pH چیست

در شیمی ، pH ( / p iː ˈ eɪ tʃ / نامیده می شود )، همچنین به عنوان اسیدیته ، که از لحاظ تاریخی نشان دهنده «پتانسیل هیدروژن » (یا «قدرت هیدروژن»)، [1] مقیاسی است که برای مشخص کردن اسیدیته یا بازی بودن آن استفاده می شود. یک آبی محلول محلول های اسیدی (محلول هایی با غلظت های بالاتر از H + یون های دارند ) اندازه گیری می شوند که مقادیر pH کمتری نسبت به محلول های بازی یا قلیایی .

مقیاس pH لگاریتمی است و به طور معکوس نشان دهنده فعالیت یون های هیدروژن در محلول است. [2]

pH = – ورود به سیستم ⁡ ( آ اچ + ) = – ورود به سیستم ⁡ ( [ اچ + ] / م )

که در آن M = mol dm -3 . در 25 درجه سانتیگراد (77 درجه فارنهایت )، محلولهای با pH کمتر از 7 اسیدی و محلولهای با pH بیشتر از 7 بازی هستند. محلول های با pH 7 در این دما خنثی هستند (یعنی غلظت یون های H + با یون های OH- ، یعنی همان غلظت یون های آب خالص است ). مقدار خنثی pH به دما بستگی دارد – اگر دما بالاتر از 25 درجه سانتیگراد افزایش یابد، کمتر از 7 است. مقدار pH می تواند برای اسیدهای قوی بسیار غلیظ کمتر از 0 یا برای بازهای قوی بسیار غلیظ بیشتر از 14 باشد . [3]

مقیاس pH قابل ردیابی به مجموعه ای از محلول های استاندارد است که pH آنها توسط توافق بین المللی تعیین شده است. [4] ، تعیین می‌شود مقادیر استاندارد pH اولیه با استفاده از یک سلول غلظت با انتقال ، با اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل بین یک الکترود هیدروژن و یک الکترود استاندارد مانند الکترود کلرید نقره . PH محلول های آبی را می توان با یک الکترود شیشه ای و یک pH متر تغییر رنگ یا یک نشانگر اندازه گیری کرد . اندازه گیری pH در شیمی، زراعت ، پزشکی، تصفیه آب و بسیاری از کاربردهای دیگر مهم است.

تاریخچه

مفهوم pH برای اولین بار توسط دانمارکی شیمیدان سورن پیتر لاوریتز سورنسن در آزمایشگاه کارلزبرگ در سال 1909 معرفی شد [5] و در سال 1924 به pH مدرن تجدید نظر شد تا تعاریف و اندازه‌گیری‌ها از نظر سلول‌های الکتروشیمیایی را در خود جای دهد. در مقالات اول، علامت H • به عنوان زیرنویس P به حروف کوچک بود ، بنابراین: p H •.

برای علامت p ، نام «نمایش یون هیدروژن» و نماد pH را پیشنهاد می‌کنم . سپس، برای توان یون هیدروژن (p H •) یک محلول، مقدار منفی لگاریتم بریگزین ضریب یون هیدروژن مربوطه نرمال بودن باید درک شود. [5]

معنی دقیق حرف p در “pH” مورد مناقشه است، زیرا سورنسن توضیح نداد که چرا از آن استفاده کرده است. [6] سورنسن روشی را برای اندازه‌گیری pH با استفاده از تفاوت‌های پتانسیل توصیف می‌کند و قدرت منفی 10 را در غلظت یون‌های هیدروژن نشان می‌دهد. حرف p می تواند مخفف puissance فرانسوی، آلمانی Potenz یا Potens دانمارکی باشد که به معنای “قدرت” است یا می تواند به معنای “پتانسیل” باشد. همه کلمات مربوط به اینها با حرف p در فرانسوی ، آلمانی و دانمارکی شروع می‌شوند – همه زبان‌هایی که سورنسن در آنها منتشر می‌شود: آزمایشگاه کارلسبرگ فرانسوی زبان بود، آلمانی زبان غالب انتشارات علمی بود، و سورنسن دانمارکی بود. او همچنین از حرف q به همان شیوه در جاهای دیگر مقاله استفاده کرد. او همچنین ممکن است راه حل آزمایشی را “p” و راه حل مرجع “q” را خودسرانه برچسب زده باشد. این حروف اغلب جفت می شوند. [7] برخی منابع ادبی بیان می‌کنند که «pH» مخفف عبارت لاتین pondus hydrogenii (مقدار هیدروژن) یا potentia hydrogenii (قدرت هیدروژن) است، اگرچه این مورد توسط نوشته‌های سورنسن تأیید نشده است. [8] [9] [10]

در حال حاضر در شیمی ، p مخفف ” لگاریتم اعشاری از در اصطلاح p Ka ” است، و همچنین استفاده می شود ، که برای ثابت های تفکیک اسید [11] و pOH، معادل یون های هیدروکسید استفاده می شود .

