pH-laskuri - H+-pitoisuuden tai pH-arvon perusteella
Laske pH-arvo vetyionipitoisuudesta tai löydä [H+] ja [OH-] pH-arvosta.
Mikä on pH?
pH, lyhenne "vetypotentiaalille", on ulottuvuudeton määrä, joka kuvaa vesiliuoksen happamuutta tai emäksisyyttä. Tanskalainen kemisti Søren Peder Lauritz Sørensen esitteli virallisesti vuonna 1909 työskennellessään Kööpenhaminassa Carlsbergin laboratoriossa, pH mullisti sitä, miten tiedemiehet määrittävät liuoksen happo-pohjaisen luonteen. Käsite korvasi aikaisemmat, vähemmän tarkkoja menetelmiä ja antoi kemisteille universaalin, logaritmisen asteikon, joka pakkaa laajan valikoiman vetyyni-aktiivisuuksia kompaktiin 0-14-numeroon.
Matemaattisesti pH-arvo määritellään vetyioniaktiivisuuden negatiiviseksi logaritmiksi:pH = -log10 ((a)H⁺). Laimennetuissa liuoksissa, joissa aktiivisuuskertoimet lähestyvät yksikköä, tämä yksinkertaistetaanpH ~ -log10[H+], jossa [H+] on moolipitoisuus mol L-1:ssä. Koska asteikko on logaritminen, jokainen kokonaisluku askel edustaa kymmenkertaista muutosta H+:n pitoisuudessa.
pH-arvo täsmälleen 7,00 25 °C vastaa neutraalisuutta - piste, jossa [H+] on yhtä suuri kuin [OH−] 1,0 x 10−7 mol L−1 kullakin. pH-arvon < 7 olot ovat happoja (ylimääräinen H+), ja pH-arvon > 7 olot ovat emäksisiä tai emäksisiä (ylimääräinen OH−). On tärkeää huomata, että neutraali piste muuttuu lämpötilan mukaan: 37 °C:ssa (kehon lämpötila) veden ionituote KwNeutraali pH laskee noin 6, 8: een.
pH:n matematiikka
pH-asteikko johdetaan veden itsestään ionisoitumisen tasapainosta:2 H2O H3O+ + OH−. Tämän reaktion tasapainovaatimus on veden ioniyhdistelmä, Kw= [H+][OH−], joka on yhtä suuri kuin 1,01 x 10−14 lämpötilassa 25 astetta.wmäärittelemme myös pOH = -log10[OH−], ja 25 astettaC suhdepH + pOH = 14,00Se pitää.
[H+] = 4,7 x 10−4 mol L−1: pH = -log10 ((4,7 x 10−4) = - ((-3,328) = 3,33. Käännös on yhtä yksinkertainen: [H+] = 10- pH-arvo. pH 5,20: [H+] = 10−5·20 = 6,31 x 10−6 mol L−1.
Debye-Hückel-teoria tai sen laajennetut muodot (Davies-yhtälö, Pitzer-malli) arvioivat liuossa olevia ioneja, mutta käytännössä lasielektrodin pH-mittari - kalibroitu NIST-jäljitettävissä puskureissa pH 4,005, 6,865 ja 9,180 (25 astetta C) - pysyy rutiininomaisen mittauksen kulta-standardina.
| Annettu | Löytää | Suunnitelma | Esimerkki |
|---|---|---|---|
| [H+] | pH | pH = -log10[H+] | [H+] = 0,001 -> pH 3,00 |
| pH | [H+] | [H+] = 10- pH-arvo | pH 4,5 -> 3,16 x 10−5 M |
| [OH−] | pOH | pOH = -log10[OH−] | [OH−] = 0,01 -> pOH 2,00 |
| pH | [OH−] | [OH−] = 10-14-pH) | pH 10 -> [OH−] = 10−4 M |
| pH | pOH | pOH = 14 - pH (25 °C:ssa) | pH 3 -> pOH 11 |
pH-asteikon viitearvot
Päivittäisten aineiden pH-arvon ymmärtäminen antaa intuitiivisen käsityksen asteikosta. Akkuhappo sijaitsee äärimmäisen happaman päähän, kun taas kotitalouksien viemärinpuhdistaja sijaitsee äärimmäisessä peruspäässä.
