Химид рН нь орчны хүчиллэгийг тодорхойлоход ашигладаг логарифмын хэмжүүр юм. Энэ нь ойролцоогоор нэг литр устөрөгчийн ионы моль нэгжээр хэмжигдэх молийн концентрацийн сөрөг суурь 10 логарифм юм. Үүнийг хүрээлэн буй орчны хүчиллэг байдлын үзүүлэлт гэж нэрлэж болно. Илүү нарийн, энэ нь устөрөгчийн ионы идэвхжилийн сөрөг суурь 10 логарифм юм. 25°С-ийн температурт рН 7-оос бага уусмал нь хүчиллэг, 7-оос дээш рН-тэй уусмал нь суурь юм. Саармаг рН-ийн утга нь температураас хамааралтай бөгөөд температур өсөх тусам 7-оос бага байна. Цэвэр ус нь төвийг сахисан, рН=7 (25°С) хүчиллэг, шүлтлэг биш. Түгээмэл итгэл үнэмшлийн эсрэг рН-ийн утга нь маш хүчтэй хүчил ба суурийн хувьд 0-ээс бага эсвэл 14-өөс их байж болно.
Програм
РН-ийн хэмжилт нь агроном, анагаах ухаан, хими, ус цэвэршүүлэх болон бусад олон салбарт чухал ач холбогдолтой.
РН-ийн хэмжүүр нь хүчиллэгийг олон улсын байгууллагаас тогтоосон стандарт уусмалуудын багцад хамааралтай.тохиролцоо. Анхан шатны рН стандартыг устөрөгчийн электрод ба мөнгөн хлорид зэрэг стандарт электродын хоорондох боломжит зөрүүг хэмжих замаар дамжуулалтын концентрацийн эсийг ашиглан тодорхойлно. Усан уусмалын рН-ийг шилэн электрод болон рН хэмжигч эсвэл индикатороор хэмжиж болно.
Нээлт
РН-ийн тухай ойлголтыг анх Данийн химич Сорен Петер Лауритс Соренсен 1909 онд Карлсбергийн лабораторид нэвтрүүлсэн бөгөөд цахилгаан химийн эсийн тодорхойлолт, хэмжилтийг хангах үүднээс 1924 онд одоогийн рН-ийн түвшинд шинэчлэн найруулсан. Эхний бүтээлүүдэд тэмдэглэгээ нь жижиг p үсгээр H үсэгтэй байсан бөгөөд энэ нь: pH.
Нэрний гарал үүсэл
P-ийн яг утга нь маргаантай байгаа ч Карлсбергийн сангийн үзэж байгаагаар рН нь "устөрөгчийн хүч" гэсэн утгатай. Мөн p нь герман хэлний potenz ("хүч") гэсэн үг, бусад нь франц puisance (мөн Карлсбергийн лаборатори Франц байсан гэдгийг үндэслэн "хүч" гэсэн утгатай) гэсэн үг юм. Өөр нэг санал бол p гэдэг нь pondus hydroii (устөрөгчийн хэмжээ), potentio hydroii (устөрөгчийн багтаамж) эсвэл боломжит гидроли (устөрөгчийн потенциал) гэсэн латин нэр томъёог хэлдэг. Мөн Соренсен p ба q үсгүүдийг (математикийн нийлмэл үсэг) зүгээр л туршилтын шийдэл (p) болон лавлагааны шийдлийг (q) тэмдэглэхийн тулд ашигласан гэж үздэг. Одоогийн байдлаар химийн шинжлэх ухаанд p нь аравтын бутархай логарифмыг илэрхийлдэг бөгөөд мөн pKa нэр томъёонд хэрэглэгддэг бөгөөд энэ нь орчны хүчиллэг байдлын диссоциацийн тогтмолуудад хэрэглэгддэг.
