pH-számítógép - H+-koncentráció vagy pH-érték alapján
Számolja ki a pH-t a hidrogén-ionok koncentrációjából, vagy találja ki a [H+] és [OH-] értéket a pH-értékből.
Mi az a pH?
A pH, a "hidrogén potenciál" rövidítése, egy dimenzió nélküli mennyiség, amely egy vizes oldat savasságát vagy lúgosságát írja le. A dán vegyész Søren Peder Lauritz Sørensen által 1909-ben hivatalosan bevezetett, miközben a koppenhágai Carlsberg Laboratóriumban dolgozott, a pH forradalmasította, hogy a tudósok mennyiségileg meghatározzák az oldat sav-bázis jellegét. A fogalom helyettesítette a korábbi, kevésbé pontos módszereket, és egyetemes, logaritmikus skálát adott a vegyészeknek, amely a hidrogén-ion tevékenységek széles skáláját egy kompakt 0-14-es számvonalba tömöríti.
Matematikailag a pH-t a hidrogén-ion aktivitás negatív 10-es alapú logaritmusaként határozzák meg:pH = -log10(aH⁺)A hígított oldatokban, ahol az aktivitási együtthatók megközelítik az egységet, ez egyszerűsödik:pH ~ -log10[H+]Mivel a skála logaritmikus, minden egész számú lépés tízszeres változást jelent a H+ koncentrációban. Például a citromlé 2 pH-nál 100 000-szer több hidrogén-iont tartalmaz literenként, mint a tiszta víz 7 pH-nál.
A pH pontosan 7,00 25 °C-on megfelel a semlegességnek - az a pont, ahol [H+] egyenlő [OH−] 1,0 x 10−7 mol L−1-vel. A pH < 7 oldatok savosak (többlet H+), és a pH > 7 oldatok bázis vagy lúgosak (többlet OH−). Fontos megjegyezni, hogy a semleges pont a hőmérséklettel változik: 37 °C-on (testhőmérséklet) a víz iontermék KwpH- értéke 6, 8- ra csökken.
A pH matematikai alapjai
A pH skála a víz autoionizációs egyensúlyából származik:2 H2O H3O+ + OH−E reakció egyensúlyi állandója a víz iontermékének, Kw= [H+][OH−], ami 1,01 x 10−14 25 °C-on.wdefiniáljuk azt is, hogy pOH = -log10[OH−], és 25 °C-on a kapcsolatpH + pOH = 14,00Tartja.
Ahhoz, hogy egy ismert hidrogén-ion koncentrációt pH-ra konvertáljunk, közvetlenül alkalmazzuk a képletet. [H+] = 4,7 x 10−4 mol L−1: pH = -log10(4,7 x 10−4) = -(-3,328) = 3,33. A fordított konverzió ugyanolyan egyszerű: [H+] = 10- pHpH 5,20 esetén: [H+] = 10−5·20 = 6,31 x 10−6 mol L−1.
A koncentrált vagy kevert elektrolit oldatokban a aktivitási együtthatók (γ) jelentősen eltérnek az 1-től, és a pH operatív meghatározása tanúsított puffer szabványokkal kalibrálást igényel. A Debye-Hückel elmélet vagy annak kiterjesztett formái (Davies egyenlet, Pitzer modell) becsülik a γ-t az oldatban lévő ionok számára, de a gyakorlatban az üvegelektródás pH-mérő - a NIST által nyomon követhető pufferekkel kalibrált pH 4,005, 6,865 és 9,180 (25 ° C-on) - továbbra is az aranystandard a rutinszerű méréshez.
| Adott | Megtalálni | A képlet | Példák |
|---|---|---|---|
| [H+] | pH | pH = -log10[H+] | [H+] = 0,001 -> pH 3,00 |
| pH | [H+] | [H+] = 10- pH | 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-on) | pH 3 -> pOH 11 |
pH-skála referenciaértékek
A mindennapi anyagok pH-jának megértése intuitív érzést nyújt a skála számára. Az akkumulátorsav a szélsőséges savos vég közelében helyezkedik el, míg a háztartási szennyvíztisztító a szélsőséges alap végét foglalja el. Az alábbi táblázat felsorolja a gyakori anyagokat és hozzávetőleges pH-jukat 25 ° C-on.
