.