Америкийн оруулсан хувь нэмэр
Бактериологич Алис Эванс нь сүүн бүтээгдэхүүн, хүнсний аюулгүй байдлын чиглэлээр хийсэн ажлынхаа нөлөөгөөр алдаршсан бөгөөд 1910-аад онд рН-ийг хэмжих аргыг боловсруулж, улмаар лаборатори болон үйлдвэрлэлийн салбарт өргөн нөлөө үзүүлсэн Виллиам Мэнсфилд Кларк болон түүний нөхдүүдийг үнэлжээ. ашиглах. Тэрээр дурсамж номондоо Кларк болон түүний хамтран ажиллагсад өмнөх жилүүдэд Соренсений бүтээлийн талаар хэр их эсвэл бага мэддэг байсныг дурдаагүй байна. Тэр үед эрдэмтэд хүрээлэн буй орчны хүчиллэг/шүлтлэг байдлын асуудлыг идэвхтэй судалж байсан.
Хүчиллэгийн нөлөө
Доктор Кларкийн анхаарлыг хүчил нянгийн өсөлтөд үзүүлэх нөлөөнд чиглүүлсэн. Үүний ачаар тэрээр хүрээлэн буй орчны хүчиллэг байдлын устөрөгчийн индексийн тухай тухайн үеийн шинжлэх ухааны санааг нэмжээ. Устөрөгчийн ионуудын агууламжийн хувьд хүчлийн эрч хүч нь тэдний өсөлтөд нөлөөлсөн болохыг тэрээр олж мэдэв. Гэхдээ орчин үеийн хүчиллэгийг хэмжих одоо байгаа аргууд нь хүчлийн эрчмийг бус харин түүний хэмжээг тодорхойлдог. Дараа нь доктор Кларк хамтран ажиллагсдынхаа хамт устөрөгчийн ионы концентрацийг хэмжих нарийн аргуудыг боловсруулсан. Эдгээр аргууд нь дэлхийн биологийн лабораториудад хүчил тодорхойлох тодорхой бус титрлэлтийн аргыг сольсон. Түүнчлэн тэдгээрийг үйлдвэрлэлийн болон бусад олон процессуудад өргөнөөр ашиглаж болох нь тогтоогдсон.
Практик тал
РН хэмжилтийн анхны цахим аргыг Калифорнийн Технологийн Институтын профессор Арнольд Орвилл Бекман 1934 онд зохион бүтээжээ. Энэ үед нутгийн цитрус тариалагч байсанСункист ойролцоох цэцэрлэгээс хурааж авсан нимбэгнийхээ рН-ийг хурдан шалгах илүү сайн аргыг хүссэн. Орчны хүчиллэг байдлын нөлөөллийг үргэлж харгалзан үзсэн.
Жишээ нь устөрөгчийн ионы идэвхжил 5 × 10–6 уусмалын хувьд (энэ түвшинд энэ нь үнэндээ устөрөгчийн ионы моль тоо юм. нэг литр уусмалд), бид 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Тиймээс ийм уусмал нь рН 5.3 байна. Нэг моль ус, нэг моль устөрөгчийн ион, нэг моль гидроксидын ион тус тус 18 г, 1 г ба 17 г, цэвэр 107 моль (рН 7) усны хэмжээ нь ойролцоогоор 1 г диссоциацлагдсан устөрөгчийн ион агуулдаг (эсвэл, илүү нарийвчлалтай, 19 г H3O + гидронийн ион) ба 17 г гидроксидын ион.
Температурын үүрэг
РН нь температураас хамааралтай гэдгийг анхаарна уу. Жишээлбэл, 0 ° C-т цэвэр усны рН 7.47, 25 ° C-д 7, 100 ° C-д 6.14 байна.
Электродын потенциал нь рН-ийг үйл ажиллагааны хувьд тодорхойлоход рН-тэй пропорциональ байна. рН-ийн үнэн зөв хэмжилтийг олон улсын ISO 31-8 стандартад үзүүлэв.
Галван элемент нь ижил усан уусмалд дүрэх үед жишиг электрод болон устөрөгчийн ионы идэвхжил мэдрэгч электрод хоорондын цахилгаан хөдөлгөгч хүчийг (EMF) хэмжихээр тохируулагдсан. Лавлах электрод нь мөнгөн хлоридын объект эсвэл каломель электрод байж болно. Устөрөгчийн ион сонгомол электрод нь эдгээр хэрэглээний стандарт юм.
