Ποια είναι η σημασία μιας κλίμακας Ph;

Ακόμα και για εκείνους που θα προτιμούσαν να αποφύγουν να μάθουν για την επιστήμη, θα ήταν δύσκολο να διαπραγματευτούν τον κόσμο χωρίς να ακούσουν τακτικές αναφορές σε κάτι που ονομάζεται pH. Εάν δεν χρειάζεται να ξέρετε τι είναι για την κατηγορία χημείας, είναι πιθανό να δείτε αναφορές στο επίπεδο του pH και σχετικούς όρους όπως η οξύτητα και η αλκαλικότητα, εάν παρακολουθείτε μόνο λίγα διαφημιστικά σαμπουάν.

ο κλίμακα pH είναι ένα εργαλείο που οι χημικοί έχουν επινοήσει για να μετρήσουν πόσο όξινο (ή αλκαλικό, το αντίθετο του "όξινου") είναι μια λύση. Χρησιμοποιείται καθημερινά σε αμέτρητες εφαρμογές, από τον έλεγχο του εάν το επίπεδο χλωρίου στο υδρομασάζ είναι όπου πρέπει να επιτρέπεται στους βιοχημικούς να καταλάβουν τις ιδανικές συνθήκες για αντιδράσεις που επηρεάζονται από την οξύτητα συμβούν.

Η κλίμακα pH, όπως πολλά εργαλεία που χρησιμοποιούνται στη φυσική επιστήμη, δεν είναι αυτό που θα λέγατε "διαισθητική" κλίμακα, όπως μια κλίμακα που κυμαίνεται από 0 έως 10 ή 1 έως 100 που χρησιμοποιείται για τυπικές βαθμολογίες ή ποσοστά κουίζ. Αλλά μόλις αναπτύξετε μια βαθιά εκτίμηση για το τι σημαίνει ο αριθμός όσον αφορά τη συμπεριφορά των μορίων σε ένα υδατικό διάλυμα (μόρια διαλυμένο σε συστατικά άτομα και μόρια στο νερό), ολόκληρο το σχήμα όχι μόνο έχει νόημα αλλά ανοίγει νέες πόρτες σε μια εντελώς νέα κατανόηση χημεία.

Το συντομογραφικό pH σημαίνει «δυναμικό ιόν υδρογόνου». Ο όρος επινοήθηκε από τον δανικό βιοχημικό Søren Sørenson, ο οποίος όρισε το "p" ως οδηγίες για να ληφθεί το αρνητικό του λογάριθμου της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου, γραμμένο [H⁺]. Το pH είναι ο αρνητικός λογάριθμος του μοριακότητα του H, το οποίο είναι ένα μέτρο των συνολικών ιόντων ανά μονάδα όγκου και όχι μάζας ανά μονάδα όγκου.

Μαθηματικά, ο ορισμός του pH είναι

Σε μεγάλο μέρος της φυσικής επιστήμης, η ιδέα της «συγκέντρωσης» ισχύει για μάζες σωματιδίων και όχι για τις άλλες ιδιότητές τους. Για παράδειγμα, εάν 5,85 γραμμάρια (g) απλού άλατος (χλωριούχο νάτριο ή NaCl) διαλύονται σε 1.000 ml ή mL (1 λίτρο ή L) νερού (H₂O), μπορείτε στη συνέχεια να εκφράσετε τη συγκέντρωση χλωριούχου νατρίου στο νερό σε αυτήν την περίπτωση σε 5,85 g / L ή 5,85 mg / mL ή άλλες ισοδύναμες μονάδες.

Στη χημεία, ωστόσο, η "ποσότητα" μιας ουσίας που έχει σημασία δεν είναι πόσα γραμμάρια ή χιλιόγραμμα αυτής, αλλά πόσα μεμονωμένα άτομα ή μόρια υπάρχουν. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα άτομα και τα μόρια αντιδρούν μεταξύ τους με βάση ατομικές και μοριακές αναλογίες, όχι αναλογίες μάζας.

Διαφορετικά είδη ατόμων (δηλαδή, διαφορετικά στοιχεία) έχουν διαφορετικές μάζες, με τον αριθμό γραμμαρίων σε 1 γραμμομόριο (6.02 × 10²³ μεμονωμένα σωματίδια) που δίνονται στο "κουτί" του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων (δείτε τους πόρους).

Για παράδειγμα, ένα μόριο Η₂Το Ο έχει δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου. Κάθε Η έχει μάζα περίπου 1 g, ενώ ένα άτομο O έχει μάζα κάτω από 16 g. Έτσι, ενώ το 16/18 = 88,9 τοις εκατό της μάζας ενός μορίου νερού αποτελείται από οξυγόνο, το νερό έχει πάντα αναλογία 2 προς 1 ατόμων Η προς Ο.

Αυτή η έννοια χρησιμοποιείται για την καθιέρωση μοριακή συγκέντρωση, ή γραμμομόρια ανά λίτρο, ορίζεται Μ. Όπως συμβαίνει, η γραμμομοριακή μάζα του Na είναι 23,0 g και εκείνη του χλωρίου είναι 35,5 g, έτσι 1 mole (1 mol, σε υπολογισμούς) NaCl έχει μάζα 58,5 g. 5,85 g είναι 1 / 10th αυτού, έτσι 5,85 g NaCl / 1 L = 0,1 Μ NaCl διάλυμα,

Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με λογάριθμους ή αρχεία καταγραφής, θεωρήστε τους ότι αντιπροσωπεύουν έναν εύκολο τρόπο συμπίεσης της πραγματικής μεταβλητότητας μιας ποσότητας σε μια πιο μαθηματικά σχετική μορφή. Τα αρχεία καταγραφής είναι εκθέτες που διαχειρίζονται σε μορφή μη υπεργράφου, το οποίο απαιτεί μαθηματική διαμόρφωση και συνήθως μια αριθμομηχανή.