، باکتری شناس آلیس سی. ایوانز ، که به خاطر تأثیر کارش بر لبنیات و ایمنی مواد غذایی شهرت دارد، ویلیام منسفیلد کلارک و همکارانش (که او یکی از آنها بود) را در توسعه روش های اندازه گیری pH در دهه 1910، که تأثیر گسترده ای بر استفاده آزمایشگاهی و صنعتی پس از آن داشت، اعتبار بخشید. . او در خاطراتش اشاره ای نمی کند که چند سال قبل کلارک و همکارانش چقدر یا چقدر از کارهای سورنسن اطلاع داشتند. : 10 او گفت:

در این مطالعات [در مورد متابولیسم باکتری ها] توجه دکتر کلارک به تأثیر اسید بر رشد باکتری ها معطوف شد. او دریافت که شدت اسید از نظر غلظت یون هیدروژن است که بر رشد آنها تأثیر می گذارد. اما روش‌های موجود برای اندازه‌گیری اسیدیته، کمیت اسید را تعیین می‌کنند، نه شدت. در مرحله بعد، دکتر کلارک با همکارانش روش های دقیقی برای اندازه گیری غلظت یون هیدروژن ابداع کرد. این روش‌ها جایگزین روش تیتراسیون نادرست برای تعیین محتوای اسید مورد استفاده در آزمایشگاه‌های بیولوژیکی در سراسر جهان شدند. همچنین مشخص شد که آنها در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و سایر فرآیندها که در آنها به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند، قابل استفاده هستند. [12] : 10

اولین روش الکترونیکی ابداع شد. برای اندازه‌گیری pH توسط آرنولد ارویل بکمن ، استاد مؤسسه فناوری کالیفرنیا در سال 1934 [13] این در پاسخ به تولیدکننده مرکبات محلی Sunkist بود که می‌خواست روش بهتری برای آزمایش سریع pH لیموهای موجود در آن باشد. چیدن از باغ های نزدیکشان [14]

تعریف و اندازه گیری

pH

pH به عنوان لگاریتم اعشاری متقابل یون هیدروژن فعالیت ، H تعریف می +، در یک محلول شود. [4]

pH = – ورود به سیستم 10 ⁡ ( آ اچ + ) = ورود به سیستم 10 ⁡ ( 1 آ اچ + )

برای مثال، برای محلولی با فعالیت یون هیدروژن 5×10-6 ( در آن سطح، اساساً تعداد مول های یون هیدروژن در هر لیتر محلول است) آرگومان لگاریتم 1/(5×10- است . 6 ) = 2×10 5 ; بنابراین چنین محلولی دارای pH log 10 (2×10 5 ) = 5.3 است. مثال زیر را در نظر بگیرید: مقدار 107 مول آب خالص در دمای 25 درجه سانتیگراد (7=pH)، یا 180 تن متریک (18×107 گرم )، حاوی نزدیک به 18 میلی گرم تفکیک شده یون هیدروژن است.

توجه داشته باشید که pH به دما بستگی دارد. به عنوان مثال در دمای 0 درجه سانتی گراد pH آب خالص حدود 7.47 است. در 25 درجه سانتیگراد 7.00 و در 100 درجه سانتیگراد 6.14 است.

این تعریف به این دلیل پذیرفته شد که الکترودهای انتخابی یون ، که برای اندازه گیری pH استفاده می شوند، به فعالیت پاسخ می دهند. در حالت ایده آل، پتانسیل الکترود، E ، از معادله نرنست پیروی می کند ، که برای یون هیدروژن می تواند به صورت زیر نوشته شود.

E = E 0 + آر تی اف لوگاریتم ⁡ ( آ اچ + ) = E 0 – 2.303 آر تی اف pH

که در آن E یک پتانسیل اندازه گیری شده است، E 0 پتانسیل الکترود استاندارد، R ثابت گاز ، T دما بر حسب کلوین ، F است ثابت فارادی . برای H + تعداد الکترون های منتقل شده یک است. نتیجه این است که وقتی PH بر حسب فعالیت تعریف می شود، پتانسیل الکترود متناسب با pH است. اندازه‌گیری دقیق pH در استاندارد بین‌المللی ISO 31-8 به شرح زیر ارائه شده است: [15] یک سلول گالوانیکی تنظیم می‌شود. برای اندازه‌گیری نیروی الکتروموتور (emf) بین یک الکترود مرجع و یک الکترود حساس به فعالیت یون هیدروژن در زمانی که هر دوی آنها هستند در همان محلول آبی غوطه ور شده است. الکترود مرجع ممکن است یک الکترود کلرید نقره یا یک الکترود کالومل باشد . الکترود انتخابی یون هیدروژن یک الکترود هیدروژن استاندارد است .

الکترود مرجع | محلول غلیظ KCl || محلول تست | H 2 | Pt [ توضیحات لازم است ]

ابتدا سلول با محلولی از فعالیت شناخته شده یون هیدروژن پر می شود و نیروی محرکه الکتریکی E S اندازه گیری می شود. سپس نیروی محرکه الکتریکی، E X ، همان سلول حاوی محلول pH ناشناخته اندازه گیری می شود.

pH ( ایکس ) = pH ( اس ) + E اس – E ایکس z

تفاوت بین دو مقدار نیروی الکتروموتور اندازه گیری شده متناسب با pH است. این روش کالیبراسیون از نیاز به دانستن پتانسیل استاندارد الکترود جلوگیری می کند. ثابت تناسب، 1/ z ، در حالت ایده آل برابر است 1 2.303 آر تی / اف   ، “شیب نرنستیان”.

