ما معنى مقياس درجة الدكتوراه؟

حتى بالنسبة لأولئك الذين يفضلون تجنب تعلم العلوم ، سيكون من الصعب التفاوض حول العالم دون سماع إشارات منتظمة إلى شيء يسمى الرقم الهيدروجيني. إذا لم تكن مضطرًا إلى معرفة ماهية فصل الكيمياء ، فمن المحتمل أن ترى إشارات إلى مستوى الأس الهيدروجيني والمصطلحات المرتبطة به مثل الحموضة والقلوية ، إذا كنت تشاهد فقط بعض إعلانات الشامبو التجارية.

ال مقياس درجة الحموضة هي أداة ابتكرها الكيميائيون لقياس مدى حمضية (أو قلوية ، عكس "حمضي") المحلول. يتم استخدامه يوميًا في عدد لا يحصى من التطبيقات ، بدءًا من التحقق من مستوى الكلور في حوض الاستحمام الساخن لديك حيث ينبغي السماح لعلماء الكيمياء الحيوية باكتشاف الظروف المثالية للتفاعلات المتأثرة بالحموضة تحدث.

مقياس الأس الهيدروجيني ، مثله مثل الكثير من الأدوات المستخدمة في العلوم الفيزيائية ، ليس ما تسميه مقياسًا "بديهيًا" ، مثل المقياس الذي يتراوح من 0 إلى 10 أو من 1 إلى 100 المستخدم في درجات الاختبار أو النسب المئوية النموذجية. ولكن بمجرد تطويرك لتقدير عميق لما يعنيه الرقم من حيث سلوك الجزيئات في محلول مائي (جزيئات) يذوب في ذرات وجزيئات في الماء) ، فإن المخطط بأكمله ليس منطقيًا فحسب ، بل يفتح أبواباً جديدة لفهم جديد تمامًا كيمياء.

اختصار pH يرمز إلى "إمكانات أيون الهيدروجين". المصطلح صاغه عالم الكيمياء الحيوية الدنماركي سورين سورنسون، الذي عرّف "p" كتعليمات لأخذ سالب لوغاريتم تركيز أيون الهيدروجين ، مكتوبًا [H⁺]. الرقم الهيدروجيني هو اللوغاريتم السالب لـ المولارية من H ، وهو قياس إجمالي الأيونات لكل وحدة حجم بدلاً من الكتلة لكل وحدة حجم.

رياضيا ، تعريف الأس الهيدروجيني هو

في كثير من العلوم الفيزيائية ، تنطبق فكرة "التركيز" على كتل الجسيمات بدلاً من خصائصها الأخرى. على سبيل المثال ، إذا تمت إذابة 5.85 جرام (جم) من الملح العادي (كلوريد الصوديوم ، أو كلوريد الصوديوم) في 1000 مليلتر أو مل (1 لتر أو لتر) من الماء (H₂O) ، يمكنك بعد ذلك التعبير عن تركيز كلوريد الصوديوم في الماء في هذه الحالة على أنه 5.85 جم / لتر ، أو 5.85 مجم / مل ، أو وحدات مكافئة أخرى.

ومع ذلك ، في الكيمياء ، فإن "كمية" المادة المهمة ليست عدد الجرامات أو الكيلوجرامات الموجودة فيها ، ولكن عدد الذرات أو الجزيئات الفردية الموجودة. وذلك لأن الذرات والجزيئات تتفاعل مع بعضها بناءً على النسب الذرية والجزيئية ، وليس نسب الكتلة.

الأنواع المختلفة من الذرات (أي العناصر المختلفة) لها كتل مختلفة ، بعدد الجرامات فيها 1 مول (6.02 × 10²³ الجسيمات الفردية) الواردة في "مربع" العنصر في الجدول الدوري للعناصر (انظر الموارد).

على سبيل المثال ، جزيء واحد من H₂يحتوي O على ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة. كتلة كل H حوالي 1 جم ، بينما كتلة ذرة O أقل بقليل من 16 جم. وهكذا ، في حين أن 16/18 = 88.9 بالمائة من كتلة جزيء الماء تتكون من الأكسجين ، فإن الماء دائمًا له نسبة 2 إلى 1 من ذرات H إلى O.

يستخدم هذا المفهوم للتأسيس التركيز المولي، أو مولات لكل لتر، المحددة م. في الواقع ، الكتلة المولية لـ Na هي 23.0 جم وكتلة الكلور 35.5 جم ، لذا فإن كتلة مول واحد (1 مول ، في الحسابات) من NaCl لها كتلة 58.5 جم. 5.85 جم هي 1/10 من هذا ، لذلك 5.85 جم كلوريد الصوديوم / 1 لتر = محلول كلوريد الصوديوم 0.1 مولار ،

إذا لم تكن معتادًا على اللوغاريتمات أو السجلات ، ففكر فيها على أنها تمثل طرقًا سهلة لضغط التباين الحقيقي للكمية في شكل أكثر ارتباطًا بالرياضيات. السجلات هي أسس تتم معالجتها في شكل غير مرتفع ، الأمر الذي يتطلب دقة رياضية وعادة ما تكون آلة حاسبة.