| Luonnonmukaisuus | Arvioitu pH | Luonne |
|---|---|---|
| Akkuhappo (H2SO4) | 0, 5 prosenttia | Vahvasti happama |
| Mahanhappo | 1,5 - 3,5 | Vahvasti happama |
| Sitruunamehu | 2,0 - 2,6 | happamaton |
| Esika (etikkahappo) | 2. 4 - 3. 4 | happamaton |
| appelsiinimehua | 3.3 - 4.2 | happamaton |
| Tomaattimehu | 4, 0 - 4, 5 | Vähäisen happama |
| Musta kahvi | 4. 8 - 5. 1 | Vähäisen happama |
| Maito | 6. 5 - 6. 8 | Vähän happama |
| Puhdas vesi (25 astettaC) | 7,0 prosenttia | Neutraali |
| Ihmisen veri | 7.35 - 7.45 | Vähän perustavaa |
| Merivesi | 7.8 - 8.3 | Vähäisen perustava |
| Ruokasoodaliuos | 8. 3 - 9. 0 | Perusasiat |
| Magnesian maito | 10,5 prosenttia | Perusasiat |
| Kotitalouksien ammoniakkia | 11.0 - 12.0 | Vahvasti perusaineet |
| Kotitalouksien valkaisuaine (NaOCl) | 12,5 prosenttia | Vahvasti perusaineet |
| Vedenpoistoaine (NaOH) | 13 - 14 | Erittäin voimakkaasti basinen |
Huomaa, että hiilihapotettujen juomien pH-arvo on tyypillisesti välillä 2,5 ja 4,0, minkä vuoksi niiden säännöllinen käyttö liittyy hammasmailin eroosioon. Sadeveden pH-arvo saastumattomilla alueilla on lähellä 5,6 hiilihappoa (H2CO3) muodostavan liuenneen ilmakehän hiilidioksidin (CO2) vuoksi. Happosateet, jotka aiheutuvat rikkihappoksidin ja typpioksidien, voivat saavuttaa pH-arvot alle 4,0.
pH-arvon mittaaminen laboratoriossa
pH-arvon mittaamiseen käytetään kolme ensisijaista menetelmää, joista jokaisella on erilliset edut ja rajoitukset:
1. Lasielektrodin pH-mittari.Tyypillisin rutiinimenetelmä. ohut lasimembraani erottaa sisäisen vertailuratkaisun testiliuoksesta. Potentiaaliero kehittyy membraanilla suhteessa [H+] -eroon. Nykyaikaiset yhdistelmäelektrodit integroivat lasin ja vertailuelektrodit yhteen luotaimeen. +/-0,01 pH-yksikön tarkkuus on vakio; tutkimusluokan laitteet saavuttavat +/-0,001. Kahden tai kolmen puskurin kalibrointi on välttämätöntä ennen jokaista istuntoa.
2. Indikaattorin väriaineet.Kemikaaliset indikaattorit kuten fenoliftaleiini, bromotyymoli sininen ja universaali indikaattori vaihtavat väriä tyypillisillä pH-alueilla. Universaali indikaattoripaperi (pH-nauhat) antaa nopean arvion +/-0,5 yksikköön. Indikaattorit toimivat protonaation tasapainoilla, jotka siirtävät kromoforin imeytymisspektrin.