برای اعمال این فرآیند در عمل، یک الکترود شیشه ای به جای الکترود هیدروژن دست و پا گیر، از استفاده می شود. یک الکترود شیشه ای ترکیبی دارای یک الکترود مرجع داخلی است. کالیبره شده است در برابر محلول های بافری با فعالیت یون هیدروژن شناخته شده . IUPAC (اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی) استفاده از مجموعه ای از محلول های بافر شناخته شده را پیشنهاد کرده است. H + فعالیت. [4] دو یا چند راه حل بافر به منظور تطبیق با این واقعیت استفاده می شود که “شیب” ممکن است کمی با ایده آل متفاوت باشد. برای اجرای این رویکرد برای کالیبراسیون، ابتدا الکترود در یک محلول استاندارد غوطه ور می شود و قرائت روی یک pH متر به گونه ای تنظیم می شود که برابر با مقدار بافر استاندارد باشد. سپس قرائت از محلول بافر استاندارد دوم با استفاده از کنترل “شیب” تنظیم می شود تا با pH آن محلول برابر باشد. جزئیات بیشتر در توصیه های IUPAC آورده شده است. [4] هنگامی که بیش از دو محلول بافر استفاده می شود، الکترود با برازش مقادیر pH مشاهده شده به یک خط مستقیم با توجه به مقادیر بافر استاندارد کالیبره می شود. محلول‌های بافر استاندارد تجاری معمولاً با اطلاعاتی در مورد مقدار ۲۵ درجه سانتی‌گراد و یک ضریب تصحیح برای سایر دماها ارائه می‌شوند.

مقیاس pH لگاریتمی است و بنابراین pH یک کمیت بدون بعد است .

P[H]

این تعریف اولیه سورنسن در سال 1909 بود، [16] که در سال 1924 به نفع pH جایگزین شد. [H] غلظت یون های هیدروژن است که نشان داده می شود [ H + ] در شیمی مدرن، که به نظر می رسد دارای واحدهای غلظت است. به طور صحیح تر، فعالیت ترمودینامیکی از H + در محلول رقیق باید با [ H + ]/c 0 ، که در آن غلظت حالت استاندارد c 0 = 1 mol/L. این نسبت یک عدد خالص است که لگاریتم آن قابل تعریف است.

با این حال، اگر الکترود از نظر غلظت یون هیدروژن کالیبره شده باشد، می توان به طور مستقیم غلظت یون های هیدروژن را اندازه گیری کرد. یکی از راه‌های انجام این کار که بسیار مورد استفاده قرار گرفته است، تیتر کردن محلولی با غلظت مشخص از یک اسید قوی با محلولی با غلظت مشخص قلیایی قوی در حضور غلظت نسبتاً بالایی از الکترولیت زمینه است. از آنجایی که غلظت اسید و قلیایی مشخص است، محاسبه غلظت یون های هیدروژن آسان است تا پتانسیل اندازه گیری شده را بتوان با غلظت ها همبستگی کرد. کالیبراسیون معمولاً با استفاده از نمودار Gran انجام می شود . [17] بنابراین، اثر استفاده از این روش برابر کردن فعالیت با مقدار عددی غلظت است.

الکترود شیشه ای (و سایر الکترودهای انتخابی یونی ) باید در محیطی مشابه با محیط مورد بررسی کالیبره شوند. به عنوان مثال، اگر کسی بخواهد PH یک نمونه آب دریا را اندازه گیری کند، الکترود باید در محلولی که از نظر ترکیب شیمیایی شبیه آب دریا باشد، کالیبره شود، همانطور که در زیر توضیح داده شده است.

تفاوت بین p[H] و pH بسیار کم است. بیان شده است [18] که pH = p[H] + 0.04. استفاده از اصطلاح “pH” برای هر دو نوع اندازه گیری معمول است.

نشانگرهای pH

میانگین pH محلول های رایج

ماده	محدوده pH	تایپ کنید
اسید باتری	< 1	اسید
اسید معده	1.0 – 1.5
سرکه	2.5
آب پرتقال	3.3 – 4.2
قهوه سیاه	5 – 5.03
شیر	6.5 – 6.8
آب خالص در دمای 25 درجه سانتی گراد	7	خنثی
آب دریا	7.5 – 8.4	پایه
آمونیاک	11.0 – 11.5
سفید کننده	12.5
لیوان	13.0 – 13.6

با استفاده از این واقعیت که رنگ آنها با pH تغییر می کند، می توان از شاخص ها برای اندازه گیری pH استفاده کرد. مقایسه بصری رنگ محلول آزمایشی با نمودار رنگی استاندارد وسیله ای برای اندازه گیری pH دقیق به نزدیکترین عدد صحیح فراهم می کند. اگر رنگ به روش اسپکتروفتومتری و با استفاده از رنگ سنج یا اسپکتروفتومتر اندازه گیری شود، اندازه گیری دقیق تر امکان پذیر است . نشانگر جهانی از مخلوطی از نشانگرها تشکیل شده است به طوری که تغییر رنگ مداوم از حدود pH 2 تا pH 10 وجود دارد. کاغذ نشانگر جهانی از کاغذ جاذب آغشته به نشانگر جهانی ساخته شده است. الکترونیکی است یکی دیگر از روش های اندازه گیری pH استفاده از PH متر .

