Vad är meningen med en Ph-skala?

Även för dem som föredrar att undvika att lära sig om vetenskap skulle det vara svårt att förhandla om världen utan att höra regelbundna referenser till något som kallas pH. Om du inte behöver veta vad det är för kemiklass, kommer du sannolikt att se referenser till pH-nivå och tillhörande termer som surhet och alkalinitet, om du bara tittar på några schampoannonser.

De pH-skala är ett verktyg som kemister har utvecklat för att mäta hur sur (eller alkalisk, motsatsen till "sur") en lösning är. Den används varje dag i otaliga applikationer, från att kontrollera om klorhalten i din badtunna är där det borde vara att låta biokemister ta reda på idealiska förhållanden för reaktioner som påverkas av surhet inträffa.

PH-skalan, liksom många verktyg som används inom fysik, är inte vad du skulle kalla en "intuitiv" skala, som en som sträcker sig från 0 till 10 eller 1 till 100 som används för typiska frågescore eller procent. Men när du väl utvecklar en djup uppskattning för vad antalet betyder när det gäller beteendet hos molekyler i en vattenlösning (molekyler löst i komponentatomer och molekyler i vatten), är hela systemet inte bara meningsfullt utan öppnar nya dörrar till en helt ny förståelse för kemi.

Förkortningen pH står för "potential för vätejon." Termen myntades av den danska biokemisten Søren Sørenson, som definierade "p" som instruktioner för att ta det negativa av logaritmen för vätejonkoncentrationen, skriven [H⁺]. pH är den negativa logaritmen för molaritet av H, vilket är ett mått på totala joner per volymenhet snarare än massa per volymenhet.

Matematiskt är pH-definitionen

I mycket av fysikalisk vetenskap gäller idén om "koncentration" massor av partiklar snarare än deras andra egenskaper. Till exempel, om 5,85 gram (g) vanligt salt (natriumklorid eller NaCl) löses i 1000 ml eller ml (1 liter eller L) vatten (H₂O), kan du sedan uttrycka koncentrationen av natriumklorid i vatten i detta fall som 5,85 g / L eller 5,85 mg / ml eller andra likvärdiga enheter.

Inom kemi är emellertid "mängden" av ett ämne som spelar roll inte hur många gram eller kg av det det finns, utan hur många enskilda atomer eller molekyler det finns. Detta beror på att atomer och molekyler reagerar med varandra baserat på atom- och molekylförhållanden, inte massförhållanden.

Olika typer av atomer (det vill säga olika element) har olika massor, med antalet gram in 1 mol (6.02 × 10²³ individuella partiklar) anges i elementets "ruta" i det periodiska elementet (se Resurser).

Till exempel en molekyl av H₂O har två väteatomer och en syreatom. Varje H har en massa på cirka 1 g, medan en O-atom har en massa på knappt 16 g. Medan 16/18 = 88,9 procent av en vattenmolekyls massa består av syre, har vatten alltid ett 2-till-1-förhållande mellan H och O-atomer.

Detta koncept används för att etablera molär koncentration, eller mol per liter, utsedd M. När det händer är molmassan av Na 23,0 g och den för klor är 35,5 g, så 1 mol (1 mol, i beräkningar) NaCl har en massa av 58,5 g. 5,85 g är 1/10 av detta, så 5,85 g NaCl / 1 L = en 0,1 M NaCl-lösning,

Om du inte känner till logaritmer eller loggar, tänk på dem som representerar ett enkelt sätt att komprimera den sanna variabiliteten för en kvantitet till en mer matematiskt relaterad form. Loggar är exponenter som hanteras i icke-superscript-form, vilket kräver matematisk finagling och vanligtvis en räknare.

Det du behöver veta är att för varje faktor 10 ökning av koncentrationen av vätejoner, kommer pH att minska med 1 heltal och omvänt. Detta innebär att en lösning med ett pH på 5,0 har tio gånger [H⁺] av en lösning med ett pH av 6,0 och 1/1 000: e [H⁺] av en 3,0-pH-lösning.

• Både syrahållfasthet (det vill säga de enskilda syrornas inneboende egenskaper) och syrakoncentrationen (som du kan ändra i laboratoriet) bestämmer en lösningens pH.

Som nämnts har en 1-molär (1 M) lösning av rena vätejoner (utan tillhörande anjon) ett pH på 0. Detta ses inte i naturen och används som referenspunkt för mätning av pH med hjälp av en elektrod som ingår i en pH-mätare. Dessa är kalibrerade för att översätta spänningsskillnader mellan referenslösningen och en lösning av intresse till ett pH-värde för den senare.

1 mol av joner per liter betyder ungefär 6,02 × 10²³ enskilda molekyler eller atomer (dvs. individuella partiklar) per liter lösning.

Vanliga pH-värden inkluderar cirka 1,5 för magsyra, cirka 2 för limejuice, 3,5 för vin, 7 för rent vatten, cirka 7,4 för friskt humant blod, 9 för blekmedel och 12 för hushållens ammoniak. De två senare föreningarna är starkt basiska och kan utöva fysisk skada precis som syra kan, om än med en annan mekanism.

En anjon som cirkulerar i blod kallas bikarbonat (HCO³⁻), som bildas från vatten och koldioxid, håller blodet något alkaliskt och fungerar som en "buffert" i fall H⁺ joner ackumuleras snabbt i blod, som när andningen avbryts under långa perioder.

Du har kanske sett annonser för "antacida", som är ämnen som, till skillnad från syror, kan acceptera protoner, ofta genom att donera en hydroxyl (−OH) grupp som accepterar protonen för att bilda ett vatten molekyl.

Den resulterande "svepningen" av H + -joner i magen från saltsyran som magen naturligt utsöndrar kan ge lättnad från de skadliga effekterna av syra på inre membran.

Exempel: Vad är pH-värdet för en lösning med en [H +] av 4,9 × 10⁻⁷ M?

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

Observera att det negativa tecknet står för det faktum att de små koncentrationerna av joner ses i uppmätta lösningar skulle ge en skala med negativa resultat annars på grund av de negativa exponentvärdena.

Exempel: Vad är vätejonkoncentrationen i en lösning med ett pH på 8,45?

Den här gången lägger du samma ekvation att använda på ett något annat sätt:

8.45 = −log [H⁺], eller −8.45 = log [H⁺].

För att lösa använder du det faktum att siffran inom parentes bara är basen för loggen, 10, höjd till själva loggen:

[H +] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ M.

Se resurserna för ett exempel på ett verktyg som låter dig manipulera identiteten och koncentrationen av syror i lösningen för att bestämma tillhörande pH-värden.

Observera att när du experimenterar med olika syror i rullgardinsmenyn och använder olika molära koncentrationer, kommer du att göra det upptäck ett intressant faktum om pH: Det beror både på syran (och därmed dess inneboende styrka) och dess koncentration. En svagare syra i en högre molkoncentration kan därför producera en lösning med ett lägre pH än en tillräckligt utspädd lösning av en starkare syra.