3. Ionivalikoiva kenttävaikutustransistori (ISFET).ISFET-laitteet ovat pienennettävissä olevia, vankkoja, eivätkä vaadi nestemäistä sisäistä vertailua, mikä tekee niistä ihanteellisia in-line prosessien seurannassa ja mikro-nesteiden sovelluksissa.
| Menetelmä | Tarkkuus (pH-yksiköt) | Vastausaika | Kustannukset | Paras vaihtoehto |
|---|---|---|---|---|
| Lasielektrodi | +/- 0,01 | 5 - 30 s | Keskimääräinen | Laboratorioanalyysi, titraatiot |
| pH-indikaattorin nauhat | +/-0,5 | Välitön | Erittäin alhainen | Maantieteellinen seulonta, koulutus |
| ISFET-anturi | +/- 0,02 | 1 - 10 s | Korkea | Prosessiohjaus, mikroreseptit |
| Kolorimetrinen (spektro) | +/- 0,05 | 1 - 5 minuuttia | Keskimääräinen | Kaukokartoitus, akvaarioita |
pH-arvon mittaamisessa lämpötilakorvaus on kriittinen, koska KwUseimmat nykyaikaiset mittarit sisältävät automaattisen lämpötilakompensoinnin (ATC) sisäänrakennetun termistorin kautta. Elektrodien kunnossapito - asianmukainen varastointi 3 M KCl: ssä, säännöllinen puhdistus pepsinillä / HCl-liuoksella proteiiniä sisältäville luotaimille ja vaihto 12 - 18 kuukauden välein - takaa luotettavat lukemat.
Biologian ja lääketieteen pH
Elävät organismit ovat erityisen herkkiä pH:lle, koska se hallitsee entsyymien muodostumista, kalvonpotentiaalia ja aineenvaihdunnan tehokkuutta. Esimerkiksi ihmisen veren pH-arvoa 7,35 ja 7,45 välillä ylläpitää hiilihappo/bikarbonaatti (H2CO3/HCO3-) hallitseva kehittynyt puskurijärjestelmä. Tämän kapean ikkunan ulkopuolella olevat poikkeamat - asidoosi (pH < 7,35) tai alkaloosi (pH > 7,45) - laukaisevat korvausmekanismeja keuhkoissa (CO2-poiston säätäminen) ja munuaisissa (HCO3-resorption muokkaaminen).
Tämä äärimmäinen happamuus palvelee kolmea tehtävää: pepsinogeenin aktivoiminen pepsiniksi proteiinien ruoansulatuksessa, syötyjen patogeenien tappaminen ja elintarvikkeiden proteiinien denaturoiminen peptidisitoumusten paljastamiseksi.
Solubiologiassa solun sisäistä pH-arvoa säätelevät tiukasti noin 7,2 Na+/H+ -vaihtajat, Cl−/HCO3−vaihtajat ja V-tyypin H+-ATPaseja. Lisoosomet, solun kierrätyskeskukset, ylläpitävät sisäistä pH-arvoa 4,5 - 5,0 aktivoidakseen happohydrolaseja. Syöpäsoluissa esiintyy usein käänteinen pH-gradientti - kohonnut solun sisäinen pH ja happama solun ulkopuolinen mikroympäristö - joka edistää invaasiota ja lääkevastusta, ilmiötä, jota tutkitaan intensiivisesti kasvainbiologiassa.
Maatalouden ja maaperän tieteessä maaperän pH määrittää ravinteiden saatavuuden. Useimmat viljelykasvit kukoistavat maaperän pH 6,0 - 7,5. Alhaalla pH 5,5, alumiinin myrkyllisyys tulee huolestuttavaksi; yli pH 8,0, rauta ja mangaani tulevat vähemmän saatavilla. Kalkki (CaCO3) nostaa maaperän pH: ta, kun taas alkeinen rikki tai alumiinsulfaatti alentaa sitä.
Pufferit, titraatiot ja pH-arvon säätö
Pufferiliuos vastustaa pH-arvon muutoksia, kun siihen lisätään pieniä määriä happoa tai alkua. Pufferit koostuvat heikosta haposta ja sen konjugoidusta baseistä (esim. etikkahappo/natriumasetaatti) tai heikosta baseestä ja sen konjugoidusta haposta (esim. ammoniakki/ammoniumkloridi). Henderson-Hasselbalchin yhtälö osoittaa pH:n pufferiyhdistelmään:
pH = pKa+ log10 (([A−]/[HA])
Pufferi on tehokkain, kun pH ~ pKa[A−]/[HA]-suhde on välillä 0,1 ja 10, ja puskurikapasiteetti, joka määritellään voimakkaan hapon tai alkan moliksi, joka tarvitaan pH:n muuttamiseksi yhdellä yksikköllä litraa kohden, riippuu puskurin kokonaiskonsentraatiosta ja siitä, kuinka lähellä pH:ta on pKa.