pOH

گاهی اوقات از pOH به عنوان اندازه گیری غلظت یون های هیدروکسید استفاده می شود. اوه – . مقادیر pOH از اندازه گیری pH به دست می آید. غلظت یون های هیدروکسید در آب به غلظت یون های هیدروژن مربوط می شود

[ اوه – ] = ک دبلیو [ اچ + ]

که در آن K W است ثابت خود یونیزاسیون آب . گرفتن لگاریتم

pOH = پ ک دبلیو – pH

بنابراین، در دمای اتاق، pOH ≈ 14- pH. با این حال این رابطه در شرایط دیگر مانند اندازه گیری قلیائیت خاک کاملا معتبر نیست .

PH شدید

اندازه گیری pH کمتر از حدود 2.5 (حدود 0.003 mol / dm 3 اسید) و بالاتر از حدود 10.5 (حدود 0.0003 mol/dm 3 قلیایی) به روش های خاصی نیاز دارد زیرا هنگام استفاده از الکترود شیشه ای، قانون نرنست تحت آن شرایط خراب می شود. عوامل مختلفی در این امر نقش دارند. نمی توان فرض کرد که پتانسیل های اتصال مایع مستقل از pH هستند. [19] همچنین، pH شدید نشان می‌دهد که محلول متمرکز است، بنابراین پتانسیل‌های الکترود تحت تأثیر تغییرات قدرت یونی قرار می‌گیرند . در pH بالا، الکترود شیشه ای ممکن است تحت تاثیر “خطای قلیایی” قرار گیرد، زیرا الکترود به غلظت کاتیون هایی مانند حساس می شود. که + و K + در محلول. [20] الکترودهای ساخته شده ویژه در دسترس هستند که تا حدی بر این مشکلات غلبه می کنند.

رواناب معادن یا باطله معدن می تواند مقادیر بسیار کمی pH تولید کند. [21]

محلول های غیر آبی

غلظت (فعالیت) یون هیدروژن را می توان در حلال های غیر آبی اندازه گیری کرد. مقادیر pH بر اساس این اندازه‌گیری‌ها به مقیاس متفاوتی از مقادیر pH آبی تعلق دارد، زیرا فعالیت‌ها به حالت‌های استاندارد متفاوت مربوط می‌شوند . فعالیت یون هیدروژن، a H + به صورت زیر تعریف کرد را می توان [22] [23] :

آ اچ + = انقضا ⁡ ( متر اچ + – متر اچ + ⊖ آر تی )

که در آن μ H + است ، پتانسیل شیمیایی یون هیدروژن متر اچ + ⊖ پتانسیل شیمیایی آن در حالت استاندارد انتخابی است، R و ثابت گاز T دمای است ترمودینامیکی . بنابراین، مقادیر pH در مقیاس‌های مختلف را نمی‌توان مستقیماً به دلیل یون‌های پروتون حل‌شده مختلف مانند یون‌های لیونیوم مقایسه کرد، که نیاز به مقیاس بین حلالی که شامل ضریب فعالیت انتقال یون هیدرونیوم/لیونیوم است .

pH نمونه ای از تابع اسیدیته است . سایر توابع اسیدیته را می توان تعریف کرد. به عنوان مثال، تابع اسیدیته Hammett ، H 0 ایجاد شده است ، در ارتباط با سوپراسیدها .

مقیاس pH مطلق یکپارچه

در سال 2010، یک “مقیاس pH مطلق یکپارچه” پیشنهاد شده است که به محدوده های مختلف pH در محلول های مختلف اجازه می دهد تا از استاندارد مرجع پروتون مشترک استفاده کنند. این بر اساس پتانسیل شیمیایی مطلق پروتون توسعه یافته است. این مدل از تعریف اسید-باز لوئیس استفاده می کند . این مقیاس برای مایعات، گازها و حتی جامدات کاربرد دارد. [24]

برنامه های کاربردی

آب خالص خنثی است. هنگامی که یک اسید در آب حل می شود، pH کمتر از 7 (25 درجه سانتیگراد) خواهد بود. هنگامی که یک باز ، یا به طور خاص یک قلیایی ، در آب حل شود، PH بیشتر از 7 خواهد بود. محلولی از یک اسید قوی، مانند اسید کلریدریک ، در غلظت 1 mol dm -3 دارای pH 0 است. یک قلیایی قوی، مانند هیدروکسید سدیم ، در غلظت 1 mol dm -3 ، دارای pH 14 است. بنابراین، مقادیر pH اندازه گیری شده عمدتاً در محدوده 0 تا 14 قرار دارند، اگرچه مقادیر pH منفی و مقادیر بالای 14 کاملاً ممکن است. از آنجایی که pH یک مقیاس لگاریتمی است، اختلاف یک واحد pH معادل یک اختلاف ده برابری در غلظت یون هیدروژن است.

