Kalkulator pH - Dari Kepekatan H+ atau Nilai pH

Apakah pH?

pH, singkatan untuk "potensi hidrogen", adalah kuantiti tanpa dimensi yang menggambarkan keasidan atau kealkalian larutan berair. Secara rasmi diperkenalkan oleh ahli kimia Denmark Søren Peder Lauritz Sørensen pada tahun 1909 semasa bekerja di Makmal Carlsberg di Copenhagen, pH merevolusikan bagaimana saintis mengukur sifat asid-basa larutan. Konsep ini menggantikan kaedah yang lebih awal, kurang tepat dan memberi ahli kimia skala logaritmik sejagat yang memampatkan pelbagai aktiviti ion hidrogen ke dalam garis nombor 0-14 yang padat.

Secara matematik, pH ditakrifkan sebagai logaritma asas-10 negatif aktiviti ion hidrogen:pH = -log10_H⁺)Dalam larutan encer di mana pekali aktiviti mendekati kesatuan, ini disederhanakan kepadapH ~ -log10[H+], di mana [H+] adalah kepekatan molar dalam mol L-1. Oleh kerana skala ini logaritmik, setiap langkah nombor bulat mewakili perubahan sepuluh kali ganda dalam kepekatan H+. Jus lemon pada pH 2, misalnya, mengandungi 100,000 kali lebih banyak ion hidrogen per liter daripada air tulen pada pH 7.

pH tepat 7.00 pada 25 darjah C sepadan dengan neutraliti - titik di mana [H+] sama dengan [OH−] pada 1.0 x 10−7 mol L−1 masing-masing. Penyelesaian dengan pH < 7 adalah asid (lebih H+), dan yang dengan pH > 7 adalah asas atau alkali (lebih OH−). Adalah penting untuk diperhatikan bahawa titik neutral berubah dengan suhu: pada 37 darjah C (suhu badan) produk ion air K_wmeningkat, dan pH neutral turun kepada kira-kira 6. 8.

Matematik di sebalik pH

Skala pH berasal dari keseimbangan autoionisasi air:2 H2O H3O+ + OH−Tetap keseimbangan untuk tindak balas ini adalah produk ion air, K_w= [H+][OH−], yang sama dengan 1.01 x 10-14 pada 25 darjah C. Dari K_wkita juga menentukan pOH = -log10[OH−], dan pada 25 darjahC hubunganpH + pOH = 14.00Bertahan.

Untuk menukarkan kepekatan ion hidrogen yang diketahui kepada pH, gunakan formula secara langsung. Untuk [H+] = 4.7 x 10−4 mol L−1: pH = -log10(4.7 x 10−4) = -(-3.328) = 3.33. Penukaran terbalik adalah sama mudah: [H+] = 10^{- pH}Untuk pH 5.20: [H+] = 10−5·20 = 6.31 x 10−6 mol L−1.

Teori Debye-Hückel atau bentuknya yang diperluaskan (persamaan Davis, model Pitzer) menganggarkan γ untuk ion dalam larutan, tetapi dalam praktiknya meter pH elektroda kaca - dikalibrasi terhadap penyangga yang dapat dikesan NIST pada pH 4.005, 6.865 dan 9.180 (pada 25 darjah C) - kekal sebagai standard emas untuk pengukuran rutin.

Nilai rujukan skala pH

Memahami pH bahan-bahan sehari-hari memberikan rasa intuitif untuk skala. Asid bateri duduk berhampiran hujung asid yang melampau, manakala pembersih longkang isi rumah menduduki hujung asas yang melampau. Jadual di bawah menyenaraikan bahan-bahan biasa dan kira-kira pH mereka pada 25 darjah C.

Perhatikan bahawa pH minuman berkarbonat biasanya jatuh antara 2.5 dan 4.0, itulah sebabnya penggunaan yang kerap dikaitkan dengan hakisan enamel gigi. Air hujan di kawasan yang tidak tercemar mempunyai pH hampir 5.6 kerana CO2 atmosfera terlarut membentuk asid karbonik (H2CO3). Hujan asid, yang disebabkan oleh sulfur dioksida dan oksida nitrogen, boleh mencapai nilai pH di bawah 4.0.

