Hvad er meningen med en ph-skala?

Selv for dem, der foretrækker at undgå at lære om videnskab, ville det være svært at forhandle verden uden at høre regelmæssige henvisninger til noget, der kaldes pH. Hvis du ikke behøver at vide, hvad det er for kemiklasse, vil du sandsynligvis se referencer til pH-niveau og tilknyttede udtryk som surhed og alkalinitet, hvis du blot ser et par shampoo-reklamer.

Det pH-skala er et værktøj, som kemikere har udviklet til at måle, hvor sur (eller alkalisk, det modsatte af "sur") en opløsning er. Det bruges hver dag i utallige applikationer, fra at kontrollere, om klorniveauet i dit boblebad er hvor det skulle være at lade biokemikere finde ud af ideelle betingelser for reaktioner påvirket af surhed forekomme.

PH-skalaen er, ligesom mange værktøjer, der anvendes inden for naturvidenskab, ikke det, man kalder en "intuitiv" skala, som en, der spænder fra 0 til 10 eller 1 til 100, der bruges til typiske quizscorer eller procenter. Men når du først udvikler en dyb forståelse for, hvad antallet betyder med hensyn til opførsel af molekyler i en vandig opløsning (molekyler opløst i komponentatomer og molekyler i vand), giver hele skemaet ikke kun mening, men åbner nye døre til en helt ny forståelse af kemi.

Forkortelsen pH står for "potentialet for hydrogenion." Udtrykket blev opfundet af den danske biokemiker Søren Sørenson, der definerede "p" som instruktioner til at tage det negative af logaritmen af ​​hydrogenionkoncentrationen, skrevet [H⁺]. pH er den negative logaritme af molaritet af H, som er et mål for de samlede ioner pr. volumenhedsenhed snarere end masse pr. volumenenhed.

Matematisk er pH-definitionen

I meget af den fysiske videnskab gælder ideen om "koncentration" for masser af partikler snarere end deres andre egenskaber. For eksempel, hvis 5,85 gram (g) almindeligt salt (natriumchlorid eller NaCl) er opløst i 1.000 ml eller ml (1 liter eller L) vand (H₂O), kan du derefter udtrykke koncentrationen af ​​natriumchlorid i vand i dette tilfælde som 5,85 g / L eller 5,85 mg / ml eller andre ækvivalente enheder.

I kemien er "mængden" af et stof, der betyder noget, dog ikke hvor mange gram eller kg af det der er, men hvor mange individuelle atomer eller molekyler der er. Dette skyldes, at atomer og molekyler reagerer med hinanden baseret på atom- og molekylære forhold, ikke masseforhold.

Forskellige typer atomer (dvs. forskellige grundstoffer) har forskellige masser med antallet af gram i 1 mol (6.02 × 10²³ individuelle partikler) givet i elementets "boks" i det periodiske system (se ressourcerne).

For eksempel kan et molekyle af H₂O har to hydrogenatomer og et iltatom. Hver H har en masse på ca. 1 g, mens et O-atom har en masse på lige under 16 g. Mens 16/18 = 88,9 procent af et vandmolekyls masse består af ilt, har vand således altid et 2-til-1-forhold mellem H og O-atomer.

Dette koncept bruges til at etablere molær koncentration, eller mol pr. liter, udpeget M. Som det sker, er molmassen af ​​Na 23,0 g, og den for chlor er 35,5 g, så 1 mol (1 mol, i beregninger) af NaCl har en masse på 58,5 g. 5,85 g er 1/10 af dette, så 5,85 g NaCl / 1 L = en 0,1 M NaCl-opløsning,

Hvis du ikke er bekendt med logaritmer eller logfiler, skal du tænke på dem som repræsenterer en nem måde at komprimere den virkelige variation af en størrelse til en mere matematisk relatabel form. Logfiler er eksponenter, der håndteres i ikke-skrift, hvilket kræver matematisk sammenfletning og normalt en lommeregner.

Den del, du har brug for at vide, er, at for hver faktor 10 stigning i koncentrationen af ​​brintioner, falder pH med 1 heltal og omvendt. Dette betyder, at en opløsning med en pH på 5,0 har ti gange [H⁺] af en opløsning med en pH-værdi på 6,0 og 1/1000 af [H⁺] af en 3,0-pH-opløsning.

• Både syrestyrke (det vil sige de iboende egenskaber ved individuelle syrer) og syrekoncentration (som du kan ændre i laboratoriet) bestemmer en opløsnings pH.

Som bemærket har en 1-molær (1M) opløsning af rene hydrogenioner (uden en associeret anion) en pH på 0. Dette ses ikke i naturen og bruges som referencepunkt til måling af pH ved hjælp af en elektrode, der er en del af en pH-meter. Disse er kalibreret for at oversætte spændingsforskelle mellem referenceopløsningen og en opløsning af interesse til en pH-værdi for sidstnævnte.

1 muldvarp af ioner pr. liter betyder ca. 6,02 × 10²³ individuelle molekyler eller atomer (dvs. individuelle partikler) pr. liter opløsning.

Almindelige pH-værdier inkluderer ca. 1,5 for mavesyre, ca. 2 for limejuice, 3,5 for vin, 7 for rent vand, ca. 7,4 for sundt humant blod, 9 for blegemiddel og 12 for husholdningens ammoniak. De sidstnævnte to forbindelser er stærkt basiske og kan udøve fysisk skade ligesom syre kan, omend ved en anden mekanisme.

En anion, der cirkulerer i blod, kaldes bicarbonat (HCO³⁻), som dannes fra vand og kuldioxid, holder blodet noget alkalisk og fungerer som en "buffer" i tilfælde af H⁺ ioner akkumuleres hurtigt i blod, som når vejrtrækningen afbrydes i længere perioder.

Du har måske set reklamer for "antacida", som er stoffer, der i modsætning til syrer kan acceptere protoner, ofte ved at donere en hydroxyl (-OH) gruppe, der accepterer protonen for at danne et vand molekyle.

Den resulterende "oprydning" af H + -ioner i maven fra den saltsyre, som maven naturligt udskiller, kan tilvejebringe lindring fra de skadelige virkninger af syre på indre membraner.

Eksempel: Hvad er pH-værdien i en opløsning med en [H +] på 4,9 × 10⁻⁷ M?

pH = −log [H⁺] = −log [4,9 × 10⁻⁷] = 6.31.

Bemærk, at det negative tegn tegner sig for, at de små ionkoncentrationer set i målt løsninger ville producere en skala med negative resultater ellers på grund af de negative eksponentværdier.

Eksempel: Hvad er hydrogenionkoncentrationen i en opløsning med en pH på 8,45?

Denne gang sætter du den samme ligning til brug på en lidt anden måde:

8.45 = −log [H⁺], eller −8.45 = log [H⁺].

For at løse bruger du det faktum, at tallet i parentes kun er basen for loggen, 10, hævet til selve loggen:

[H +] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ M.

Se ressourcerne for et eksempel på et værktøj, der giver dig mulighed for at manipulere identiteten og koncentrationen af ​​syrer i opløsning til bestemmelse af tilknyttede pH-værdier.

Bemærk, at når du eksperimenterer med forskellige syrer på den angivne rulleliste og bruger forskellige molære koncentrationer, vil du find en interessant kendsgerning om pH: Det afhænger af både syrenes identitet (og dermed dens iboende styrke) og dens koncentration. En svagere syre i en højere molær koncentration kan derfor producere en opløsning med en lavere pH end en tilstrækkelig fortyndet opløsning af en stærkere syre.