pH خنثی دقیقاً 7 (25 درجه سانتیگراد) نیست، اگرچه این تقریب در بیشتر موارد تقریب خوبی است. بی طرفی به عنوان شرایطی تعریف می شود که [ H + ] = [ OH − ] (یا فعالیت ها برابر هستند). از آنجایی که خود یونیزاسیون آب محصول این غلظت را نگه می دارد [ H + ]/M×[ OH − ]/M = Kw ، می توان دید که در حالت خنثی [ H + ]/M = [ OH – ]/M = √ Kw w یا pH = pK / 2. pK w تقریباً 14 است اما به قدرت یونی و دما بستگی دارد و بنابراین pH خنثی بودن نیز بستگی دارد. آب خالص و محلول NaCl در آب خالص هر دو خنثی هستند، زیرا تفکیک آب تعداد مساوی از هر دو یون را تولید می کند. با این حال، pH محلول NaCl خنثی کمی متفاوت از آب خالص خنثی خواهد بود، زیرا فعالیت یون‌های هیدروژن و هیدروکسید وابسته به قدرت یونی است ، بنابراین Kw با قدرت یونی تغییر می‌کند.

اگر آب خالص در معرض هوا قرار گیرد کمی اسیدی می شود. این به این دلیل است که آب دی اکسید کربن را از هوا جذب می کند و سپس به آرامی به یون های بی کربنات و هیدروژن تبدیل می شود (که اساساً اسید کربنیک ایجاد می کند ).

CO
2 + H
2 O ⇌ HCO −
3 + H +

pH خاک

طبقه بندی محدوده pH خاک

وزارت کشاورزی ایالات متحده خدمات حفاظت از منابع طبیعی ، که قبلا خدمات حفاظت از خاک نام داشت، محدوده pH خاک را به شرح زیر طبقه بندی می کند: [25]

فرقه	محدوده pH
فوق اسیدی	< 3.5
فوق العاده اسیدی	3.5-4.4
بسیار اسیدی است	4.5-5.0
به شدت اسیدی است	5.1-5.5
نسبتا اسیدی است	5.6-6.0
کمی اسیدی است	6.1-6.5
خنثی	6.6-7.3
کمی قلیایی	7.4-7.8
نسبتا قلیایی است	7.9-8.4
به شدت قلیایی است	8.5-9.0
بسیار قلیایی است	9.0-10.5
فوق قلیایی	> 10.5

در اروپا، pH خاک سطحی تحت تأثیر مواد اولیه خاک، اثرات فرسایشی، آب و هوا و پوشش گیاهی است. نقشه اخیر [26] از pH خاک سطحی در اروپا، خاک های قلیایی در مدیترانه، مجارستان، رومانی شرقی، شمال فرانسه را نشان می دهد. کشورهای اسکاندیناوی، پرتغال، لهستان و آلمان شمالی خاک های اسیدی بیشتری دارند.

اندازه گیری PH خاک

خاک در مزرعه یک سیستم کلوئیدی ناهمگن است که شامل ماسه، سیلت، خاک رس، میکروارگانیسم ها، ریشه گیاهان و تعداد زیادی سلول زنده دیگر و مواد آلی در حال پوسیدگی است. pH خاک یک متغیر اصلی است که بر فرآیندها و خواص مورد علاقه دانشمندان، کشاورزان و مهندسان خاک و محیط زیست تأثیر می گذارد. [27] برای تعیین کمیت غلظت H + در چنین سیستم پیچیده‌ای، نمونه‌های خاک از یک افق خاک معین به آزمایشگاه آورده می‌شوند و در آنجا همگن می‌شوند، الک می‌شوند و گاهی اوقات قبل از تجزیه و تحلیل خشک می‌شوند. مخلوط می شود توده ای از خاک (به عنوان مثال، 5 گرم مرطوب در مزرعه برای نشان دادن بهترین شرایط مزرعه) به یک دوغاب با آب مقطر یا 0.01 مولار CaCl2 (به عنوان مثال، 10 میلی لیتر) . پس از مخلوط کردن خوب، سوسپانسیون به شدت هم زده می شود و اجازه می دهد 15 تا 20 دقیقه بماند، در این مدت، ذرات ماسه و سیلت ته نشین می شوند و رس ها و سایر کلوئیدها در آب پوشانده، به نام فاز آبی، معلق می مانند. یک الکترود pH متصل به یک pH متر با محلول های بافری با pH شناخته شده (مثلا pH 4 و 7) قبل از وارد شدن به قسمت بالایی فاز آبی کالیبره می شود و pH اندازه گیری می شود. یک الکترود pH ترکیبی هر دو H را در خود جای می دهد + الکترود حسگر (الکترود شیشه ای) و یک الکترود مرجع که یک ولتاژ مرجع غیر حساس به pH و یک پل نمکی برای الکترود هیدروژنی فراهم می کند. در پیکربندی های دیگر، شیشه و الکترود مرجع جدا هستند و در دو پورت به PH متر متصل می شوند. PH متر اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین دو الکترود را اندازه گیری می کند و آن را به pH تبدیل می کند. الکترود مرجع جداگانه معمولاً الکترود کالومل است، الکترود کلرید نقره و نقره در الکترود ترکیبی استفاده می شود. [27]