Το μέρος που πρέπει να ξέρετε είναι αυτό για κάθε παράγοντα 10 αύξησης της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου, το pH θα μειωθεί κατά 1 ακέραια μονάδα και αντιστρόφως. Αυτό σημαίνει ότι ένα διάλυμα με pH 5,0 έχει δέκα φορές το [H⁺] διαλύματος με pH 6,0 και 1 / 1.000 του [H⁺] διαλύματος 3,0-pH.

• Τόσο η αντοχή του οξέος (δηλαδή, οι εγγενείς ιδιότητες των μεμονωμένων οξέων) όσο και η συγκέντρωση οξέος (την οποία μπορείτε να αλλάξετε στο εργαστήριο) καθορίζουν το pH ενός διαλύματος.

Όπως σημειώθηκε, ένα διάλυμα 1-γραμμομοριακού (1Μ) καθαρών ιόντων υδρογόνου (χωρίς σχετικό ανιόν) έχει ρΗ 0. Αυτό δεν φαίνεται στη φύση και χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς για τη μέτρηση του pH χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο που είναι μέρος ενός μετρητή pH. Αυτές βαθμονομούνται για να μεταφράσουν τις διαφορές τάσης μεταξύ του διαλύματος αναφοράς και μιας ενδιαφέρουσας λύσης σε τιμή pH για το τελευταίο.

1 ΕΛΙΑ δερματος ιόντων ανά λίτρο σημαίνει περίπου 6,02 × 10²³ μεμονωμένα μόρια ή άτομα (δηλ. μεμονωμένα σωματίδια) ανά λίτρο διαλύματος.

Οι κοινές τιμές του pH περιλαμβάνουν περίπου 1,5 για οξύ στομάχου, περίπου 2 για χυμό ασβέστη, 3,5 για κρασί, 7 για καθαρό νερό, περίπου 7,4 για υγιές ανθρώπινο αίμα, 9 για χλωρίνη και 12 για οικιακή αμμωνία. Οι δύο τελευταίες ενώσεις είναι πολύ βασικές και μπορούν να προκαλέσουν σωματική βλάβη όπως και το οξύ, αν και με διαφορετικό μηχανισμό.

Ένα ανιόν που κυκλοφορεί στο αίμα ονομάζεται διττανθρακικό (HCO³⁻), που σχηματίζεται από νερό και διοξείδιο του άνθρακα, διατηρεί το αίμα κάπως αλκαλικό και δρα ως "ρυθμιστικό" στην περίπτωση H⁺ Τα ιόντα συσσωρεύονται γρήγορα στο αίμα, όπως όταν η αναπνοή διακόπτεται για παρατεταμένες περιόδους.

Ίσως έχετε δει διαφημίσεις για "αντιόξινα", που είναι ουσίες που, σε αντίθεση με τα οξέα, μπορεί να δεχτεί πρωτόνια, συχνά δωρίζοντας μια ομάδα υδροξυλίου (−OH) που δέχεται το πρωτόνιο για να σχηματίσει νερό μόριο.

Η προκύπτουσα «σάρωση» ιόντων Η + στο στομάχι από το υδροχλωρικό οξύ που εκκρίνει φυσικά το στομάχι μπορεί να παρέχει ανακούφιση από τις βλαβερές επιδράσεις του οξέος στις εσωτερικές μεμβράνες.

Παράδειγμα: Ποιο είναι το pH ενός διαλύματος με [H +] 4,9 × 10⁻⁷ Μ?

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

Σημειώστε ότι το αρνητικό σύμβολο αντιπροσωπεύει το γεγονός ότι οι μικρές συγκεντρώσεις ιόντων που φαίνονται μετρημένες οι λύσεις θα παρήγαγαν μια κλίμακα με αρνητικά αποτελέσματα διαφορετικά, λόγω των αρνητικών εκθετικών τιμών.

Παράδειγμα: Ποια είναι η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου ενός διαλύματος με ρΗ 8,45;

Αυτή τη φορά, βάζετε την ίδια εξίσωση για να χρησιμοποιήσετε με λίγο διαφορετικό τρόπο:

8.45 = −log [Η⁺], ή −8.45 = log [H⁺].

Για να λύσετε, χρησιμοποιείτε το γεγονός ότι ο αριθμός σε παρένθεση είναι μόνο η βάση του ημερολογίου του, 10, που αυξάνεται στην τιμή του ίδιου του αρχείου καταγραφής:

[H +] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ Μ.

Δείτε τους πόρους για ένα παράδειγμα εργαλείου που σας επιτρέπει να χειριστείτε την ταυτότητα και τη συγκέντρωση οξέων σε διάλυμα για τον προσδιορισμό των σχετικών τιμών pH.

Σημειώστε ότι καθώς πειραματίζεστε με διαφορετικά οξέα στην αναπτυσσόμενη λίστα που παρέχετε και χρησιμοποιείτε διαφορετικές μοριακές συγκεντρώσεις, θα το κάνετε Ανακαλύψτε ένα ενδιαφέρον γεγονός για το pH: Εξαρτάται τόσο από την ταυτότητα του οξέος (και συνεπώς από την εγγενή του ισχύ) όσο και από το συγκέντρωση. Ένα ασθενέστερο οξύ σε υψηλότερη μοριακή συγκέντρωση μπορεί επομένως να παράγει ένα διάλυμα με χαμηλότερο ρΗ από ένα αρκετά αραιό διάλυμα ενός ισχυρότερου οξέος.