Wat is de betekenis van een Ph-schaal?

Zelfs voor degenen die liever niet over wetenschap willen leren, zou het moeilijk zijn om over de wereld te onderhandelen zonder regelmatige verwijzingen naar iets dat pH wordt genoemd. Als je niet hoeft te weten wat het is voor scheikundeles, zie je waarschijnlijk verwijzingen naar het pH-niveau en bijbehorende termen zoals zuurgraad en alkaliteit, als je alleen maar een paar shampoo-reclames bekijkt.

De pH schaal is een hulpmiddel dat scheikundigen hebben bedacht om te meten hoe zuur (of alkalisch, het tegenovergestelde van "zuur") een oplossing is. Het wordt elke dag gebruikt in talloze toepassingen, van het controleren of het chloorniveau in uw spa is waar het zou moeten zijn om biochemici in staat te stellen ideale omstandigheden te bedenken voor reacties die worden beïnvloed door zuurgraad optreden.

De pH-schaal, zoals veel hulpmiddelen die in de natuurwetenschappen worden gebruikt, is niet wat je een "intuïtieve" schaal zou noemen, zoals een schaal van 0 tot 10 of 1 tot 100 die wordt gebruikt voor typische quizscores of percentages. Maar als je eenmaal een diepe waardering ontwikkelt voor wat het getal betekent in termen van het gedrag van moleculen in een waterige oplossing (moleculen) opgelost in samenstellende atomen en moleculen in water), is het hele schema niet alleen logisch, maar opent het nieuwe deuren naar een geheel nieuw begrip van chemie.

De afkorting pH staat voor "potentieel van waterstofionen". De term is bedacht door de Deense biochemicus Søren Sørenson, die de "p" definieerde als instructies om het negatief van de logaritme van de waterstofionenconcentratie te nemen, geschreven [H⁺]. pH is de negatieve logaritme van de molariteit van H, wat een maat is voor het totale aantal ionen per volume-eenheid in plaats van massa per volume-eenheid.

Wiskundig gezien is de pH-definitie:

In een groot deel van de natuurwetenschap is het idee van "concentratie" van toepassing op massa's deeltjes in plaats van op hun andere eigenschappen. Als bijvoorbeeld 5,85 gram (g) gewoon zout (natriumchloride of NaCl) wordt opgelost in 1000 milliliter of ml (1 liter of L) water (H₂O), dan kunt u de concentratie natriumchloride in water in dit geval uitdrukken als 5,85 g/L, of 5,85 mg/ml, of andere equivalente eenheden.

In de scheikunde is de "hoeveelheid" van een stof die er toe doet niet hoeveel gram of kilogram er van is, maar hoeveel individuele atomen of moleculen er zijn. Dit komt omdat atomen en moleculen met elkaar reageren op basis van atomaire en moleculaire verhoudingen, niet op massaverhoudingen.

Verschillende soorten atomen (dat wil zeggen verschillende elementen) hebben verschillende massa's, met het aantal grammen in 1 mol (6.02 × 10²³ individuele deeltjes) gegeven in de "box" van het element in het periodiek systeem der elementen (zie de bronnen).

Bijvoorbeeld, een molecuul H₂O heeft twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Elke H heeft een massa van ongeveer 1 g, terwijl een O-atoom een ​​massa heeft van iets minder dan 16 g. Dus terwijl 16/18 = 88,9 procent van de massa van een watermolecuul uit zuurstof bestaat, heeft water altijd een 2-op-1 verhouding van H tot O-atomen.

Dit concept wordt gebruikt om vast te stellen: molaire concentratie, of mol per liter, aangewezen M. De molmassa van Na is namelijk 23,0 g en die van chloor is 35,5 g, dus 1 mol (1 mol, in berekeningen) NaCl heeft een massa van 58,5 g. 5,85 g is 1/10e hiervan, dus 5,85 g NaCl/1 L = een 0,1 M NaCl-oplossing,

Als je niet bekend bent met logaritmen, of logs, beschouw ze dan als een gemakkelijke manier om de ware variabiliteit van een grootheid te comprimeren in een meer wiskundig herkenbare vorm. Logboeken zijn exponenten die in niet-superscriptvorm worden verwerkt, waarvoor wiskundige finagling en meestal een rekenmachine vereist zijn.