| Az anyag | Körülbelül pH-érték | Személyiség |
|---|---|---|
| Akkumulátorsav (H2SO4) | 0,5 | Erősen savas |
| Gyomorsav | 1,5 - 3,5 | Erősen savas |
| citromlé | 2,0 - 2,6 | Savas |
| Ocet (ecetsav) | 2.4. - 3.4. | Savas |
| Narancslé | 3.3 - 4.2 | Savas |
| Paradicsomlé | 4,0 - 4,5 | Enyhén savos |
| Fekete kávé | 4. 8 - 5. 1 | Enyhén savos |
| Tej | 6. 5 - 6. 8 | Enyhén savos |
| Tiszta víz (25 °C) | 7,0 | Neutrális |
| Emberi vér | 7.35 - 7.45 | Kicsit alapvetően |
| Tengervíz | 7.8 - 8.3 | Enyhén bázisos |
| Péksódaoldat | 8.3 - 9.0 | Alapvető |
| Magnézia tej | 10,5 | Alapvető |
| Háztartási ammónia | 11.0 - 12.0 | Erősen bázis |
| Háztartási fehérítő (NaOCl) | 12.5 | Erősen bázis |
| Szivattyútisztító (NaOH) | 13 - 14 | Nagyon erős bázis |
Fontos megjegyezni, hogy a szénsavas italok pH értéke általában 2,5-4,0 között van, ezért a gyakori fogyasztás a fogselyem eróziójával jár.
Hogyan kell mérni a pH-t a laboratóriumban
A pH-érték mérésére három fő módszert alkalmaznak, mindegyiknek megvannak az előnyei és korlátai:
1. Üvegelektródás pH-mérő.A legpontosabb rutin módszer. Egy vékony üvegmembrán elválasztja a belső referenciaoldatot a vizsgálati oldattól. A membránon keresztül [H+] különbségével arányos potenciálkülönbség alakul ki. A modern kombinációs elektródák integrálják az üveget és a referenciaelektródákat egyetlen szondába. +/- 0,01 pH-egység pontossága szabványos; a kutatási minőségű műszerek +/- 0,001 -et érik el. Két vagy három pufferrel történő kalibrálás elengedhetetlen minden ülés előtt.
2. Jelzőfestékek.A kémiai indikátorok, mint például a fenolftalein, a bromothymol kék és az univerzális indikátor a jellemző pH tartományoknál változnak.
3. Ion-selektív mezőhatású tranzisztor (ISFET).Az ISFET-ek miniatűríthetőek, robusztusak és nem igényelnek folyékony belső referenciát, így ideálisak a soros folyamatfelügyelethez és a mikrofluidikus alkalmazásokhoz.
| Módszer | Pontosság (pH egységek) | Válaszolási idő | Költség | Legjobb |
|---|---|---|---|---|
| Üvegelektród | +/- 0,01 | 5 - 30 s | Középső | Laboratóriumi elemzés, titrálás |
| pH-jelző szalagok | +/-0,5 | Azonnali | Nagyon alacsony | Mezői szűrés, oktatás |
| ISFET érzékelő | +/- 0,02 | 1 - 10 s | Magas | Folyamatvezérlés, mikrofluidika |
| Színmérő (spektrum) | +/- 0,05 | 1 - 5 perc | Középső | Távolérzékelés, akváriumok |
A pH mérésekor a hőmérséklet-kompenzáció kritikus fontosságú, mivel KwAz elektródák karbantartása - megfelelő tárolás 3 M KCl-ben, időszakos tisztítás pepszin / HCl oldatokkal a fehérje-szennyezett szondák számára, és 12-18 havonta történő cseréje - megbízható leolvasásokat biztosít.
pH biológiában és orvostudományban
Az élőlények rendkívül érzékenyek a pH-ra, mivel ez szabályozza az enzimek kialakulását, a membrán potenciálját és az anyagcsere hatékonyságát. Például az emberi vér pH-ját 7,35 és 7,45 között tartja egy kifinomult pufferrendszer, amelyet szénsav / bikarbonát (H2CO3 / HCO3-) ural. Az ezen a keskeny ablakon túli eltérések - az acidózis (pH < 7,35) vagy az alkalózis (pH > 7,45) - kompenzációs mechanizmusokat indítanak a tüdőben (CO2 kipufogás kiigazítása) és a vesékben (HCO3 - reabsorpció modulálása).
A gyomorlumen a H+/K+-ATPáz protonpumpán keresztül a parietális sejtekből kiválasztott sósavatól 1,5 - 3,5 pH-on működik. Ez a szélsőséges savasság három funkciót lát el: a pepsinogén aktiválását a pepsinre a fehérje emésztéshez, az elfogyasztott kórokozók megölését és az ételfehérjék denaturálását a peptidkötvények felfedéséhez. A protonpumpás gátlók (PPI-k), mint például az omeprazol, növelik a gyomor pH-ját olyan állapotok kezelésére, mint például a gastroözofági reflux betegség (GERD).
