Водневий показник кислотності (рН)

Водневий показник, pH (лат. pondus Hydrogenii — «вага водню», вимовляється «пі аш») — міра активності (в сильно розбавлених розчинах еквівалентна концентрації) іонів водню в розчині, яка кількісно виражає його кислотність.

Показник pH дорівнює по модулю і протилежний за знаком десятичному логарифму активності водневих іонів, який виражений в молях на один літр:

Історія водневого показника pH

Поняття водневого показника введено датським хіміком Серенсеном в 1909 році. Показник називається pH (по перших буквах латинських слів potentia hydrogeni — сила водню, або pondus hydrogeni — вага водню).

У хімії поєднанням pX зазвичай позначають величину, яка дорівнює lg X, а буквою H в цьому випадку позначають концентрацію іонів водню (H + ), або, вірніше, термодинамічну активність гідроксоній-іонів.

В чистій воді при 25°C концентрації іонів водню ([H + ]) і гідроксид-іонів ([OH − ]) виявляються однаковими і дорівнюють 10-7 моль/л, це чітко випливає з визначення іонного добутку води, який дорівнює [H + ] · [OH − ] і дорівнює 10-14 моль 2 /л 2 (при 25°C).

Якщо концентрації двох видів іонів в розчині виявляться однаковими, в такому випадку кажуть, що у розчину нейтральна реакція. При додаванні кислоти до води, концентрація іонів водню зростає, а концентрація гідроксид-іонів знижується, при додаванні основи — навпаки, збільшується вміст гідроксид-іонів, а концентрація іонів водню зменшується.

Коли [H + ] > [OH − ] говориться, що розчин виявляється кислим, а при [OH − ] > [H + ] — лужним.

Щоб було зручніше представляти, для позбавлення від негативного показника ступеня, замість концентрацій іонів водню використовують їх десятковий логарифм, який береться з протилежним знаком, який є водневим показником pH.

Трохи меншу популяризацію має зворотна величина pH — показник основності розчину, pOH, яка дорівнює десятичному логарифму (негативному) концентрації в розчині іонів OH − :

Значення рH у розчинах різної кислотності

Врозріз з поширеною думкою, pH може змінюватися крім інтервалу 0-14. pH може виходити за ці межі. Наприклад, при концентрації іонів водню [H + ] = 10 -15 моль/л, pH = 15, при концентрації іонів гідроксиду 10 моль /л pOH = -1.

Тому при 25°C (стандартних умовах) [H + ] [OH − ] = 10 -14 , то ясно, що при такій температурі pH + pOH = 14.

Тому в кислих розчинах [H + ] > 10 -7 , значить, у кислих розчинів pH < 7, відповідно, у лужних розчинів pH >7, рН нейтральних розчинів дорівнює 7. При більш високих температурах константа електролітичної дисоціації води збільшується, значить, збільшується іонний добуток води, тоді нейтральною буде pH = 7 (що відповідає одночасно підвищеним концентраціям як H + , так і OH − ); з пониженням температури, навпаки, нейтральна рН збільшується.

Методи визначення значення pH

Існує декілька методів визначення значення pH розчинів. Водневий показник приблизно оцінюють за допомогою індикаторів, які точно вимірюють за допомогою pH-метра або визначають аналітичним шляхом, проводячи кислотно-основне титрування.

Для грубої оцінки концентрації водневих іонів часто використовують кислотно-основні індикатори — органічні речовини-барвники, колір яких залежить від pH середовища.

Індикатори можуть бути у 2-х по-різному забарвлених формах — або в кислотній, або в основній. Зміна кольору всіх індикаторів відбувається в своєму інтервалі кислотності і найчастіше становить 1-2 одиниці.

Для збільшення робочого інтервалу вимірювання pH застосовують універсальний індикатор, який є сумішшю з кількох індикаторів. Універсальний індикатор послідовно змінює колір з червоного через жовтий, зелений, синій до фіолетового при переході з кислої області в лужну.

Визначення pH індикаторним способом утруднено для каламутних або забарвлених розчинів.

Застосування спеціального приладу — pH-метру — дає можливість вимірювати рН в більш широкому діапазоні і більш точно (до 0,01 одиниці pH), ніж за допомогою індикаторів. Іонометричний метод визначення pH ґрунтується на вимірюванні міллівольтметром-іонометром ЕРС гальванічного ланцюга, яка включає скляний електрод, потенціал якого залежить від концентрації іонів H + у навколишньому розчині.

Спосіб володіє високою точністю і зручністю, особливо після калібрування індикаторного електрода в обраному діапазоні рН, що дає можливість вимірювати pH непрозорих і кольорових розчинів і тому часто застосовується.