Cara Mengukur pH di Makmal

Tiga kaedah utama digunakan untuk mengukur pH, masing-masing dengan kelebihan dan batasan yang berbeza:

1. Pengukur pH Elektrod Kaca.Kaedah rutin yang paling tepat. Membran kaca nipis memisahkan larutan rujukan dalaman dari larutan ujian. Perbezaan potensi berkembang merentasi membran berbanding lurus dengan perbezaan [H +]. Elektrod gabungan moden mengintegrasikan kaca dan elektrod rujukan ke dalam satu probe. Ketepatan +/- 0.01 unit pH adalah standard; instrumen gred penyelidikan mencapai +/- 0.001. Kalibrasi dengan dua atau tiga penyangga adalah penting sebelum setiap sesi.

2. pewarna penunjuk.Penunjuk kimia seperti phenolphthalein, biru bromothymol, dan penunjuk sejagat mengubah warna pada julat pH ciri. Kertas penunjuk sejagat (strip pH) memberikan anggaran cepat kepada +/-0.5 unit. Penunjuk bekerja dengan keseimbangan protonasi yang mengalihkan spektrum penyerapan kromofor.

3. Ion-Selective Field-Effect Transistor (ISFET).Sensor berasaskan semikonduktor yang mengesan aktiviti H + di permukaan penebat gerbang. ISFET boleh diminimumkan, kukuh, dan tidak memerlukan rujukan dalaman cecair, menjadikannya sesuai untuk pemantauan proses dalam talian dan aplikasi mikro-cairan.

Apabila mengukur pH, pampasan suhu adalah kritikal kerana K_wKebanyakan meter moden merangkumi pampasan suhu automatik (ATC) melalui termistor terbina dalam. Pemeliharaan elektrod - penyimpanan yang betul dalam 3 M KCl, pembersihan berkala dengan larutan pepsin / HCl untuk probe yang dipenuhi protein, dan penggantian setiap 12 - 18 bulan - memastikan bacaan yang boleh dipercayai.

pH dalam Biologi dan Perubatan

Organisme hidup sangat sensitif terhadap pH kerana ia mengawal konformasi enzim, potensi membran, dan kecekapan laluan metabolik. Darah manusia, sebagai contoh, dikekalkan antara pH 7.35 dan 7.45 oleh sistem penampan yang canggih yang dikuasai oleh asid karbonik / bikarbonat (H2CO3 / HCO3−). Penyimpangan di luar tetingkap sempit ini - asidosis (pH < 7.35) atau alkalosis (pH > 7.45) - mencetuskan mekanisme pampasan di paru-paru (mengatur nafas CO2) dan buah pinggang (memodulasi penyerapan semula HCO3−). pH darah di bawah 6.8 atau di atas 7.8 umumnya tidak serasi dengan kehidupan.

Lumen perut beroperasi pada pH 1.5 - 3.5, yang dihasilkan oleh asid hidroklorik yang disekresikan dari sel parietal melalui pam proton H + / K +-ATPase. Keasidan yang melampau ini mempunyai tiga fungsi: mengaktifkan pepsinogen ke pepsin untuk pencernaan protein, membunuh patogen yang dicerna, dan mengubah protein makanan untuk mendedahkan ikatan peptida.

Dalam biologi sel, pH intraselular dikawal selia berhampiran 7.2 oleh penukar Na+/H+, penukar Cl−/HCO3−, dan H+-ATPase jenis V. Lysosom, pusat kitar semula sel, mengekalkan pH dalaman 4.5 - 5.0 untuk mengaktifkan hidrolasis asid. Sel kanser sering menunjukkan gradien pH terbalik - pH intraselular tinggi dan mikro persekitaran ekstraselular asid - yang menggalakkan pencerobohan dan rintangan dadah, fenomena yang dikaji secara intensif dalam biologi tumor.

