Nawet tym, którzy woleliby unikać nauki o nauce, trudno byłoby negocjować świat bez regularnych odniesień do czegoś, co nazywa się pH. Jeśli nie musisz wiedzieć, co to jest na zajęciach z chemii, prawdopodobnie zobaczysz odniesienia do poziomu pH i powiązanych terminów, takich jak kwasowość i zasadowość, jeśli tylko obejrzysz kilka reklam szamponu.
Skala pH to narzędzie opracowane przez chemików do pomiaru kwasowości (lub zasadowości, przeciwieństwo „kwaśnego”) roztworu. Jest używany codziennie w niezliczonych zastosowaniach, od sprawdzania, czy poziom chloru w Twojej wannie z hydromasażem jest gdzie powinno być, aby umożliwić biochemikom wymyślenie idealnych warunków dla reakcji, na które wpływa kwasowość, aby pojawić się.
Skala pH, podobnie jak wiele narzędzi wykorzystywanych w naukach fizycznych, nie jest skalą „intuicyjną”, jak na przykład skala od 0 do 10 lub od 1 do 100 stosowana do typowych wyników quizów lub wartości procentowych. Ale kiedy rozwiniesz głębokie uznanie dla tego, co oznacza ta liczba pod względem zachowania cząsteczek w roztworze wodnym (cząsteczek rozpuszczone w składowych atomach i cząsteczkach w wodzie), cały schemat nie tylko ma sens, ale otwiera nowe drzwi do zupełnie nowego zrozumienia chemia.
Jaka jest skala pH?
Skrót pH oznacza „potencjał jonów wodorowych”. Termin został ukuty przez duńskiego biochemika Søren Sørenson, który zdefiniował „p” jako instrukcje, aby wziąć minus logarytmu stężenia jonów wodorowych, napisał [H+]. pH jest ujemnym logarytmem molarność H, który jest miarą całkowitej liczby jonów na jednostkę objętości, a nie masy na jednostkę objętości.
Matematycznie definicja pH to
pH = -log_{10}[H^{+}]
Jakie są pieprzyki i molarność?
W większości nauk fizycznych idea „koncentracji” odnosi się do mas cząstek, a nie do ich innych właściwości. Na przykład, jeśli 5,85 grama (g) zwykłej soli (chlorku sodu lub NaCl) rozpuści się w 1000 mililitrów lub ml (1 litr lub l) wody (H2O), możesz wówczas wyrazić stężenie chlorku sodu w wodzie w tym przypadku jako 5,85 g/L lub 5,85 mg/mL lub inne równoważne jednostki.
Jednak w chemii „ilość” substancji ma znaczenie nie tyle ile jest jej gramów lub kilogramów, ale ile jest pojedynczych atomów lub cząsteczek. Dzieje się tak, ponieważ atomy i cząsteczki reagują ze sobą w oparciu o stosunki atomowe i cząsteczkowe, a nie stosunki masowe.
Różne rodzaje atomów (czyli różne pierwiastki) mają różne masy, a liczba gramów w 1 kret (6.02 × 1023 poszczególne cząstki) podane w „pudełku” pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków (patrz Zasoby).
Na przykład jedna cząsteczka H2O ma dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Każdy H ma masę około 1 g, podczas gdy atom O ma masę prawie 16 g. Tak więc, podczas gdy 16/18 = 88,9 procent masy cząsteczki wody składa się z tlenu, woda zawsze ma stosunek 2:1 atomów H do O.
Ta koncepcja służy do ustalenia stężenie molowe, lub liczba moli na litr, wyznaczony M. Tak się składa, że masa molowa Na wynosi 23,0 g, a chloru 35,5 g, więc 1 mol (1 mol, w obliczeniach) NaCl ma masę 58,5 g. 5,85 g to 1/10 tego, więc 5,85 g NaCl/1 l = 0,1 M roztwór NaCl,
Co to jest skala logarytmiczna?
Jeśli nie znasz logarytmów lub logarytmów, pomyśl o nich jako o prostych sposobach skompresowania prawdziwej zmienności wielkości w bardziej matematycznie powiązaną formę. Dzienniki są wykładnikami obsługiwanymi w formie innej niż indeks górny, co wymaga matematycznych sztuczek i zwykle kalkulatora.