Het deel dat u moet weten, is dat: voor elke factor 10 toename van de concentratie van waterstofionen, zal de pH met 1 geheel getal afnemen en omgekeerd. Dit betekent dat een oplossing met een pH van 5,0 tien keer de [H⁺] van een oplossing met een pH van 6,0 en 1/1000ste van de [H⁺] van een 3,0-pH-oplossing.

• Zowel de zuursterkte (dat wil zeggen de inherente eigenschappen van individuele zuren) als de zuurconcentratie (die je in het laboratorium kunt veranderen) bepalen de pH van een oplossing.

Zoals opgemerkt, heeft een 1-molaire (1M) oplossing van zuivere waterstofionen (zonder een geassocieerd anion) een pH van 0. Dit komt in de natuur niet voor en wordt gebruikt als referentiepunt voor het meten van de pH met behulp van een elektrode die deel uitmaakt van een pH-meter. Deze zijn gekalibreerd om spanningsverschillen tussen de referentieoplossing en een interessante oplossing te vertalen in een pH-waarde voor de laatste.

1 mol van ionen per liter betekent ongeveer 6,02 × 10²³ individuele moleculen of atomen (d.w.z. individuele deeltjes) per liter oplossing.

Gebruikelijke pH-waarden zijn ongeveer 1,5 voor maagzuur, ongeveer 2 voor limoensap, 3,5 voor wijn, 7 voor zuiver water, ongeveer 7,4 voor gezond menselijk bloed, 9 voor bleekmiddel en 12 voor huishoudelijke ammoniak. De laatste twee verbindingen zijn sterk basisch en kunnen fysieke schade aanrichten, net als zuur, zij het door een ander mechanisme.

Een anion dat in het bloed circuleert, genaamd bicarbonaat (HCO³⁻), die ontstaat uit water en kooldioxide, houdt het bloed enigszins alkalisch en fungeert als een "buffer" in het geval H⁺ ionen hopen zich snel op in het bloed, zoals wanneer de ademhaling voor langere tijd wordt onderbroken.

U hebt misschien advertenties gezien voor 'antacida', stoffen die, in tegenstelling tot zuren, kan protonen accepteren, vaak door een hydroxylgroep (−OH) te doneren die het proton accepteert om een ​​water te vormen molecuul.

Het resulterende "opvegen" van H+-ionen in de maag uit het zoutzuur dat de maag van nature uitscheidt, kan verlichting bieden van de schadelijke effecten van zuur op de interne membranen.

Voorbeeld: Wat is de pH van een oplossing met een [H+] van 4,9×10⁻⁷ M?

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

Merk op dat het negatieve teken verantwoordelijk is voor het feit dat de kleine concentraties ionen die worden gezien in gemeten oplossingen zouden anders een schaal met negatieve resultaten opleveren, vanwege de negatieve exponentwaarden.

Voorbeeld: Wat is de waterstofionenconcentratie van een oplossing met een pH van 8,45?

Deze keer gebruik je dezelfde vergelijking op een iets andere manier:

8.45 =−log[H⁺], of −8,45 = log[H⁺].

Om op te lossen, gebruik je het feit dat het getal tussen haakjes slechts de basis is van het logboek, 10, verhoogd tot de waarde van het logboek zelf:

[H+] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ M.

Zie de bronnen voor een voorbeeld van een hulpmiddel waarmee u de identiteit en concentratie van zuren in oplossing kunt manipuleren bij het bepalen van de bijbehorende pH-waarden.

Houd er rekening mee dat als u experimenteert met verschillende zuren in de meegeleverde vervolgkeuzelijst en verschillende molaire concentraties gebruikt, u: ontdek een interessant feit over pH: het hangt af van zowel de identiteit van het zuur (en dus zijn inherente sterkte) als zijn concentratie. Een zwakker zuur in een hogere molaire concentratie kan dus een oplossing opleveren met een lagere pH dan een voldoende verdunde oplossing van een sterker zuur.