A sejtbiológiában az intracelluláris pH-t szorosan szabályozza a Na+/H+ cserealkatrészek, a Cl−/HCO3− cserealkatrészek és a V-típusú H+-ATPázok. A lízoszómák, a sejt újrahasznosító központjai, 4,5 - 5,0 belső pH-t tartanak fenn a savhidrolazák aktiválásához. A rákos sejtek gyakran fordított pH gradienset mutatnak - emelkedett intracelluláris pH és savas extracelluláris mikrokörnyezet - amely elősegíti az inváziót és a gyógyszerrezisztenciát, egy olyan jelenséget, amelyet intenzíven tanulmányoztak a daganatos biológiában.
A mezőgazdaságban és a talajtudományban a talaj pH-ja határozza meg a tápanyagok elérhetőségét. A legtöbb növény 6,0 - 7,5 pH-os talajban fejlődik.
Pufferek, titrációk és pH-szabályozás
Egy pufferoldat ellenáll a pH-változásnak kis mennyiségű sav vagy bázis hozzáadásával. A pufferek egy gyenge savból és konjugált bázisából (pl. ecetsav/nátrium-acetát) vagy egy gyenge bázisból és konjugált savából (pl. ammónium/ammónium-klorid) állnak. A Henderson-Hasselbalch egyenlet a pH-t a puffer összetételére mutatja:
pH = pKa+ log10 (([A−]/[HA])
A puffer akkor a leghatékonyabb, ha a pH ~ pKa(a +/-1 pH-egységben), ahol az [A−]/[HA] arány 0,1 és 10 között van. A pufferkapacitás, amelyet a pH literenként egy egységgel történő megváltoztatásához szükséges erős sav vagy bázis mol-aként határoznak meg, a teljes pufferkoncentrációtól és attól függ, hogy a pH mennyire közel van a pK-hoza.
| Pufferrendszer | pKa(25 °C) | Hasznos pH-tartomány | Tipikus használat |
|---|---|---|---|
| Foszfát (H2PO4−/HPO42−) | 7.20 | 5. 8 - 8. 0 | Biokémia, sejtkultúra |
| Tris (Tris/TrisH+) | 8.07 | 7,0 - 9,0 | Molekuláris biológia, elektroforézis |
| HEPES | 7.48 | 6. 8 - 8. 2 | Sejtkultúra, szövetfestés |
| Acetát (CH3COOH/CH3COO−) | 4.76 | 3.7 - 5.8 | Protein tisztítás |
| Citrát | 3.13, 4.76, 6.40 | 2.1 - 7.4 | Vérrögképződésgátló szerek, élelmiszeripar |
| Carbonát (HCO3−/CO32−) | 10.33 | 9.2 - 10.8 | Környezeti minták |
A savas-bázis titrálás során a pH-t folyamatosan figyelemmel kísérik, amint a titránst hozzáadják az elemzett anyaghoz. Az egyenértékűségi pontot - ahol a savas molok egyenlőek a bázis molokkal - a titrálási görbe éles hajlításával detektálják. Az erős sav - erős bázis titrálás esetén az egyenértékűségi pH 7,00; a gyenge sav - erős bázis esetében 7 fölött van (a konjugált bázis képződik); és a gyenge bázis - erős sav esetében 7 alatt van. Az indikátor választásának meg kell egyezni az egyenértékűségi pont pH-jával: fenolftalein (pH 8,2 - 10) a gyenge sav titrálás esetén, metil narancssárga (pH 3,1 - 4,4) a gyenge bázis titrálás esetén.
Az ipari pH-szabályozás kritikus fontosságú a vízkezelésben (a pH 6,5 - 8,5 tartása biztonságos ivóvízhez), az úszómedencék kezelésében (pH 7,2 - 7,8 a klór hatásosságához), az akvakultúrában (faj-specifikus pH tolerancia) és a vegyi gyártásban, ahol a reakcióhozam és a termék tisztasága a pontos pH-tól függ.
pH a környezettudományban
A környezeti pH-értékek ellenőrzése nyomon követi a vízi ökoszisztémák egészségét, a szennyezés hatásait és az éghajlatváltozás által okozott változásokat. Az óceán felszíni pH-értéke az iparosodás előtti időkben körülbelül 8,21-ről ma körülbelül 8,10-re csökkent - a [H +] 26%-os növekedése - az antropogén CO2 felszívódása által okozott óceánsavasodásnak nevezett folyamat. Ez veszélyezteti a kalcifikáló szervezeteket (korallokat, puhatestűeket, foraminiferákat), amelyek kalcium-karbonát héja alacsonyabb pH-értéken könnyebben oldódik fel.