الجزء الذي تحتاج إلى معرفته هو ذلك لكل عامل من 10 زيادة في تركيز أيونات الهيدروجين ، سينخفض ​​الرقم الهيدروجيني بمقدار 1 وحدة عدد صحيح والعكس بالعكس. هذا يعني أن الحل برقم هيدروجيني 5.0 يحتوي على عشرة أضعاف [H⁺] من محلول برقم هيدروجيني 6.0 ، و 1/1000 من [H.⁺] من محلول 3.0 درجة الحموضة.

• تحدد كل من قوة الحمض (أي الخصائص الكامنة في الأحماض الفردية) وتركيز الحمض (الذي يمكنك تغييره في المختبر) الرقم الهيدروجيني للمحلول.

كما لوحظ ، فإن محلول 1 مولار (1M) من أيونات الهيدروجين النقية (بدون أنيون مصاحب) له درجة حموضة 0. لا يُرى هذا في الطبيعة ويستخدم كنقطة مرجعية لقياس الأس الهيدروجيني باستخدام قطب كهربائي يمثل جزءًا من مقياس الأس الهيدروجيني. تتم معايرتها لترجمة فروق الجهد بين المحلول المرجعي والمحلول محل الاهتمام إلى قيمة pH لهذا الأخير.

1 خلد الأيونات لكل لتر يعني حوالي 6.02 × 10²³ الجزيئات أو الذرات الفردية (أي الجسيمات الفردية) لكل لتر من المحلول.

تشمل القيم الشائعة للرقم الهيدروجيني حوالي 1.5 لحمض المعدة ، وحوالي 2 لعصير الليمون ، و 3.5 للنبيذ ، و 7 للمياه النقية ، وحوالي 7.4 لدم الإنسان الصحي ، و 9 للمبيض و 12 للأمونيا المنزلية. يعتبر المركبان الأخيران أساسيان بشدة ، ويمكنهما إحداث أضرار جسدية تمامًا مثل الحمض ، وإن كان ذلك بآلية مختلفة.

يسمى أنيون يدور في الدم بيكربونات (HCO³⁻) ، الذي يتكون من الماء وثاني أكسيد الكربون ، يحافظ على قلوية الدم إلى حد ما ويعمل بمثابة "عازل" في حالة H⁺ تتراكم الأيونات بسرعة في الدم ، كما يحدث عند انقطاع التنفس لفترات طويلة.

ربما شاهدت إعلانات عن "مضادات الحموضة" ، وهي مواد ، على عكس الأحماض ، يمكن أن تقبل البروتونات ، غالبًا عن طريق التبرع بمجموعة الهيدروكسيل (−OH) التي تقبل البروتون لتكوين الماء مركب.

يمكن أن يؤدي "اكتساح" أيونات H + في المعدة من حمض الهيدروكلوريك الذي تفرزه المعدة بشكل طبيعي إلى التخفيف من الآثار الضارة للحمض على الأغشية الداخلية.

مثال: ما الرقم الهيدروجيني لمحلول به [H +] 4.9 × 10⁻⁷ م؟

الرقم الهيدروجيني = −log [H⁺] = log [4.9 × 10⁻⁷] = 6.31.

لاحظ أن العلامة السالبة تفسر حقيقة أن التركيزات الصغيرة للأيونات تُقاس ستنتج الحلول مقياسًا بنتائج سلبية بخلاف ذلك ، بسبب قيم الأس السالبة.

مثال: ما هو تركيز أيون الهيدروجين لمحلول برقم هيدروجيني 8.45؟

هذه المرة ، ستستخدم نفس المعادلة بطريقة مختلفة قليلاً:

8.45 = log [H.⁺] ، أو −8.45 = سجل [H.⁺].

لحل هذه المشكلة ، يمكنك استخدام حقيقة أن الرقم الموجود بين قوسين هو مجرد أساس لوغاريته ، 10 ، مرفوعًا إلى قيمة السجل نفسه:

[H +] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ م.

راجع الموارد للحصول على مثال لأداة تسمح لك بمعالجة هوية وتركيز الأحماض في المحلول في تحديد قيم الأس الهيدروجيني المرتبطة.

لاحظ أنه أثناء تجربة الأحماض المختلفة في القائمة المنسدلة المتوفرة واستخدام تركيزات مولارية مختلفة ، ستفعل اكتشف حقيقة مثيرة للاهتمام حول الأس الهيدروجيني: إنها تعتمد على كل من هوية الحمض (وبالتالي قوته الكامنة) وهويته تركيز. لذلك يمكن للحمض الأضعف في التركيز المولي الأعلى أن ينتج محلولًا بدرجة حموضة أقل من محلول مخفف بدرجة كافية من حمض أقوى.