Энэ процессыг практикт хэрэгжүүлэхийн тулд том устөрөгчийн электродын оронд шилэн электродыг ашигладаг. Тэрсуурилуулсан лавлах электродтой. Энэ нь мөн мэдэгдэж буй устөрөгчийн ионы идэвхжилтэй буфер уусмалуудын эсрэг тохируулагдсан байдаг. IUPAC нь H+ идэвхжил нь мэдэгдэж буй буфер шийдлүүдийг ашиглахыг санал болгосон. Налуу нь хамгийн тохиромжтой хэмжээнээс арай бага байж болохыг тооцоолохын тулд хоёр ба түүнээс дээш буфер уусмалыг ашигладаг. Энэхүү тохируулгын аргыг хэрэгжүүлэхийн тулд эхлээд электродыг стандарт уусмалд дүрж, рН тоолуурын заалтыг стандарт буферийн утгад тохируулна.
Дараа нь яах вэ?
Хоёр дахь стандарт буфер уусмалын уншилтыг дараа нь налууг хянах замаар тухайн уусмалын рН-ийн түвшинтэй тэнцүү болгоно. Хоёроос дээш буфер уусмалыг ашиглах үед ажиглагдсан рН-ийн утгыг стандарт буферийн утгын эсрэг шулуун шугамд тохируулах замаар электродыг тохируулна. Арилжааны стандарт буфер шийдлүүд нь ихэвчлэн 25 °C-ийн утга болон бусад температурт хэрэглэх залруулгын хүчин зүйлийн талаарх мэдээллийг агуулсан байдаг.
Тодорхойлолтын шинж чанар
РН хэмжигдэхүүн нь логарифм тул рН нь хэмжээгүй хэмжигдэхүүн бөгөөд бусад зүйлсийн дотор эсийн дотоод орчны хүчиллэгийг хэмжихэд ихэвчлэн ашиглагддаг. Энэ бол 1909 онд солигдсон Соренсений анхны тодорхойлолт байсан.
Гэхдээ электродыг устөрөгчийн ионы концентрациар тохируулсан тохиолдолд устөрөгчийн ионы концентрацийг шууд хэмжих боломжтой. Өргөн хэрэглэгддэг үүнийг хийх нэг арга бол мэдэгдэж буй концентрацитай уусмалыг титрлэх явдал юмдэмжих электролитийн харьцангуй өндөр концентрацитай хүчтэй шүлтийн мэдэгдэж буй концентрацийн уусмал бүхий хүчтэй хүчил. Хүчил ба шүлтийн концентраци нь мэдэгдэж байгаа тул устөрөгчийн ионы концентрацийг тооцоолоход хялбар бөгөөд ингэснээр потенциалыг хэмжсэн утгатай холбож болно.
Заагчийг өнгө нь өөрчлөгддөг тул рН-ийг хэмжихэд ашиглаж болно. Туршилтын уусмалын өнгийг стандарт өнгөт хуваарьтай нүдээр харьцуулах нь рН-ийг бүхэл тоон нарийвчлалтайгаар хэмжих боломжийг олгодог. Хэрэв өнгө нь колориметр эсвэл спектрофотометр ашиглан спектрофотометрээр хэмжигдвэл илүү нарийвчлалтай хэмжилт хийх боломжтой. Универсал индикатор нь индикаторуудын холимогоос бүрдэх бөгөөд ингэснээр ойролцоогоор рН 2-оос рН 10 хүртэл байнгын өнгө өөрчлөгддөг. Универсал индикатор цаасыг универсал индикатороор шингээсэн шингээгч цаасаар хийдэг. РН-ийг хэмжих өөр нэг арга бол электрон рН тоолуур ашиглах явдал юм.
Хэмжилтийн түвшин
РН-ийг ойролцоогоор 2.5 (ойролцоогоор 0.003 моль хүчил) ба 10.5 (ойролцоогоор 0.0003 моль шүлт) -ээс доош рН хэмжих нь тусгай журам шаарддаг, учир нь шилэн электрод ашиглах үед ийм утгад Нернстийн хууль зөрчигддөг. Үүнд янз бүрийн хүчин зүйл нөлөөлдөг. Шингэний шилжилтийн потенциал нь рН-ээс хамааралгүй гэж үзэж болохгүй. Мөн хэт рН гэдэг нь уусмал нь төвлөрсөн байдаг тул ионы хүч чадлын өөрчлөлтөөс электродын потенциалууд нөлөөлдөг. Өндөр рН-д шилэн электрод байж болноуусмал дахь Na+, K+ зэрэг катионуудын концентрацид электрод мэдрэмтгий болох тул шүлтлэг алдаа гарна. Эдгээр асуудлыг хэсэгчлэн даван туулах тусгайлан зохион бүтээсэн электродууд байдаг.