| Pufferijärjestelmä | pKa(25 astettaC) | Hyödyllinen pH-alue | Tyypillinen käyttö |
|---|---|---|---|
| Fosfaatti (H2PO4−/HPO42−) | 7,20 prosenttia | 5. 8 - 8. 0 | Biokemia, soluviljely |
| Tris (Tris/TrisH+) | 8,07 | 7,0 - 9,0 | Molekyylibiologia, elektroforesi |
| HEPES | 7,48 prosenttia | 6. 8 - 8. 2 | Solukulttuuri, kudosten värjäys |
| Acetaatti (CH3COOH/CH3COO−) | 4. 76 | 3.7 - 5.8 | Proteiinien puhdistus |
| Sitraatti | 3.13, 4.76 ja 6.40 | 2.1 - 7.4 | Veren hyytymislääkkeet, elintarviketeollisuus |
| Karbonaatti (HCO3−/CO32−) | 10.33 päivässä | 9.2 - 10.8 | Ympäristönäytteet |
Happo-pohja-titroinnissa pH-arvoa seurataan jatkuvasti, kun titraattia lisätään analyyttiin. Ekvivalenssipiste - jossa happojen mollit ovat yhtä suuret kuin alkuaineiden mollit - havaitaan titraatiokäyrän jyrkällä taivutuksella. Vahvan happo-vahvan alkuaineen titroinnissa ekvivalenssi pH on 7,00; heikon happo-vahvan alkuaineen titroinnissa se on yli 7 (konjugoitu alkuaine muodostuu); ja heikon alkuaineen - vahvan happo-titroinnissa se on alle 7. Indikaattorin valinnan on vastattava ekvivalenssi-pisteen pH: phenolphthalein (pH 8,2 - 10) heikoille happo-titroinneille, metyylioranssi (pH 3,1 - 4,4) heikoille alkuaineen titroinneille.
Teollisuuden pH-arvon säätäminen on kriittistä vedenpuhdistuksessa (pH:n ylläpitäminen 6,5 - 8,5 turvallista juomavettä varten), uima-altaiden hoidossa (pH 7,2 - 7,8 kloorin tehoa varten), vesiviljelyssä (lajinkohtainen pH-toleranssi) ja kemiallisessa valmistuksessa, joissa reaktiotuotteet ja tuotteen puhtaus riippuvat tarkasta pH:sta.
pH ympäristötieteissä
Ympäristön pH-arvon seuranta seuraa vesistöjen ekosysteemien terveyttä, saastumisen vaikutusta ja ilmastonmuutoksen aiheuttamia muutoksia. Valtameren pinta pH on laskenut noin 8,21: stä ennen teollisuusaikaa noin 8,10: iin tänään - 26 prosentin lisäys [H +] - prosessi, jota kutsutaan valtameren happamoitumiseksi, joka johtuu ihmisen aiheuttaman hiilidioksidin imeytymisestä. Tämä uhkaa kalvoituvia organismeja (koralleja, nilviäisiä, foraminiferaa), joiden kalsiumkarbonaattikuoret liukenevat helpommin alhaisemmassa pH: ssä.
Suurin osa kalalajeista sietää pH-arvoa 6,5 - 9,0; alle pH-arvon 5, alumiinin mobilisaatio sedimentteistä tulee myrkylliseksi kainalähteille.
Ilmakehän kemiallinen koostumus yhdistää pH-arvon ilmanlaatuun.xSaastepäästöt reagoivat vesihöyryn kanssa tuottamaan rikki- ja typpihappoa. Puhtaalla sadevedellä on pH ~ 5,6 (hiilihappo); happosade voi saavuttaa pH 4,0 tai pienempi. Kansainvälinen sääntely (esimerkiksi Yhdysvaltain puhtaasta ilmaa koskeva laki, EU: n kansallinen päästöjen enimmäismäärädirektiivi) on vähentänyt happosadeiden vakavuutta merkittävästi 1980-luvulta lähtien, ja monet Skandinavian ja Pohjois-Amerikan järvet ovat osoittaneet osittaisen elpymisen.