Dalam pertanian dan sains tanah, pH tanah menentukan ketersediaan nutrien. Kebanyakan tanaman berkembang dalam pH tanah 6.0 - 7.5. Di bawah pH 5.5, toksisiti aluminium menjadi kebimbangan; di atas pH 8.0, besi dan mangan menjadi kurang tersedia. Lime (CaCO3) menaikkan pH tanah, manakala sulfur unsur atau aluminium sulfat menurunkannya.

Penampan, Titrasi, dan Kawalan pH

Penyelesaian penyangga menahan perubahan pH apabila penambahan sejumlah kecil asid atau asas. Penyangga terdiri daripada asid lemah dan asas konjugatnya (contohnya, asid asetik / natrium asetat) atau asas lemah dan asid konjugatnya (contohnya, ammonia / amonium klorida). Persamaan Henderson - Hasselbalch mengaitkan pH dengan komposisi penyangga:

pH = pK_a+ log10 (([A−]/[HA])

Penampan adalah paling berkesan apabila pH ~ pK_a(dalam unit +/-1 pH), di mana nisbah [A−]/[HA] berada di antara 0.1 dan 10. Kapasiti penampan, yang ditakrifkan sebagai mol asid atau asas kuat yang diperlukan untuk mengubah pH sebanyak satu unit per liter, bergantung pada kepekatan penampan keseluruhan dan seberapa dekat pH dengan pK_a.

Dalam titrasi asid-asas, pH dipantau secara berterusan apabila titran ditambahkan ke analit. Titrasi asid-asas kuat mempunyai pH setara 7.00; titrasi asid-asas lemah mempunyai pH setara di atas 7 (asasas konjugat terbentuk); dan titrasi asid-asas lemah mempunyai pH di bawah 7. Pilihan penunjuk mesti sepadan dengan pH titik setara: phenolphthalein (pH 8.2 - 10) untuk titrasi asid lemah, methyl orange (pH 3.1 - 4.4) untuk titrasi asas lemah.

Kawalan pH industri adalah kritikal dalam rawatan air (mengekalkan pH 6.5 - 8.5 untuk air minuman yang selamat), pengurusan kolam renang (pH 7.2 - 7.8 untuk keberkesanan klorin), akuakultur (toleransi pH khusus spesies), dan pembuatan kimia di mana hasil tindak balas dan kesucian produk bergantung pada pH yang tepat.

pH dalam Sains Alam Sekitar

Pemantauan pH alam sekitar menjejaki kesihatan ekosistem akuatik, kesan pencemaran, dan pergeseran yang didorong oleh perubahan iklim. pH permukaan lautan telah menurun dari kira-kira 8.21 pada zaman pra-perindustrian kepada kira-kira 8.10 hari ini - peningkatan 26% dalam [H +] - proses yang disebut pengasidan lautan yang didorong oleh penyerapan CO2 antropogenik. Ini mengancam organisma kalsifikasi (koral, moluska, foraminifera) yang cangkang kalsium karbonatnya larut dengan lebih mudah pada pH yang lebih rendah.

Ekosistem air tawar sama sensitif. Kebanyakan spesies ikan bertolak ansur dengan pH 6.5 - 9.0; di bawah pH 5, mobiliti aluminium dari sedimen menjadi toksik kepada tisu insang.

Kimia atmosfera menghubungkan pH dengan kualiti udara._xAir hujan bersih mempunyai pH ~ 5.6 (asid karbonik); hujan asid boleh mencapai pH 4.0 atau lebih rendah. Peraturan antarabangsa (contohnya, pindaan Akta Udara Bersih AS, Arahan Had Emisi Kebangsaan EU) telah mengurangkan keparahan hujan asid sejak tahun 1980-an, dan banyak tasik yang terjejas di Skandinavia dan Amerika Utara telah menunjukkan pemulihan separa.