Уурхай эсвэл уурхайн хаягдлаас урсах нь рН-ийн маш бага утгыг үүсгэж болзошгүй.
Цэвэр ус нь төвийг сахисан байдаг. Энэ нь хүчиллэг биш юм. Хүчил нь усанд уусах үед рН нь 7 (25 ° C) -аас бага байх болно. Шүлтийг усанд уусгахад рН нь 7-оос их байх болно. Давсны хүчил зэрэг хүчтэй хүчлийн 1 моль уусмалын рН нь тэг байна. 1 моль концентрацитай натрийн гидроксид зэрэг хүчтэй шүлтийн уусмал нь рН нь 14 байна. Тиймээс хэмжсэн рН-ийн утга нь ерөнхийдөө 0-ээс 14-ийн хооронд байх болно, гэхдээ рН-ийн утга, утга сөрөг байна. 14-өөс дээш байх боломжтой.
Уусмалын орчны хүчиллэг байдлаас их зүйл шалтгаална. РН нь логарифмын хэмжүүр учраас нэг рН нэгжийн зөрүү нь устөрөгчийн ионы концентрацийн арав дахин зөрүүтэй тэнцэнэ. Төвийг сахисан байдал PH нь 7 (25 ° C-д) тийм ч хүрдэггүй, гэхдээ ихэнх тохиолдолд энэ нь сайн ойролцоо байдаг. Төвийг сахисан байдал нь [H+]=[OH-] байх нөхцөлөөр тодорхойлогддог. Усны өөрөө ионжуулалт нь эдгээр концентрацийн үржвэрийг [H+] × [OH-]=Kw хадгалж байдаг тул төвийг сахисан үед [H+]=[OH-]=√Kw буюу рН=pKw / 2 болохыг харж болно.
PKw нь ойролцоогоор 14, гэхдээ ионы хүч ба температураас хамаардаг тул төвийг сахисан байх ёстой орчны рН утга нь бас чухал юм.түвшин. Усны диссоциаци нь ижил хэмжээний ион үүсгэдэг тул цэвэр ус болон NaCl-ийн цэвэр ус дахь уусмал нь төвийг сахисан байдаг. Гэхдээ төвийг сахисан NaCl уусмалын рН нь төвийг сахисан цэвэр усны рН-ээс бага зэрэг ялгаатай байх болно, учир нь устөрөгч ба гидроксидын ионы идэвхжил нь ионы хүчээс хамаардаг тул Kw нь ионы хүч чадлаас хамаарч өөр өөр байдаг.
Ургамал
РН-ийн үзүүлэлт болгон ашиглаж болох ургамлын хамааралтай пигментүүд нь хибискус, улаан байцаа (антоцианин), улаан дарс зэрэг олон ургамалд байдаг. Цитрусын шүүс нь нимбэгийн хүчил агуулдаг тул хүчиллэг байдаг. Бусад карбоксилын хүчил нь олон амьд системд байдаг. Жишээлбэл, сүүн хүчлийг булчингийн үйл ажиллагаанаас үүсгэдэг. ATP зэрэг фосфатын деривативуудын протонжуулалтын төлөв нь рН орчны хүчиллэг байдлаас хамаарна. Гемоглобины хүчилтөрөгч дамжуулах ферментийн үйл ажиллагаа нь рН-ийн нөлөөгөөр үндсэн эффект гэж нэрлэгддэг процесст нөлөөлдөг.