عدم قطعیت های زیادی در تعریف عملیاتی pH خاک به روش فوق وجود دارد. از آنجایی که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین الکترودهای شیشه و مرجع آن چیزی است که اندازه گیری می شود، فعالیت H + واقعاً به جای تمرکز، کمیت می شود. فعالیت H + گاهی اوقات “غلظت موثر H + ” نامیده می شود و به طور مستقیم با پتانسیل شیمیایی پروتون و توانایی آن در انجام کارهای شیمیایی و الکتریکی در محلول خاک در حالت تعادل با فازهای جامد مرتبط است. [28] ذرات رس و مواد آلی بار منفی را بر روی سطوح خود حمل می کنند و یون های H + جذب شده به آنها در تعادل با یون های H + در محلول خاک هستند. pH اندازه‌گیری‌شده تنها در فاز آبی، طبق تعریف، کمیت می‌شود، اما مقدار به‌دست‌آمده تحت تأثیر حضور و ماهیت کلوئیدهای خاک و قدرت یونی فاز آبی است. تغییر نسبت آب به خاک در دوغاب می تواند با برهم زدن تعادل آب-کلوئید، به ویژه قدرت یونی، pH را تغییر دهد. استفاده از 0.01 M CaCl 2 به جای آب این اثر نسبت آب به خاک را از بین می برد و یک تقریب ثابت تری از “PH خاک” به دست می دهد که به رشد ریشه گیاه، ریزوسفر و فعالیت میکروبی، اسیدیته آب زهکشی و فرآیندهای شیمیایی در خاک مربوط می شود. استفاده از 0.01 مولار CaCl 2 تمام یون های محلول در فاز آبی را به سطوح کلوئیدی نزدیک می کند و امکان H + اندازه گیری فعالیت را به آنها می دهد. استفاده از محلول 0.01 مولار CaCl 2 به این ترتیب امکان تخمین کمی و منسجم تری از فعالیت H + را فراهم می کند ، به خصوص اگر نمونه های مختلف خاک در مکان و زمان مقایسه شوند.

PH در طبیعت

وابسته به pH رنگدانه‌های گیاهی که می‌توانند به‌عنوان شاخص pH مورد استفاده قرار گیرند ، در بسیاری از گیاهان از جمله هیبیسکوس ، کلم قرمز ( آنتوسیانین ) و انگور ( شراب قرمز ) وجود دارند. آب مرکبات عمدتاً اسیدی است زیرا حاوی اسید سیتریک است . سایر اسیدهای کربوکسیلیک در بسیاری از سیستم های زنده وجود دارند. به عنوان مثال، اسید لاکتیک تولید می شود در اثر فعالیت ماهیچه ای . وضعیت پروتونه شدن مشتقات فسفات ، مانند ATP ، وابسته به pH است. عملکرد آنزیم انتقال اکسیژن هموگلوبین تحت تأثیر pH در فرآیندی به نام اثر ریشه است .

آب دریا

pH آب دریا معمولاً به محدوده ای بین 7.4 تا 8.5 محدود می شود. [29] اقیانوس ایفا می کند نقش مهمی در چرخه کربن و شواهدی از اسیدی شدن مداوم اقیانوس ها ناشی از انتشار دی اکسید کربن وجود دارد . [30] با این حال، اندازه‌گیری pH به دلیل خواص شیمیایی آب دریا پیچیده است و چندین مقیاس pH متمایز در اقیانوس‌شناسی شیمیایی وجود دارد . [31]

به عنوان بخشی از تعریف عملیاتی خود از مقیاس pH، IUPAC مجموعه‌ای از محلول‌های بافر را در طیفی از مقادیر pH تعریف می‌کند (اغلب با تعیین دفتر ملی استانداردها (NBS) یا مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) مشخص می‌شود. نسبتاً پایینی این محلول‌ها دارای قدرت یونی (≈0.1) در مقایسه با آب دریا (≈0.7) هستند و در نتیجه برای تعیین pH آب دریا توصیه نمی‌شوند، زیرا اختلاف قدرت یونی باعث تغییر در پتانسیل الکترود می‌شود . . برای حل این مشکل، یک سری جایگزین از بافرهای مبتنی بر آب دریا مصنوعی ایجاد شد. [32] این سری جدید مشکل تفاوت‌های قدرت یونی بین نمونه‌ها و بافرها را حل می‌کند و مقیاس pH جدید به عنوان «مقیاس کل» نامیده می‌شود که اغلب با pH T نشان داده می‌شود . مقیاس کل با استفاده از یک محیط حاوی یون های سولفات تعریف شد . این یون ها پروتونه شدن را تجربه می کنند، H + + SO 2-
4 ↔ HSO −
4 ، به طوری که مقیاس کل شامل اثر هر دو پروتون (یون هیدروژن آزاد) و یون سولفات هیدروژن است:

