Katika kemia, pH ni kipimo cha logarithmic kinachotumiwa kubainisha asidi ya kitu. Hii ni takriban msingi hasi wa logariti 10 ya mkusanyiko wa molar, iliyopimwa kwa vitengo vya moles kwa lita moja ya ioni za hidrojeni. Inaweza pia kuitwa kiashiria cha asidi ya mazingira. Kwa usahihi zaidi, ni msingi hasi wa logarithm 10 ya shughuli ya ioni ya hidrojeni. Katika 25 ° C, miyeyusho yenye pH chini ya 7 ni tindikali, na miyeyusho yenye pH zaidi ya 7 ni ya msingi. Thamani ya pH ya upande wowote inategemea halijoto na ni chini ya 7 kadri halijoto inavyoongezeka. Maji safi hayana upande wowote, pH=7 (saa 25°C), hayana asidi wala alkali. Kinyume na imani maarufu, thamani ya pH inaweza kuwa chini ya 0 au zaidi ya 14 kwa asidi na besi kali sana, mtawalia.
Maombi
Vipimo vya pH ni muhimu katika agronomia, dawa, kemia, matibabu ya maji na maeneo mengine mengi.
Kipimo cha pH kinafaa kwa seti ya miyeyusho ya kawaida, ambayo asidi yake huanzishwa na kimataifa.makubaliano. Viwango vya msingi vya pH hubainishwa kwa kutumia seli ya mkusanyiko wa uhamishaji kwa kupima tofauti inayoweza kutokea kati ya elektrodi ya hidrojeni na elektrodi ya kawaida kama vile kloridi ya fedha. pH ya miyeyusho yenye maji inaweza kupimwa kwa elektrodi ya glasi na mita ya pH au kiashirio.
Inafunguliwa
Dhana ya pH ilianzishwa kwa mara ya kwanza na mwanakemia wa Denmark Søren Peter Laurits Sørensen katika maabara ya Carlsberg mwaka wa 1909 na kurekebishwa hadi kiwango cha sasa cha pH mnamo 1924 ili kushughulikia ufafanuzi na vipimo kulingana na seli za kemikali za kielektroniki. Katika kazi za awali, nukuu ilikuwa na herufi H katika herufi ndogo p, ambayo ina maana: pH.
Asili ya jina
Maana kamili ya p inapingwa, lakini kulingana na Wakfu wa Carlsberg, pH inamaanisha "nguvu ya hidrojeni." Pia imependekezwa kuwa p inasimama kwa neno la Kijerumani potenz ("nguvu"), wengine hurejelea puisance ya Kifaransa (pia ina maana "nguvu", kulingana na ukweli kwamba maabara ya Carlsberg ilikuwa Kifaransa). Pendekezo lingine ni kwamba p inarejelea neno la Kilatini pondus hydroii (kiasi cha hidrojeni), potentio hydroii (uwezo wa hidrojeni), au uwezo wa hidroli (uwezo wa hidrojeni). Inapendekezwa pia kuwa Sørensen alitumia herufi p na q (kawaida huunganisha herufi katika hisabati) ili kuashiria suluhu la jaribio (p) na suluhu la marejeleo (q). Kwa sasa, katika kemia, p inawakilisha logariti ya desimali, na pia hutumika katika neno pKa, linalotumika kwa viambatisho vya kutenganisha asidi ya kati.
Michango ya Marekani
Mtaalamu wa magonjwa ya bakteria Alice Evans, anayejulikana kwa ushawishi wa kazi yake kwenye bidhaa za maziwa na usalama wa chakula, alitoa sifa kwa William Mansfield Clark na wenzake kwa kubuni mbinu za kupima pH katika miaka ya 1910, ambayo baadaye ilikuwa na athari kubwa katika maabara na viwanda. kutumia. Katika kumbukumbu zake, hataji ni kiasi gani au ni kiasi gani Clarke na wenzake walijua kuhusu kazi ya Sorensen katika miaka iliyopita. Tayari wakati huo, wanasayansi walikuwa wakichunguza kwa bidii suala la asidi / alkalinity ya mazingira.
Mvuto wa asidi
Tahadhari ya Dk. Clark ilielekezwa kwa athari ya asidi kwenye ukuaji wa bakteria. Na shukrani kwa hili, aliongeza wazo la sayansi ya wakati huo ya faharisi ya hidrojeni ya asidi ya mazingira. Aligundua kuwa ni nguvu ya asidi katika suala la mkusanyiko wa ioni za hidrojeni ambayo iliathiri ukuaji wao. Lakini njia zilizopo za kupima asidi ya kati ziliamua kiasi, sio ukubwa wa asidi. Kisha, pamoja na wenzake, Dk. Clark alitengeneza mbinu sahihi za kupima mkusanyiko wa ioni za hidrojeni. Mbinu hizi zimechukua nafasi ya mbinu ya uwekaji alama sahihi kwa uamuzi wa asidi katika maabara ya kibaolojia duniani kote. Imegundulika pia kuwa zinaweza kutumika katika michakato mingi ya viwandani na mingineyo ambayo hutumiwa sana.