Далайн ус
Далайн усны рН нь ихэвчлэн 7.5-аас 8.4 хооронд хязгаарлагддаг. Энэ нь далай дахь нүүрстөрөгчийн эргэлтэнд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд нүүрстөрөгчийн давхар ислийн ялгаралтаас үүдэлтэй далай тэнгисийн хүчиллэгжилт үргэлжилж байгааг нотлох баримтууд байдаг. Гэсэн хэдий ч далайн усны химийн шинж чанараас шалтгаалан рН-ийг хэмжих нь төвөгтэй бөгөөд химийн далай судлалд рН-ийн хэд хэдэн өөр өөр хэмжүүрүүд байдаг.
Тусгай шийдэл
Хүчиллэгийн (рН) хэмжүүрийн үйл ажиллагааны тодорхойлолтын нэг хэсэг болгон IUPAC нь рН-ийн хязгаарт (ихэвчлэн гэж нэрлэдэг) буферийн цуврал уусмалуудыг тодорхойлдог. NBS эсвэл NIST). Эдгээр уусмалууд нь далайн устай (≈0.7) харьцуулахад харьцангуй бага ионы хүч чадалтай (≈0.1) тул далайн усны рН-ийн шинж чанарыг тодорхойлоход ашиглахыг зөвлөдөггүй, учир нь ионы хүч чадлын ялгаа нь электродын потенциалын өөрчлөлтийг үүсгэдэг. Энэ асуудлыг шийдэхийн тулд хиймэл далайн усанд суурилсан буферийн өөр цуврал бүтээв.
Энэ шинэ цуврал нь дээж болон буфер хоорондын ионы бат бэхийн зөрүүний асуудлыг шийдэж байгаа бөгөөд дунд хүчиллэг байдлын шинэ рН-ийн хэмжүүрийг нийтлэг хэмжүүр гэж нэрлэдэг бөгөөд үүнийг ихэвчлэн рН гэж нэрлэдэг. Ерөнхий масштабыг сульфатын ион агуулсан орчин ашиглан тодорхойлсон. Эдгээр ионууд нь H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4 протонжилтыг мэдэрдэг тул нийт хуваарьт протон (чөлөөт устөрөгчийн ионууд) болон устөрөгчийн сульфидын ионуудын нөлөө багтана:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Чөлөөт хэмжигдэхүүнийг ихэвчлэн pHF гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ асуудлыг орхигдуулдаг бөгөөд зөвхөн [H+]F дээр төвлөрдөг бөгөөд энэ нь зарчмын хувьд устөрөгчийн ионы концентрацийн илүү энгийн дүрслэл болдог. Зөвхөн [H+] T тодорхойлох боломжтой тул [H+] F-ийг [SO2-4] ба тогтвортой байдлын тогтмол HSO-4, KS: ашиглан тооцоолох хэрэгтэй.
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Гэсэн хэдий ч далайн усанд KS-ийг тооцоолоход хэцүү байдаг нь энгийн чөлөөт масштабын ашиг тусыг хязгаарладаг.
Далайн усны хэмжүүр гэгддэг өөр нэг хэмжүүр нь ихэвчлэн pHSWS гэгддэг бөгөөд устөрөгчийн ион ба фторын ионуудын хоорондох протоны цаашдын холбоог харгалзан үздэг H+ + F- ⇌HF. Үр дүн нь [H+] SWS-ийн дараах илэрхийлэл юм:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Гэсэн хэдий ч энэхүү нэмэлт нарийн төвөгтэй байдлыг авч үзэхийн ашиг тус нь орчин дахь фторын агууламжаас хамаарна. Жишээлбэл, далайн усанд сульфатын ионууд нь фторын агууламжаас хамаагүй өндөр (> 400 дахин) агууламжтай байдаг. Үүний үр дүнд ихэнх практик зорилгоор нийтлэг масштаб болон далайн усны масштабын ялгаа маш бага байна.
Дараах гурван тэгшитгэл нь рН-ийн гурван хэмжүүрийг нэгтгэн харуулав:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Практикийн үүднээс авч үзвэл хүчиллэг орчны (эсвэл далайн усны) рН-ийн гурван хэмжүүр нь 0.12 рН нэгж хүртэлх утгаараа ялгаатай бөгөөд ялгаа нь нарийвчлалыг тогтооход шаардагдах хэмжээнээс хамаагүй их байдаг. рН хэмжилт, ялангуяа далайн карбонатын системтэй холбоотой.