A frissvízi ökoszisztémák hasonlóan érzékenyek. A legtöbb halfaj tolerálja a pH 6,5 - 9,0; pH 5 alatt az üledékből származó alumínium mozgósítása mérgezővé válik a csípőszövet számára.
A légköri kémia a pH-t a levegőminőséggel köti össze.xA tiszta esővíz pH-ja ~ 5,6 (szénsav); a savas eső elérheti a pH-t 4,0 vagy alacsonyabb. A nemzetközi szabályozás (például az Egyesült Államok Tiszta Légi Törvényének módosításai, az EU nemzeti kibocsátási felső határai irányelve) jelentősen csökkentette a savas eső súlyosságát az 1980-as évek óta, és számos Skandináviában és Észak-Amerikában érintett tó részleges helyreállást mutatott.
Gyakran feltett kérdések
Milyen pH értéket tartunk semlegesnek?
pH 7,00 neutrális 25 °C-on, ahol [H+] = [OH−] = 1,0 x 10−7 mol L−1. Más hőmérsékleten a neutralitás eltolódik: 37 °C-on a neutrális pH körülbelül 6,81, és 60 °C-on körülbelül 6,51, mert a víz iontermékje Kwemelkedik a hőmérséklettel.
Mi a pH-értéke a szokásos háztartási anyagoknak?
Citromlé: ~2.0, ecet: ~2.8, narancslé: ~3.5, kávé: ~5.0, tej: ~6.6, tiszta víz: 7.0, szódahasználat: ~8.5, háztartási ammónia: ~11.5, fehérítő: ~12.5, szennyvíztisztító (NaOH): ~14.
Hogyan alakítsam át a pH és a H+ koncentrációt?
[H+] = 10- pHa pH-tól a koncentrációig. pH 3: [H+] = 10−3 = 0,001 mol L−1. pH 7: [H+] = 10−7 = 0,0000001 mol L−1. fordítva: pH = -log10[H+].
Lehet a pH negatív vagy 14-nél nagyobb?
Igen. A nagyon koncentrált erős savak pH értékét 0 alatt lehet elérni (pl. 10 M HCl formális [H+] értéke 10 M, így pH ~ -1).
Mi a különbség a pH és a pOH között?
A pH a hidrogén-ionok aktivitását méri; a pOH a hidrogén-ionok aktivitását méri. 25 °C-on a pH + pOH = 14. Egy pH 3-as oldatnak pOH 11-e van, ami azt jelenti, hogy nagyon sav, nagyon alacsony a hidrogén-ionok koncentrációja.
Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a pH értékeket?
A hőmérséklet változása KwA pH-mérők automatikus hőmérséklet-kompenzációval (ATC) helyesek az elektród hatás szempontjából, de az oldat tényleges pH-értéke még mindig változik a hőmérséklettel.
Mi az a puffer, és miért fontos?
A puffer olyan oldat, amely ellenáll a pH-változásnak, amikor kis mennyiségű sav vagy bázis kerül hozzáadásra. A pufferek egy gyenge savat és annak konjugált bázisát (vagy fordítva) tartalmazzák. Ezek elengedhetetlenek a biológiában (vér bikarbonát puffer), laboratóriumi kísérletek és ipari folyamatok során, ahol a pH stabilitás kritikus.
Hogyan kell kalibrálni a pH-mérőt?
Használjon legalább két standard pufferoldatot (pl. pH 4,01 és pH 7,00, vagy pH 7,00 és pH 10,01), amelyek a várható mérési tartományhoz tartoznak. Az elektródát pufferek között ionizált vízzel öblítse ki. A legjobb pontosság érdekében naponta vagy minden mérési ülés előtt kalibrálja.
Miért aggasztja az óceánok savasodása?
A növekvő légköri szén-dioxid feloldódik a tengervízben szénsav képződéséhez, csökkentve a pH-t. Az ipari korszak előtti idők óta az óceán pH-ja ~ 8,21-ről ~ 8,10-re esett - a savasság 26% -os növekedése. Ez csökkenti a karbonát-ion koncentrációt, ami megnehezíti a korallok, kagylók és plankton kalcium-karbonát struktúrák felépítését.
Mire használjuk a Henderson-Hasselbalch egyenletet?
Egy pufferoldat pH-jának kiszámítása: pH = pKa+ log10 (([A−]/[HA]). A bufferek tervezésére használják egy cél pH-nál, megjósolják, hogyan változik a pH, amikor sav vagy bázis kerül hozzáadásra, és megértik az aminosav oldalláncok protonálódási állapotát a fehérjékben.