Kalkulator pH - z stężenia H+ lub wartości pH

Co to jest pH?

pH, skrót od "potencjału wodoru", jest wielkością bezwymiarową, która opisuje kwasowość lub zasadowość roztworu wodnego. Formalnie wprowadzona przez duńskiego chemika Søren Peder Lauritz Sørensena w 1909 roku podczas pracy w Laboratorium Carlsberg w Kopenhadze, pH zrewolucjonizowała sposób, w jaki naukowcy określają kwasowo-zasadowy charakter roztworu.

Z matematycznego punktu widzenia pH jest definiowane jako ujemny logarytm aktywności jonowo-wodorowej o podstawie 10:pH = -log10_H⁺). W rozcieńczonych roztworach, w których współczynniki aktywności zbliżają się do jedności, uproszcza się to dopH ~ -log10[H+], gdzie [H+] jest stężeniem molarnym w mol L-1. Ponieważ skala jest logarytmiczna, każdy krok liczbowy reprezentuje dziesięciokrotną zmianę stężenia H+. Na przykład sok cytrynowy o pH 2 zawiera 100 000 razy więcej jonów wodoru na litr niż czysta woda o pH 7.

pH dokładnie 7,00 przy 25 stopniach C odpowiada neutralności - punkcie, w którym [H+] równa się [OH−] przy 1,0 x 10−7 mol L−1 każdy. Roztwory o pH < 7 są kwasowe (nadmiar H+), a te o pH > 7 są podstawowe lub zasadowe (nadmiar OH−). Ważne jest, aby pamiętać, że punkt neutralny zmienia się wraz z temperaturą: przy 37 stopniach C (temperatura ciała) produkt jonowy wody K_wpH neutralne spada do około 6, 8.

Matematyka pH

Skala pH wywodzi się z równowagi autoionizacji wody:2 H2O H3O+ + OH−. Stała równowagi dla tej reakcji jest iloczynem jonowym wody, K_w= [H+][OH−], co równa się 1,01 x 10−14 w temperaturze 25°C. Od K_wdefiniujemy również pOH = -log10[OH−], a przy 25 stopniach C relacjapH + pOH = 14,00Trzyma.

Aby przekształcić znane stężenie jonów wodoru w pH, należy zastosować formułę bezpośrednio. Dla [H+] = 4,7 x 10−4 mol L−1: pH = -log10(4,7 x 10−4) = -(-3.328) = 3,33. Odwrotna konwersja jest równie prosta: [H+] = 10^{- pH}. Dla pH 5,20: [H+] = 10−5·20 = 6,31 x 10−6 mol L−1.

W roztworach skoncentrowanych lub mieszanych elektrolitów współczynniki aktywności (γ) znacznie odbiegają od 1, a operacyjna definicja pH wymaga kalibracji zgodnie z certyfikowanymi standardami buforowymi.

Wartości odniesienia skali pH

Zrozumienie pH codziennych substancji zapewnia intuicyjne odczucie skali. kwas akumulatorowy znajduje się w pobliżu ekstremalnie kwaśnego końca, podczas gdy domowy oczyszczacz ścieków zajmuje ekstremalny podstawowy koniec.

Należy pamiętać, że pH napojów gazowanych zazwyczaj mieści się w przedziale od 2,5 do 4,0, dlatego częste spożywanie jest związane z erozją szkliwa zębów. Woda deszczowa w obszarach nieskażonych ma pH blisko 5,6 z powodu rozpuszczonego atmosferycznego CO2 tworzącego kwas węglowy (H2CO3).

Jak mierzyć pH w laboratorium

Do pomiaru pH stosuje się trzy podstawowe metody, z których każda ma swoje zalety i ograniczenia:

1. pH-meter ze szklaną elektrodą.Najbardziej dokładna metoda rutynowa. Cienka szklana membrana oddziela wewnętrzny roztwór odniesienia od roztworu testowego. Różnica potencjału rozwija się w całej membranie proporcjonalna do różnicy [H +]. Nowoczesne elektrody kombinowane integrują szklany i elektrody odniesienia w jedną sondę. Dokładność +/- 0,01 jednostek pH jest standardem; przyrządy badawcze osiągają +/- 0,001. Kalibracja z dwoma lub trzema buforami jest niezbędna przed każdą sesją.

2. barwniki wskaźnikoweWskaźniki chemiczne takie jak fenolftaleina, niebieski bromotimol i uniwersalny wskaźnik zmieniają kolor w charakterystycznych zakresach pH.

3. Tranzystorowi selektywnego efektu pola jonów (ISFET).Czujniki na bazie półprzewodników, które wykrywają aktywność H + na powierzchni izolacji bramy. ISFET są zminiaturyzowalne, wytrzymałe i nie wymagają wewnętrznego odniesienia cieczy, co czyni je idealnymi do monitorowania procesu w linii i zastosowań mikro-płynnych.