Usein kysyttyjä kysymyksiä
Minkä pH:n arvoa pidetään neutraalina?
pH 7,00 on neutraali 25 °C:ssa, jossa [H+] = [OH−] = 1,0 x 10−7 mol L−1. Muissa lämpötiloissa neutraalisuus siirtyy: 37 °C:ssa neutraali pH on noin 6,81, ja 60 °C:ssa se on noin 6,51, koska veden ionituote Kwlisääntyy lämpötilan myötä.
Mikä on tavallisten kotitalouksien aineiden pH-arvo?
Sitruunamehu: ~2.0, etikka: ~2.8, appelsiinimehua: ~3.5, kahvi: ~5.0, maito: ~6.6, puhdas vesi: 7.0, ruokasoodaliuos: ~8.5, kotitalouksien ammoniakkia: ~11.5, valkaisuaine: ~12.5, viemärinpuhdistaja (NaOH): ~14.
Miten muutan pH:n ja H+:n pitoisuuden?
Käytä [H+] = 10- pH-arvopH 3:n [H+] = 10−3 = 0,001 mol L−1. pH 7:n [H+] = 10−7 = 0,0000001 mol L−1. Päinvastoin: pH = -log10[H+].
Voiko pH olla negatiivinen tai suurempi kuin 14?
Kyllä. Erittäin tiivistetty vahva happo voi tuottaa pH-arvon alle 0 (esimerkiksi 10 M HCl: llä on muodollinen [H+] 10 M: sta, mikä antaa pH ~ -1).
Mikä on pH:n ja pOH:n ero?
pH mittaa vetyioniaktiivisuutta; pOH mittaa hydroksidi-ioniaktiivisuutta. pH + pOH = 14 25 ° C: ssa pH 3: n liuoksessa on pOH 11, mikä tarkoittaa, että se on erittäin happama hyvin alhaisella hydroksidipitoisuudella.
Miten lämpötila vaikuttaa pH-arvon lukemiseen?
Lämpötilan muutokset KwpH-mittarit, joissa on automaattinen lämpötilakompensointi (ATC), ovat oikeassa elektrodin vaikutuksen suhteen, mutta liuoksen todellinen pH muuttuu lämpötilan mukaan.
Mikä on puskuri ja miksi se on tärkeä?
Pufferi on liuos, joka vastustaa pH-arvon muutosta, kun siihen lisätään pieniä määriä happoa tai alkua. Pufferit sisältävät heikkoa happoa ja sen konjugoitua alkua (tai päinvastoin). Ne ovat välttämättömiä biologiassa (veren bikarbonaattipufferi), laboratoriokokeissa ja teollisissa prosesseissa, joissa pH-arvo on kriittinen.
Miten kalibroin pH-mittarin?
Käytä vähintään kahta normaalia puskuriliuosta (esim. pH 4,01 ja pH 7,00 tai pH 7,00 ja pH 10,01), jotka ovat odotetulla mittausalueella. Huuhtele elektrodi deionisoidulla vedellä puskurien välillä. Kalibroi päivittäin tai ennen jokaista mittaussessiota parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi.
Miksi valtamerten happamoituminen on huolestuttavaa?
Lisääntyvä ilmakehän hiilidioksidi liukenee merivedessä muodostaen hiilihappoa, mikä alentaa pH:ta.
Mihin Henderson-Hasselbalchin yhtälöä käytetään?
Se laskee puskuriliuoksen pH:n: pH = pKa+ log10 (([A−]/[HA]). Sitä käytetään pufferien suunnitteluun kohde-pH:ssa, ennustaa pH:n muutoksia, kun happoa tai alkua lisätään, ja ymmärtää proteiinien aminohappojen sivuketjujen protonaatiota.