[ H + ] T = [ H + ] F + [ HSO –
4 ]

یک مقیاس جایگزین، «مقیاس آزاد»، که اغلب با «pH F » مشخص می‌شود، این ملاحظات را حذف می‌کند و تنها بر روی [ H + ] F ، در اصل آن را به یک نمایش ساده تر از غلظت یون هیدروژن تبدیل می کند. فقط [ H + ] T را می توان تعیین کرد، [33] بنابراین [ H + ] F باید با استفاده از [ SO 2- تخمین زده شود
4 ] و ثابت پایداری HSO –
4 ، K *
س :

[ H + ] F = [ H + ] T – [ HSO –
4 ] = [ H + ] T ( 1 + [ SO 2-
4 ] / K *
S ) -1

دشوار است با این حال، تخمین K *
S در آب دریا، کاربرد مقیاس آزاد ساده تر را محدود می کند.

مقیاس دیگری که به عنوان «مقیاس آب دریا» شناخته می‌شود، که اغلب با «pH SWS را در نظر می‌گیرد . فلوراید » مشخص می‌شود، رابطه پروتوناسیون بیشتر بین یون‌های هیدروژن و یون‌های H + + F − ⇌ HF. در نتیجه عبارت زیر برای [ H + ] SWS :

[ H + ] SWS = [ H + ] F + [ HSO –
4 ] + [HF]

با این حال، مزیت در نظر گرفتن این پیچیدگی اضافی به فراوانی فلوراید در محیط بستگی دارد. به عنوان مثال، در آب دریا، یون های سولفات در غلظت های بسیار بیشتر (بیش از 400 برابر) نسبت به فلوراید وجود دارند. در نتیجه، برای بیشتر اهداف عملی، تفاوت بین مقیاس کل و آب دریا بسیار ناچیز است.

سه معادله زیر سه مقیاس pH را خلاصه می کند:

pH F = -log [ H + ] F

pH T = -log([ H + ] F + [ HSO –
4 ]) = -log [ H + ] T

pH SWS = -log( H + ] F + [ HSO –
4 ] + [HF]) = -log [v] SWS

اقیانوس از نظر عملی، سه مقیاس pH آب دریا در مقادیرشان تا 0.10 واحد pH متفاوت هستند، تفاوت هایی که بسیار بیشتر از دقت اندازه گیری pH است که معمولاً مورد نیاز است، به ویژه در رابطه با سیستم کربناته . [31] از آنجایی که در نظر گرفتن یون های سولفات و فلوراید حذف می شود، مقیاس آزاد به طور قابل توجهی با مقیاس کل و مقیاس آب دریا متفاوت است. به دلیل بی اهمیتی نسبی یون فلوراید، مقیاس کل و آب دریا فقط بسیار کمی متفاوت است.

سیستم های زندگی

pH در سیستم های زنده [34]

محفظه	pH
اسید معده	1.5-3.5 [35]
لیزوزوم ها	4.5 [34]
پوست انسان	4.7 [36]
گرانول های سلول های کرومافین	5.5
ادرار	6.0
سیتوزول	7.2
خون (PH طبیعی)	7.34-7.45 [34]
مایع مغزی نخاعی (CSF)	7.5
ماتریکس میتوکندری	7.5
پانکراس ترشحات	8.1

pH بخش‌های مختلف سلولی، مایعات بدن و اندام‌ها معمولاً در فرآیندی به نام هموستاز اسید- باز تنظیم می‌شود . شایع ترین اختلال در هموستاز است اسید-باز، اسیدوز که به معنای اضافه بار اسیدی در بدن است که به طور کلی با کاهش pH زیر 7.35 تعریف می شود. آلکالوز شرایط مخالف است، با pH خون بیش از حد بالا.

pH خون معمولاً کمی پایه با مقدار pH 7.365 است. این مقدار اغلب به عنوان pH فیزیولوژیکی در زیست شناسی و پزشکی شناخته می شود. پلاک می تواند یک محیط اسیدی موضعی ایجاد کند که می تواند با دمینرالیزاسیون منجر به پوسیدگی دندان شود . آنزیم ها و سایر پروتئین ها محدوده pH بهینه دارند و می توانند خارج از این محدوده غیر فعال یا دناتوره شوند .

محاسبات pH

محاسبه pH محلول حاوی اسیدها و/یا بازها نمونه‌ای از محاسبه زایی شیمیایی است ، یعنی یک روش ریاضی برای محاسبه غلظت همه گونه‌های شیمیایی موجود در محلول. پیچیدگی روش به ماهیت راه حل بستگی دارد. برای اسیدها و بازهای قوی هیچ محاسباتی لازم نیست مگر در شرایط شدید. pH محلول حاوی اسید ضعیف به حل معادله درجه دوم نیاز دارد . pH محلول حاوی باز ضعیف ممکن است به حل معادله مکعبی نیاز داشته باشد . حالت کلی مستلزم حل مجموعه ای از غیر خطی معادلات همزمان است .

