Čo je význam stupnice Ph?

Aj pre tých, ktorí by sa radšej učeniu o vede vyhýbali, by bolo ťažké vyjednávať o svete bez pravidelných odkazov na niečo, čo sa volá pH. Ak nemusíte vedieť, čo to je pre hodinu chémie, budete pravdepodobne vidieť odkazy na hladinu pH a súvisiace výrazy ako kyslosť a zásaditosť, ak si pozriete iba niekoľko reklám so šampónom.

The stupnica pH je nástroj, ktorý chemici navrhli na meranie toho, aké kyslé (alebo zásadité, opak „kyslého“) roztoku je. Používa sa každý deň v nespočetných aplikáciách, od kontroly hladiny chlóru vo vašej vírivke kde by to malo byť umožniť biochemikom zistiť ideálne podmienky pre reakcie ovplyvnené kyslosťou na nastať.

Stupnica pH, rovnako ako veľa nástrojov používaných vo fyzikálnych vedách, nie je to, čo by ste nazvali „intuitívnou“ stupnicou, ako je tá, ktorá sa pohybuje od 0 do 10 alebo 1 až 100 a používa sa pre typické skóre alebo percentá kvízu. Ale akonáhle si hlboko uvedomíte, čo toto číslo znamená z hľadiska správania molekúl vo vodnom roztoku (molekuly celá rozpustená vo atómoch a molekulách vo vode), celá schéma má nielen zmysel, ale otvára nové dvere úplne novému porozumeniu chémia.

Skratka pH znamená „potenciál vodíkových iónov“. Termín vytvoril dánsky biochemik Søren Sørenson, ktorý definoval „p“ ako inštrukciu na prevzatie záporného logaritmu koncentrácie vodíkových iónov, napísaný [H⁺]. pH je záporný logaritmus molekulovej hmotnosti molarita H, čo je skôr miera celkových iónov na jednotku objemu ako hmotnosti na jednotku objemu.

Matematicky je definícia pH taká

Vo väčšine fyzikálnych vied sa myšlienka „koncentrácie“ vzťahuje skôr na masy častíc ako na ich ďalšie vlastnosti. Napríklad, ak sa 5,85 gramu (g) ​​čistej soli (chlorid sodný alebo NaCl) rozpustí v 1 000 mililitroch alebo ml (1 liter alebo 1) vody (H₂O), potom môžete koncentráciu chloridu sodného vo vode vyjadriť v tomto prípade ako 5,85 g / l alebo 5,85 mg / ml alebo v iných ekvivalentných jednotkách.

V chémii však „množstvo“ látky, na ktorej záleží, nie je to, koľko je jej gramov alebo kilogramov, ale koľko je ich jednotlivých atómov alebo molekúl. Je to tak preto, lebo atómy a molekuly navzájom reagujú na základe atómových a molekulárnych pomerov, nie hmotnostných pomerov.

Rôzne druhy atómov (tj. Rôzne prvky) majú rozdielne hmotnosti s počtom gramov 1 mól (6.02 × 10²³ jednotlivé častice) uvedené v „škatuli“ prvku v periodickej tabuľke prvkov (pozri Zdroje).

Napríklad jedna molekula H₂O má dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka. Každé H má hmotnosť asi 1 g, zatiaľ čo atóm O má hmotnosť niečo pod 16 g. Zatiaľ čo teda 16/18 = 88,9 percent hmotnosti molekuly vody pozostáva z kyslíka, voda má vždy pomer 2: 1 k atómom H.

Tento koncept sa používa na stanovenie molárna koncentráciaalebo móly na liter, určené M. Ako sa stáva, molárna hmotnosť Na je 23,0 g a chlóru 35,5 g, takže 1 mol (vo výpočtoch 1 mol) NaCl má hmotnosť 58,5 g. 5,85 g je 1/10 z toho, takže 5,85 g NaCl / 1 L = 0,1 M roztok NaCl,

Ak nie ste oboznámení s logaritmami alebo logami, predstavte si ich ako jednoduché spôsoby, ako skomprimovať skutočnú variabilitu veličiny do matematickejšej podoby. Protokoly sú exponenty, s ktorými sa zaobchádza v ne-hornom predpise, čo si vyžaduje matematické doplnenie a zvyčajne kalkulačka.