Kipengele cha vitendo
Mbinu ya kwanza ya kielektroniki ya kupima pH ilivumbuliwa na Arnold Orville Beckman, profesa katika Taasisi ya Teknolojia ya California, mwaka wa 1934. Ilikuwa katika hatua hii kwamba mkulima wa jamii ya machungwaSunkist alitaka mbinu bora ya kupima kwa haraka pH ya ndimu walizovuna kutoka kwenye bustani za karibu. Athari ya asidi ya kati ilizingatiwa kila wakati.
Kwa mfano, kwa suluhisho na shughuli ya ioni ya hidrojeni ya 5 × 10–6 (katika kiwango hiki, hii ni, kwa kweli, idadi ya moles ya ioni za hidrojeni. kwa lita moja ya suluhisho), tunapata 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Hivyo, suluhisho hilo lina pH ya 5.3. Inaaminika kuwa raia wa mole ya maji, mole ya ioni za hidrojeni na mole ya ioni za hidroksidi ni kwa mtiririko huo 18 g, 1 g na 17 g, kiasi cha moles 107 safi (pH 7) ya maji ina kuhusu 1 g ya ioni za hidrojeni zilizotenganishwa (au, kwa usahihi zaidi, 19 g ya H3O + ioni za hidronium) na ioni za hidroksidi 17 g.
Jukumu la halijoto
Kumbuka kuwa pH inategemea halijoto. Kwa mfano, kwa 0 °C pH ya maji safi ni 7.47. Katika 25 °C ni 7, na 100 °C ni 6.14.
Uwezo wa kielektroniki unalingana na pH wakati pH inabainishwa kulingana na shughuli. Kipimo sahihi cha pH kinawasilishwa katika kiwango cha kimataifa cha ISO 31-8.
Seli ya galvani imesanidiwa kupima nguvu ya kielektroniki (EMF) kati ya elektrodi ya marejeleo na elektrodi ya kutambua shughuli ya ioni ya hidrojeni wakati zote zimetumbukizwa katika mmumunyo sawa wa maji. Electrode ya kumbukumbu inaweza kuwa kitu cha kloridi ya fedha au electrode ya calomel. Electrodi ya kuchagua ioni ya hidrojeni ni kawaida kwa programu hizi.
Ili kutekeleza mchakato huu, elektrodi ya glasi hutumiwa badala ya elektrodi kubwa ya hidrojeni. Yeyeina electrode ya kumbukumbu iliyojengwa. Pia inasawazishwa dhidi ya miyeyusho ya bafa na shughuli inayojulikana ya ioni ya hidrojeni. IUPAC ilipendekeza kutumia seti ya suluhu za bafa na shughuli inayojulikana ya H+. Suluhisho mbili au zaidi za bafa hutumiwa kuhesabu ukweli kwamba mteremko unaweza kuwa chini kidogo kuliko bora. Ili kutekeleza mbinu hii ya urekebishaji, elektrodi hutumbukizwa kwanza kwenye myeyusho wa kawaida na usomaji wa mita ya pH huwekwa kwa thamani ya bafa ya kawaida.
Nini kinafuata?
Usomaji kutoka kwa suluhisho la pili la kawaida la bafa basi hurekebishwa kwa kutumia kidhibiti cha mteremko ili kuwa sawa na kiwango cha pH cha suluhu hilo. Wakati zaidi ya suluhu mbili za bafa zinatumiwa, elektrodi hurekebishwa kwa kuweka thamani za pH zinazozingatiwa kwenye mstari wa moja kwa moja dhidi ya viwango vya kawaida vya bafa. Ufumbuzi wa bafa wa kawaida wa kibiashara hutolewa kwa kawaida na maelezo kuhusu thamani ifikapo 25 °C na kipengele cha kusahihisha kitakachotumika kwa halijoto zingine.
Tabia ya ufafanuzi
Mizani ya pH ni logarithmic na, kwa hivyo, pH ni kiasi kisicho na kipimo, ambacho hutumiwa mara nyingi, miongoni mwa mambo mengine, kupima asidi ya mazingira ya ndani ya seli. Huu ulikuwa ufafanuzi asili wa Sorensen, ambao ulibadilishwa mnamo 1909.
