Was ist die Bedeutung einer Ph-Skala?

Selbst für diejenigen, die es vorziehen würden, nicht über Wissenschaft zu lernen, wäre es schwierig, die Welt zu verhandeln, ohne regelmäßig von etwas namens pH zu hören. Wenn Sie nicht wissen müssen, was es für den Chemieunterricht ist, werden Sie wahrscheinlich Hinweise auf den pH-Wert und damit verbundene Begriffe wie Säure und Alkalinität sehen, wenn Sie sich nur ein paar Shampoo-Werbung ansehen.

Das pH-Skala ist ein Werkzeug, das Chemiker entwickelt haben, um zu messen, wie sauer (oder alkalisch, das Gegenteil von "sauer") eine Lösung ist. Es wird täglich in unzähligen Anwendungen verwendet, von der Überprüfung, ob der Chlorgehalt in Ihrem Whirlpool hoch ist wo es sein sollte, Biochemikern zu ermöglichen, ideale Bedingungen für Reaktionen zu finden, die durch Säure beeinflusst werden auftreten.

Die pH-Skala ist, wie viele andere Instrumente der Physik, keine "intuitive" Skala, die von 0 bis 10 oder 1 bis 100 reicht und für typische Quiz-Ergebnisse oder Prozentsätze verwendet wird. Aber sobald Sie ein tiefes Verständnis dafür entwickeln, was die Zahl im Hinblick auf das Verhalten von Molekülen in einer wässrigen Lösung bedeutet (Moleküle aufgelöst in Atome und Moleküle im Wasser), macht das ganze Schema nicht nur Sinn, sondern öffnet auch neue Türen zu einem ganz neuen Verständnis von Chemie.

Die Abkürzung pH steht für "Potenzial des Wasserstoffions". Der Begriff wurde von dem dänischen Biochemiker geprägt Søren Sørenson, der das "p" als Anweisung definierte, den Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration zu verneinen, geschrieben [H⁺]. pH ist der negative Logarithmus des Molarität von H, das ein Maß für die Gesamtionen pro Volumeneinheit ist und nicht die Masse pro Volumeneinheit.

Mathematisch lautet die pH-Definition

In vielen physikalischen Wissenschaften gilt die Idee der "Konzentration" eher für Massen von Teilchen als für ihre anderen Eigenschaften. Wenn beispielsweise 5,85 Gramm (g) Kochsalz (Natriumchlorid oder NaCl) in 1.000 Milliliter oder ml (1 Liter oder L) Wasser (H₂O) können Sie dann die Konzentration von Natriumchlorid in Wasser in diesem Fall als 5,85 g/L oder 5,85 mg/mL oder andere äquivalente Einheiten ausdrücken.

In der Chemie kommt es jedoch nicht auf die „Menge“ eines Stoffes an, wie viel Gramm oder Kilogramm davon vorhanden sind, sondern wie viele einzelne Atome oder Moleküle es gibt. Dies liegt daran, dass Atome und Moleküle basierend auf atomaren und molekularen Verhältnissen miteinander reagieren, nicht auf Massenverhältnissen.

Verschiedene Arten von Atomen (d. h. verschiedene Elemente) haben unterschiedliche Massen, wobei die Grammzahl in 1 mol (6.02 × 10²³ einzelne Partikel), die in der "Box" des Elements im Periodensystem der Elemente angegeben sind (siehe Ressourcen).

Zum Beispiel ein Molekül H₂O hat zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Jedes H hat eine Masse von etwa 1 g, während ein O-Atom eine Masse von knapp 16 g hat. Während also 16/18 = 88,9 Prozent der Masse eines Wassermoleküls aus Sauerstoff bestehen, hat Wasser immer ein 2-zu-1-Verhältnis von H- zu O-Atomen.

Dieses Konzept wird verwendet, um zu etablieren Molare Konzentration, oder Mol pro Liter, vorgesehen M. Die Molmasse von Na beträgt 23,0 g und die von Chlor 35,5 g, also 1 Mol (1 Mol, in Berechnungen) NaCl hat eine Masse von 58,5 g. 5,85 g ist 1/10 davon, also 5,85 g NaCl/1 L = eine 0,1 M NaCl-Lösung,

Wenn Sie mit Logarithmen oder Logarithmen nicht vertraut sind, stellen Sie sich vor, dass sie eine einfache Möglichkeit darstellen, die wahre Variabilität einer Größe in eine mathematisch besser zuordenbare Form zu komprimieren. Logs sind Exponenten, die in nicht hochgestellter Form behandelt werden, was mathematische Finaging und normalerweise einen Taschenrechner erfordert.