Časť, ktorú potrebujete vedieť, je táto pri každom 10-násobnom zvýšení koncentrácie vodíkových iónov sa pH zníži o 1 celočíselnú jednotku a naopak. To znamená, že roztok s pH 5,0 má desaťnásobok [H⁺] roztoku s pH 6,0 a 1/1 000. [H⁺] roztoku 3,0-pH.

• Sila kyseliny (tj. Inherentné vlastnosti jednotlivých kyselín) a koncentrácia kyseliny (ktorú môžete zmeniť v laboratóriu) určujú pH roztoku.

Ako bolo uvedené, 1-molárny (1 M) roztok čistých vodíkových iónov (bez súvisiaceho aniónu) má pH 0. Toto sa v prírode nevidí a používa sa ako referenčný bod na meranie pH pomocou elektródy, ktorá je súčasťou pH metra. Sú kalibrované na prevod rozdielov napätia medzi referenčným roztokom a požadovaným roztokom na hodnotu pH pre tento roztok.

1 Krtko iónov na liter znamená asi 6,02 × 10²³ jednotlivé molekuly alebo atómy (t.j. jednotlivé častice) na liter roztoku.

Bežné hodnoty pH zahŕňajú asi 1,5 pre žalúdočnú kyselinu, asi 2 pre limetovú šťavu, 3,5 pre víno, 7 pre čistú vodu, asi 7,4 pre zdravú ľudskú krv, 9 pre bielidlo a 12 pre amoniak pre domácnosť. Posledné dve zlúčeniny sú silne zásadité a môžu spôsobiť fyzické poškodenie rovnako ako kyselina, hoci iným mechanizmom.

Volal anión cirkulujúci v krvi hydrogenuhličitan (HCO³⁻), ktorý sa tvorí z vody a oxidu uhličitého, udržuje krv trochu zásaditú a v prípade H pôsobí ako „tlmivý roztok“⁺ ióny sa rýchlo hromadia v krvi, ako keď je dýchanie prerušené na dlhšiu dobu.

Možno ste už videli reklamu na „antacidá“, čo sú látky, ktoré na rozdiel od kyselín môže prijímať protóny, často darovaním hydroxylovej (-OH) skupiny, ktorá prijíma protón za vzniku vody molekula.

Výsledné „zametanie“ iónov H + v žalúdku z kyseliny chlorovodíkovej, ktorú žalúdok prirodzene vylučuje, môže poskytnúť úľavu od škodlivých účinkov kyseliny na vnútorné membrány.

Príklad: Aké je pH roztoku s [H +] 4,9 × 10⁻⁷ M?

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

Upozorňujeme, že záporné znamienko zodpovedá skutočnosti, že malé koncentrácie iónov sa pozorujú pri meraní riešenia by inak vytvorili škálu so zápornými výsledkami kvôli hodnotám záporných exponentov.

Príklad: Aká je koncentrácia vodíkových iónov v roztoku s pH 8,45?

Tentokrát použijete rovnakú rovnicu trochu iným spôsobom:

8,45 = −log [H⁺] alebo - 8,45 = log [H⁺].

Na riešenie použijete skutočnosť, že číslo v zátvorkách je iba základom logu 10, zvýšeného na hodnotu samotného logu:

[H +] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ M.

V časti Zdroje nájdete príklad nástroja, ktorý umožňuje manipulovať s identitou a koncentráciou kyselín v roztoku pri určovaní súvisiacich hodnôt pH.

Upozorňujeme, že keď budete experimentovať s rôznymi kyselinami v uvedenom rozbaľovacom zozname a budete používať rôzne molárne koncentrácie, budete to robiť objavte zaujímavý fakt o pH: Závisí to jednak od identity kyseliny (a teda od jej vlastnej sily), jednak od jej identity koncentrácia. Slabšia kyselina vo vyššej molárnej koncentrácii môže preto produkovať roztok s nižším pH ako dostatočne zriedený roztok silnejšej kyseliny.