Hata hivyo, inawezekana kupima moja kwa moja ukolezi wa ioni ya hidrojeni ikiwa elektrodi itasawazishwa kulingana na viwango vya ioni ya hidrojeni. Njia moja ya kufanya hivyo, ambayo imekuwa ikitumiwa sana, ni kurekebisha suluhisho la mkusanyiko unaojulikanaasidi kali yenye ufumbuzi wa mkusanyiko unaojulikana wa alkali kali mbele ya mkusanyiko wa juu wa elektroliti inayounga mkono. Kwa kuwa viwango vya asidi na alkali vinajulikana, ni rahisi kukokotoa ukolezi wa ioni ya hidrojeni ili uwezo uweze kuhusishwa na thamani iliyopimwa.
Viashirio vinaweza kutumika kupima pH kwa kutumia ukweli kwamba rangi zao hubadilika. Ulinganisho unaoonekana wa rangi ya suluhu la majaribio na kipimo cha rangi cha kawaida huruhusu pH kupimwa kwa usahihi kamili. Vipimo sahihi zaidi vinawezekana ikiwa rangi inapimwa spectrophotometrically kwa kutumia colorimeter au spectrophotometer. Kiashiria cha ulimwengu wote kinaundwa na mchanganyiko wa viashiria ili kuwepo na mabadiliko ya rangi ya kudumu kutoka pH 2 hadi pH 10. Karatasi ya kiashiria cha ulimwengu wote imetengenezwa kutoka kwa karatasi ya kunyonya ambayo imeingizwa na kiashiria cha ulimwengu wote. Mbinu nyingine ya kupima pH ni kutumia kipima cha kielektroniki cha pH.
Viwango vya kipimo
Kupima pH chini ya takriban 2.5 (takriban moles 0.003 za asidi) na zaidi ya 10.5 (takriban moles 0.0003 za alkali) kunahitaji taratibu maalum kwa sababu sheria ya Nernst inakiukwa kwa maadili kama hayo wakati wa kutumia elektrodi ya glasi. Sababu mbalimbali huchangia hili. Haiwezi kudhaniwa kuwa uwezo wa mpito wa kioevu hautegemei pH. Pia, pH uliokithiri inamaanisha kuwa suluhisho limejilimbikizia, hivyo uwezekano wa electrode huathiriwa na mabadiliko ya nguvu ya ionic. Kwa pH ya juu, elektrodi ya glasi inaweza kuwachini ya hitilafu ya alkali kwani elektrodi inakuwa nyeti kwa msongamano wa mikondo kama vile Na+ na K+ katika suluhu. Elektrodi iliyoundwa mahususi zinapatikana ambazo hutatua matatizo haya kwa kiasi.
Kukimbia kutoka kwa migodi au taka za migodi kunaweza kusababisha viwango vya chini vya pH vya pH.
Maji safi hayana upande wowote. Sio tindikali. Wakati asidi inayeyuka katika maji, pH itakuwa chini ya 7 (25°C). Wakati alkali inayeyuka katika maji, pH itakuwa kubwa kuliko 7. Myeyusho wa mol 1 wa asidi kali kama vile asidi hidrokloriki una pH ya sifuri. Suluhisho la alkali kali kama vile hidroksidi ya sodiamu katika mkusanyiko wa mol 1 ina pH ya 14. Kwa hivyo, viwango vya pH vilivyopimwa kwa ujumla vitakuwa kati ya 0 hadi 14, ingawa thamani na maadili hasi ya pH juu ya 14 inawezekana kabisa.
Mengi inategemea ukali wa chombo cha myeyusho. Kwa sababu pH ni kipimo cha logarithmic, tofauti ya kitengo kimoja cha pH ni sawa na tofauti mara kumi ya ukolezi wa ioni ya hidrojeni. PH ya kutoegemea upande wowote haifikii 7 (kwa 25 °C), ingawa katika hali nyingi hii ni ukadiriaji mzuri. Kuegemea upande wowote kunafafanuliwa kuwa hali ambayo [H+]=[OH-]. Kwa kuwa uwekaji ionization ya maji huhifadhi bidhaa ya viwango hivi [H+] × [OH-]=Kw, inaweza kuonekana kuwa katika hali ya kutoegemea upande wowote [H+]=[OH-]=√Kw au pH=pKw / 2.
PKw ni takriban 14, lakini inategemea nguvu ya ioni na halijoto, kwa hivyo thamani ya pH ya kati pia ni muhimu, ambayo inapaswa kuwa ya kawaida.kiwango. Maji safi na myeyusho wa NaCl katika maji safi hayana upande wowote kwa sababu mtengano wa maji hutoa kiasi sawa cha ayoni zote mbili. Hata hivyo, pH ya myeyusho wa NaCl wa upande wowote itakuwa tofauti kidogo na pH ya maji safi ya upande wowote, kwa kuwa shughuli ya ioni za hidrojeni na hidroksidi hutegemea nguvu ya ioni, kwa hivyo Kw hutofautiana kulingana na nguvu ya ioni.