Część, którą musisz wiedzieć, to to dla każdego współczynnika 10 wzrostu stężenia jonów wodorowych pH zmniejszy się o 1 jednostkę całkowitą i odwrotnie con. Oznacza to, że roztwór o pH 5,0 ma dziesięciokrotnie większą wartość [H+] roztworu o pH 6,0 i 1/1000 [H+] roztworu o pH 3,0.
- O pH roztworu decyduje zarówno siła kwasu (to znaczy wrodzone właściwości poszczególnych kwasów), jak i stężenie kwasu (które można zmienić w laboratorium).
Jak mierzy się pH?
Jak wspomniano, 1-molowy (1M) roztwór czystych jonów wodorowych (bez związanego z nimi anionu) ma pH 0. Nie jest to widoczne w naturze i jest używane jako punkt odniesienia do pomiaru pH za pomocą elektrody będącej częścią pehametru. Są one kalibrowane w celu przełożenia różnic napięcia między roztworem referencyjnym a roztworem będącym przedmiotem zainteresowania na wartość pH dla tego ostatniego.
1 kret jonów na litr to około 6,02 × 1023 pojedyncze cząsteczki lub atomy (tj. pojedyncze cząstki) na litr roztworu.
Jakie jest znaczenie pH?
Typowe wartości pH to około 1,5 dla kwasu żołądkowego, około 2 dla soku z limonki, 3,5 dla wina, 7 dla czystej wody, około 7,4 dla zdrowej ludzkiej krwi, 9 dla wybielacza i 12 dla domowego amoniaku. Te dwa ostatnie związki są silnie zasadowe i mogą powodować uszkodzenia fizyczne, podobnie jak kwas, choć w innym mechanizmie.
Anion krążący we krwi zwany dwuwęglan (HCO3−), który tworzy się z wody i dwutlenku węgla, utrzymuje nieco alkaliczność krwi i działa jako „bufor” w przypadku H+ jony szybko gromadzą się we krwi, jak wtedy, gdy oddychanie jest przerywane na dłuższy czas.
Być może widziałeś reklamy „środków zobojętniających kwas”, które są substancjami, które w przeciwieństwie do kwasów może przyjmować protony, często oddając grupę hydroksylową (-OH), która przyjmuje proton, tworząc wodę cząsteczka.
Wynikające z tego „wymiatanie” jonów H+ w żołądku z kwasu solnego, który naturalnie wydziela żołądek, może przynieść ulgę od szkodliwego wpływu kwasu na błony wewnętrzne.
Przykładowe obliczenia pH
Przykład: Jakie jest pH roztworu o [H+] 4,9×10−7 M?
pH=−log[H+] = −log[4,9 × 10−7] = 6.31.
Zwróć uwagę, że znak ujemny odpowiada za to, że małe stężenia jonów obserwowane w zmierzonych w przeciwnym razie rozwiązania dałyby skalę z ujemnymi wynikami, ze względu na ujemne wartości wykładników.
Przykład: Jakie jest stężenie jonów wodorowych w roztworze o pH 8,45?
Tym razem użyjesz tego samego równania w nieco inny sposób:
8.45 =−log[H+], lub -8,45 = log[H+].
Aby rozwiązać, użyj faktu, że liczba w nawiasach jest tylko podstawą dziennika, 10, podniesioną do wartości samego dziennika:
[H+] = 10−8.45 = 3.5 × 10−9 M.
Kalkulator pH online
Zobacz Zasoby, aby zapoznać się z przykładem narzędzia, które umożliwia manipulowanie tożsamością i stężeniem kwasów w roztworze przy określaniu powiązanych wartości pH.
Pamiętaj, że eksperymentując z różnymi kwasami z podanej listy rozwijanej i używając różnych stężeń molowych, będziesz odkryj interesujący fakt na temat pH: Zależy zarówno od tożsamości kwasu (a tym samym jego wrodzonej siły), jak i od jego stężenie. Słabszy kwas o wyższym stężeniu molowym może zatem dawać roztwór o niższym pH niż wystarczająco rozcieńczony roztwór mocniejszego kwasu.