Der Teil, den Sie wissen müssen, ist das für jede Erhöhung der Konzentration von Wasserstoffionen um den Faktor 10 sinkt der pH-Wert um 1 ganzzahlige Einheit und umgekehrt. Das bedeutet, dass eine Lösung mit einem pH-Wert von 5,0 das Zehnfache des [H⁺] einer Lösung mit einem pH-Wert von 6,0 und 1/1.000 der [H⁺] einer 3,0-pH-Lösung.

• Sowohl die Säurestärke (d. h. die inhärenten Eigenschaften einzelner Säuren) als auch die Säurekonzentration (die Sie im Labor ändern können) bestimmen den pH-Wert einer Lösung.

Wie bereits erwähnt, hat eine 1-molare (1 M) Lösung reiner Wasserstoffionen (ohne ein zugehöriges Anion) einen pH-Wert von 0. Dies ist in der Natur nicht zu sehen und wird als Referenzpunkt für die Messung des pH-Werts mit einer Elektrode verwendet, die Teil eines pH-Meters ist. Diese werden kalibriert, um Spannungsunterschiede zwischen der Referenzlösung und einer interessierenden Lösung in einen pH-Wert für letztere umzuwandeln.

1 Maulwurf Ionen pro Liter bedeutet etwa 6,02 × 10²³ einzelne Moleküle oder Atome (d. h. einzelne Partikel) pro Liter Lösung.

Übliche pH-Werte sind etwa 1,5 für Magensäure, etwa 2 für Limettensaft, 3,5 für Wein, 7 für reines Wasser, etwa 7,4 für gesundes menschliches Blut, 9 für Bleichmittel und 12 für Haushaltsammoniak. Die beiden letztgenannten Verbindungen sind stark basisch und können ebenso wie Säuren physikalischen Schaden anrichten, wenn auch über einen anderen Mechanismus.

Ein im Blut zirkulierendes Anion namens Bikarbonat (HCO³⁻), das aus Wasser und Kohlendioxid entsteht, hält das Blut etwas alkalisch und wirkt als "Puffer" bei H⁺ Ionen reichern sich schnell im Blut an, beispielsweise bei längerer Atemunterbrechung.

Sie haben vielleicht Werbung für "Antazida" gesehen, das sind Substanzen, die im Gegensatz zu Säuren kann Protonen aufnehmen, oft durch Abgabe einer Hydroxylgruppe (−OH), die das Proton unter Bildung eines Wassers akzeptiert Molekül.

Das daraus resultierende "Aufschwemmen" von H+-Ionen im Magen aus der Salzsäure, die der Magen auf natürliche Weise absondert, kann die schädlichen Auswirkungen der Säure auf die inneren Membranen lindern.

Beispiel: Was ist der pH-Wert einer Lösung mit einem [H+] von 4,9×10⁻⁷ M?

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

Beachten Sie, dass das negative Vorzeichen die Tatsache erklärt, dass die geringen Ionenkonzentrationen in gemessenen Lösungen würden ansonsten wegen der negativen Exponentenwerte eine Skala mit negativen Ergebnissen ergeben.

Beispiel: Wie hoch ist die Wasserstoffionenkonzentration einer Lösung mit einem pH-Wert von 8,45?

Dieses Mal verwenden Sie dieselbe Gleichung etwas anders:

8.45 =−log[H⁺], oder −8.45 = log[H⁺].

Zur Lösung verwenden Sie die Tatsache, dass die Zahl in Klammern nur die Basis des Logs ist, 10, erhöht auf den Wert des Logs selbst:

[H+] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ m.

In den Ressourcen finden Sie ein Beispiel für ein Tool, mit dem Sie die Identität und Konzentration von Säuren in einer Lösung bei der Bestimmung der zugehörigen pH-Werte manipulieren können.

Beachten Sie, dass Sie beim Experimentieren mit verschiedenen Säuren in der bereitgestellten Dropdown-Liste und Verwendung verschiedener molarer Konzentrationen concentration entdecken Sie eine interessante Tatsache über den pH-Wert: Er hängt sowohl von der Identität der Säure (und damit von ihrer inhärenten Stärke) als auch von ihrer Konzentration. Eine schwächere Säure in einer höheren molaren Konzentration kann daher eine Lösung mit einem niedrigeren pH-Wert erzeugen als eine ausreichend verdünnte Lösung einer stärkeren Säure.