Mimea
Rangi tegemezi za mimea ambazo zinaweza kutumika kama viashirio vya pH hupatikana katika mimea mingi, ikiwa ni pamoja na hibiscus, kabichi nyekundu (anthocyanin), na divai nyekundu. Juisi ya machungwa ina asidi kwa sababu ina asidi ya citric. Asidi nyingine za kaboksili zinapatikana katika mifumo mingi ya maisha. Kwa mfano, asidi ya lactic huzalishwa na shughuli za misuli. Hali ya protonation ya derivatives ya phosphate, kama vile ATP, inategemea asidi ya kati ya pH. Utendaji kazi wa kimeng'enya cha uhamishaji oksijeni cha himoglobini huathiriwa na pH katika mchakato unaojulikana kama athari ya mizizi.
Maji ya bahari
Katika maji ya bahari, pH kwa kawaida huwa na mipaka ya kati ya 7.5 na 8.4. Inachukua jukumu muhimu katika mzunguko wa kaboni katika bahari, na kuna ushahidi wa utiaji tindikali wa bahari unaoendelea unaosababishwa na utoaji wa kaboni dioksidi. Hata hivyo, kupima pH kunachanganyikiwa na sifa za kemikali za maji ya bahari, na kuna mizani kadhaa tofauti ya pH katika oceanografia ya kemikali.
Suluhisho Maalum
Kama sehemu ya ufafanuzi wa uendeshaji wa kipimo cha asidi (pH), IUPAC inafafanua mfululizo wa suluhu za bafa katika safu ya pH (mara nyingi hujulikana kamaNBS au NIST). Miyeyusho hii ina nguvu ya ioni ya chini kiasi (≈0.1) ikilinganishwa na maji ya bahari (≈0.7) na kwa sababu hiyo haipendekezwi kutumika katika ubainishaji wa pH ya maji ya bahari kwa sababu tofauti za nguvu ya ioni husababisha mabadiliko katika uwezo wa elektrodi. Ili kutatua tatizo hili, mfululizo mbadala wa vihifadhi kulingana na maji bandia ya bahari umetengenezwa.
Mfululizo huu mpya hutatua tatizo la tofauti za nguvu ya ioni kati ya sampuli na vihifadhi, na kipimo kipya cha pH cha asidi ya wastani huitwa mizani ya kawaida, ambayo mara nyingi hujulikana kama pH. Kiwango cha jumla kiliamuliwa kwa kutumia kati iliyo na ioni za sulfate. Ioni hizi hupitia upanuzi, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, kwa hivyo kiwango cha jumla kinajumuisha ushawishi wa protoni zote mbili (ioni za hidrojeni zisizolipishwa) na ioni za sulfidi hidrojeni:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Mizani mbadala isiyolipishwa, ambayo mara nyingi hujulikana kama pHF, huacha kuzingatia hili na hulenga [H+]F pekee, na kuifanya kimsingi uwakilisho rahisi zaidi wa ukolezi wa ioni ya hidrojeni. [H+] T pekee ndiyo inayoweza kuamuliwa, kwa hivyo [H+] F inapaswa kukadiriwa kutumia [SO2-4] na uthabiti wa kudumu HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Hata hivyo, ni vigumu kukadiria KS katika maji ya bahari, na hivyo kupunguza manufaa ya kipimo rahisi zaidi cha bure.
Kipimo kingine, kinachojulikana kama kipimo cha maji ya bahari, ambacho mara nyingi hujulikana kama pHSWS, huzingatia uhusiano zaidi wa protoni kati ya ioni za hidrojeni na ioni za floridi, H+ + F- ⇌HF. Matokeo yake ni usemi ufuatao wa [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Hata hivyo, manufaa ya kuzingatia utata huu wa ziada inategemea maudhui ya florini ya kati. Kwa mfano, katika maji ya bahari, ioni za sulfate hupatikana katika viwango vya juu zaidi (mara > 400) kuliko viwango vya fluorine. Kwa hivyo, kwa madhumuni mengi ya kiutendaji, tofauti kati ya kipimo cha kawaida na kipimo cha maji ya bahari ni ndogo sana.
Milinganyo mitatu ifuatayo ni muhtasari wa mizani tatu ya pH:
pHF=- logi [H+] FpHT=- logi ([H+] F + [HSO-4])=- logi [H+] TpHSWS=- logi ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- logi [H+]
Kwa mtazamo wa vitendo, mizani tatu ya pH ya mazingira yenye asidi (au maji ya bahari) hutofautiana katika thamani zake hadi vitengo vya pH 0.12, na tofauti ni kubwa zaidi kuliko inavyohitajika kwa usahihi wa vipimo vya pH, hasa kuhusiana na mfumo wa bahari ya kaboni.