Аналітичний об’ємний метод — кислотно-основне титрування — теж дає точні результати визначення кислотності розчинів. Розчин відомої концентрації (титрант) краплями додають до розчину, який досліджується. При їх змішуванні відбувається хімічна реакція.

Точка еквівалентності — це момент, коли титранта точно вистачає для повного завершення реакції, — фіксується за допомогою індикатора.

Після цього, якщо відома концентрація і обсяг доданого розчину титранта, визначається кислотність розчину.

Вплив температури на значення pH:

• 0,001 моль/л HCl при 20°С має рН=3, при 30°C pH=3;
• 0,001 моль/л NaOH при 20°С має рН=11,73, при 30°C pH=10,83,

Вплив температури на значення pH пояснюють дисоціацією іонів водню (H + ) і не є помилкою експерименту. Температурний ефект можна компенсувати за рахунок електроніки pH-метра.

Роль pH в хімії і біології

Кислотність середовища має важливе значення для більшості хімічних процесів, і можливість протікання результату тієї чи іншої реакції часто залежить від pH середовища.

Для підтримки певного значення pH в реакційній системі при проведенні лабораторних досліджень або на виробництві застосовують буферні розчини, які дозволяють зберігати майже постійне значення pH при розведенні або при додаванні в розчин маленьких кількостей кислоти або лугу.

Водневий показник pH часто застосовують для характеристики кислотно-основних властивостей різних біологічних середовищ.

Для біохімічних реакцій велике значення має кислотність реакційного середовища, які протікають в живих системах. Концентрація в розчинах іонів водню часто впливає на фізико-хімічні властивості і біологічну активність білків і нуклеїнових кислот:

тому для нормального функціонування організму підтримання кислотно-основного гомеостазу є завданням виняткової важливості.

Динамічне підтримання оптимального рН біологічних рідин досягається під дією буферних систем організму.

Що таке pH і що він вимірює?

РН описує, наскільки кислим або основним є водний розчин, де рН нижче 7 вважається кислим, а рН вище 7 — основним. pH 7 вважається нейтральним (наприклад, чиста вода). Як правило, значення рН коливаються від 0 до 14, хоча дуже сильні кислоти можуть мати негативний рН , а дуже сильні основи можуть мати рН вище 14.

Термін «рН» вперше був описаний датським біохіміком Сьореном Петером Лауріцем Сьоренсеном у 1909 році. рН — це абревіатура від «сила водню», де «р» — скорочення від німецького слова «потужність», «potenz» , а Н — символ елемента для водню. .

Чому вимірювання pH важливі

На хімічні реакції у воді впливає кислотність або лужність розчину. Це важливо не лише в хімічній лабораторії, але й у промисловості, кулінарії та медицині. РН ретельно регулюється в клітинах і крові людини. Нормальний діапазон рН крові становить від 7,35 до 7,45. Зміна навіть на одну десяту одиниці pH може бути фатальною. РН ґрунту важливий для проростання та росту культур. Кислотні дощі, викликані природними та антропогенними забруднювачами, змінюють кислотність ґрунту та води, сильно впливаючи на живі організми та інші процеси. У кулінарії зміна pH використовується при випічці та пивоварінні. Оскільки рН впливає на багато реакцій у повсякденному житті , корисно знати, як його розрахувати та виміряти.

Як вимірюється pH

• Найпоширенішим методом є рН-метр, який включає рН-чутливий електрод (зазвичай виготовлений зі скла) і електрод порівняння.
• Кислотно-лужні індикатори змінюють колір у відповідь на різні значення pH. Лакмусовий папір і рН-папір використовуються для швидких, відносно неточних вимірювань. Це смужки паперу, оброблені індикатором.
• Для вимірювання pH зразка можна використовувати колориметр. Флакон наповнюють зразком і додають реагент для зміни кольору залежно від pH. Колір порівнюють із таблицею або стандартом, щоб визначити значення pH.

Проблеми з вимірюванням екстремального рН

У лабораторних умовах можна зустріти дуже кислі та основні розчини. Видобуток корисних копалин є ще одним прикладом ситуації, яка може виробляти надзвичайно кислі водні розчини. Необхідно використовувати спеціальні методи для вимірювання екстремальних значень рН нижче 2,5 і вище приблизно 10,5, оскільки закон Нернста не є точним у цих умовах, коли використовуються скляні електроди. Зміна іонної сили впливає на потенціали електродів . Можна використовувати спеціальні електроди, інакше важливо пам’ятати , що вимірювання рН не будуть такими точними, як вимірювання у звичайних розчинах.