Podczas pomiaru pH, kompensacja temperatury ma kluczowe znaczenie, ponieważ K_wWiększość nowoczesnych liczników zawiera automatyczną kompensację temperatury (ATC) za pośrednictwem wbudowanego termistora.

pH w biologii i medycynie

Żywe organizmy są wyjątkowo wrażliwe na pH, ponieważ reguluje konformację enzymów, potencjał błonowy i wydajność ścieżek metabolicznych. Na przykład, ludzka krew jest utrzymywana między pH 7,35 a 7,45 przez wyrafinowany system buforowy zdominowany przez kwas węglowy / bikarbonat (H2CO3 / HCO3−). Odchylenia poza to wąskie okno - kwasicy (pH < 7,35) lub alkalizacji (pH > 7,45) - wyzwalają mechanizmy kompensacyjne w płucach (regulowanie wydechu CO2) i nerkach (modulowanie reabsorpcji HCO3−). pH krwi poniżej 6,8 lub powyżej 7,8 jest ogólnie niezgodne z życiem.

Lumen żołądka działa w pH 1,5 - 3,5, wytwarzany przez kwas solny wydzielany z komórek ciemieniowych za pośrednictwem pompy protonowej H+/K+-ATPaz. Ta ekstremalna kwasowość spełnia trzy funkcje: aktywowanie pepsinogenu do pepsiny do trawienia białek, zabijanie spożywanych patogenów i denaturacja białek pokarmowych w celu ujawnienia wiązań peptydowych.

W biologii komórkowej pH wewnątrzkomórkowe jest ściśle regulowane blisko 7,2 przez wymienniki Na+/H+, wymienniki Cl−/HCO3− i H+-ATPazy typu V. Lizozomy, ośrodki recyklingu komórki, utrzymują wewnętrzne pH 4,5 - 5,0 w celu aktywacji hydrolaz kwasowych. Komórki nowotworowe często wykazują odwrócony gradient pH - podwyższone pH wewnątrzkomórkowe i kwasowe mikrośrodowisko zewnątrzkomórkowe - co promuje inwazję i oporność na leki, zjawisko intensywnie badane w biologii nowotworowej.

W rolnictwie i naukach o glebach pH gleby decyduje o dostępności składników odżywczych. Większość upraw rozwija się w pH gleby 6.0 - 7.5. poniżej pH 5.5, toksyczność aluminium staje się problemem; powyżej pH 8.0, żelazo i mangan stają się mniej dostępne.

Bufory, titowanie i regulacja pH

Roztwór buforowy opiera się zmianom pH po dodaniu niewielkich ilości kwasu lub bazy. Bufory składają się z słabego kwasu i jego bazy skojarzonej (np. kwasu octowego / octanu sodu) lub słabego bazy i jego kwasu skojarzonego (np. chlorku amoniaku / chlorku amonu).

pH = pK_a+ log10 (([A−]/[HA])

Bufor jest najbardziej skuteczny, gdy pH ~ pK_aPojemność buforowa, zdefiniowana jako moly silnego kwasu lub bazy potrzebne do zmiany pH o jedną jednostkę na litr, zależy od całkowitego stężenia bufora i od tego, jak blisko pH jest do pK_a.

W titowaniach kwasowo-zasadowych pH jest monitorowane w sposób ciągły, gdy do analitu dodawany jest titrant. Punkt równoważności - gdzie moly kwasu równe są molom bazy - jest wykrywany przez ostre zgięcie krzywej titowania. Dla silnych titowań kwasu - silnej bazy pH równoważności wynosi 7,00; dla słabych titowań kwasu - silnej bazy jest powyżej 7 (tworzy się baza sprzężona); a dla słabych titowań bazy - silnej kwasu jest poniżej 7. Wybór wskaźnika musi odpowiadać pH punktu równoważności: fenolftaleina (pH 8,2 - 10) dla słabych titowań kwasu, pomarańcza metylowa (pH 3,1 - 4,4) dla słabych titowań bazy.

Kontrola pH w przemyśle ma kluczowe znaczenie w oczyszczaniu wody (utrzymanie pH 6,5 - 8,5 dla bezpiecznej wody pitnej), zarządzaniu basenem (pH 7,2 - 7,8 dla skuteczności chloru), akwakultury (tolerancja pH specyficzna dla gatunku) i produkcji chemicznej, w której wydajność reakcji i czystość produktu zależą od dokładnego pH.

pH w naukach środowiskowych

Monitorowanie pH środowiska śledzi zdrowie ekosystemów wodnych, wpływ zanieczyszczeń i zmian napędzanych zmianami klimatycznymi. pH powierzchni oceanów spadło z około 8,21 w czasach przedprzemysłowych do około 8,10 dzisiaj - wzrost o 26% w [H +] - proces zwany zakwaszeniem oceanów napędzany absorpcją antropogenicznego CO2.

Podobnie wrażliwe są ekosystemy słodkowodne. Większość gatunków ryb toleruje pH 6,5 - 9,0; poniżej pH 5, mobilizacja aluminium z osadów staje się toksyczna dla tkanki skrzela.

Chemia atmosferyczna wiąże pH z jakością powietrza._xMiędzynarodowe regulacje (np. zmiany w amerykańskiej ustawie o czystym powietrzu, dyrektywa UE w sprawie krajowych pułapów emisji) znacznie zmniejszyły nasilenie kwaśnych deszczów od lat osiemdziesiątych XX wieku, a wiele jezior w Skandynawii i Ameryce Północnej wykazało częściową regenerację.