یک عامل پیچیده این است که آب خود یک اسید ضعیف و یک باز ضعیف است (به آمفوتریسم مراجعه کنید ). شود جدا می با توجه به تعادل

2 H 2 O ⇌ H 3 O + (aq) + OH – (aq)

با یک ثابت تفکیک ، Kw است به عنوان تعریف شده

ک w = [ اچ + ] [ اوه – ] / م 2

که در آن [H + ] مخفف غلظت یون هیدرونیوم آبی و [OH- ] نشان دهنده غلظت یون هیدروکسید است . این تعادل باید در pH بالا و زمانی که غلظت املاح بسیار کم است در نظر گرفته شود.

اسیدها و بازهای قوی

قوی اسیدها و بازهای ترکیباتی هستند که برای اهداف عملی کاملاً در آب تفکیک می شوند. در شرایط عادی این بدان معنی است که غلظت یون هیدروژن در محلول اسیدی را می توان برابر با غلظت اسید در نظر گرفت. سپس pH برابر با منهای لگاریتم مقدار غلظت است. اسید کلریدریک (HCl) نمونه ای از اسیدهای قوی است. pH محلول 0.01M HCl برابر است با -log 10 (0.01)، یعنی pH = 2. هیدروکسید سدیم ، NaOH، نمونه ای از یک باز قوی است. مقدار p[OH] محلول 0.01M از NaOH برابر با -log 10 (0.01) است، یعنی p[OH] = 2. از تعریف p[OH] در بخش pOH بالا، این بدان معنی است که pH برابر با 12 است. برای محلول های هیدروکسید سدیم در غلظت های بالاتر، تعادل خود یونیزاسیون باید در نظر گرفته شود.

هنگامی که غلظت بسیار کم است، باید خود یونیزاسیون نیز در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، محلولی از اسید کلریدریک را در غلظت 5×10-8 M در نظر بگیرید . روش ساده ارائه شده در بالا نشان می دهد که pH آن 7.3 است. این به وضوح اشتباه است زیرا یک محلول اسید باید pH کمتر از 7 داشته باشد. با استفاده از سیستم به عنوان مخلوطی از اسید کلریدریک و ماده آمفوتریک آب، pH 6.89 به دست می آید. [37]

اسیدها و بازهای ضعیف

اسید ضعیف یا اسید مزدوج یک باز ضعیف را می توان با استفاده از همان فرمالیسم درمان کرد.

• اسید HA: HA ⇌ H + + A –
• پایه A: HA + ⇌ H + + A

ابتدا یک ثابت تفکیک اسید به صورت زیر تعریف می شود. بارهای الکتریکی از معادلات بعدی برای کلیت حذف می شوند

ک آ = [ اچ ] [ آ ] [ HA ]

و مقدار آن با آزمایش تعیین شده است. دارد با این وجود، سه غلظت ناشناخته، [HA]، [H + ] و [A- ] وجود که با محاسبه تعیین می شود. دو معادله اضافی مورد نیاز است. یکی از راه های ارائه آنها، اعمال قانون بقای جرم بر حسب دو «معرف» H و A است.

سی آ = [ آ ] + [ HA ]

سی اچ = [ اچ ] + [ HA ]

C مخفف غلظت تحلیلی است . در برخی متون، یک معادله تعادل جرم با معادله تعادل بار جایگزین می شود. این برای موارد ساده ای مانند این رضایت بخش است، اما اعمال آن برای موارد پیچیده تر مانند موارد زیر دشوارتر است. همراه با معادله ای که Ka را تعریف می کند ، اکنون سه معادله در سه مجهول وجود دارد. هنگامی که یک اسید در آب حل می شود C A = C H = C a ، غلظت اسید، بنابراین [A] = [H]. پس از چند دستکاری جبری بیشتر ممکن است معادله ای در غلظت یون هیدروژن به دست آید.

[ اچ ] 2 + ک آ [ اچ ] – ک آ سی آ = 0

حل این معادله درجه دوم غلظت یون هیدروژن و از این رو p[H] یا به عبارت ضعیفتر pH را نشان می دهد. این روش در یک جدول ICE نشان داده شده است که می تواند برای محاسبه pH زمانی که مقداری اسید یا قلیایی (قوی) اضافی به سیستم اضافه شده است، یعنی زمانی که C A ≠ C H .

به عنوان مثال، pH محلول 0.01M بنزوئیک اسید ، pK a = 4.19 چقدر است؟

• مرحله 1: ک آ = 10 – 4.19 = 6.46 × 10 – 5
• مرحله 2: معادله درجه دوم را تنظیم کنید. [ اچ ] 2 + 6.46 × 10 – 5 [ اچ ] – 6.46 × 10 – 7 = 0
• مرحله 3: معادله درجه دوم را حل کنید. [ اچ + ] = 7.74 × 10 – 4 ; پ اچ = 3.11

برای محلول های قلیایی یک عبارت اضافی به معادله تعادل جرم برای هیدروژن اضافه می شود. از آنجایی که افزودن هیدروکسید غلظت یون هیدروژن را کاهش می دهد و غلظت یون هیدروکسید توسط تعادل خود یونیزاسیون محدود می شود تا برابر باشد. ک w [ اچ + ]

سی اچ = [ اچ ] + [ HA ] – ک w [ اچ ]

در این حالت معادله حاصل در [H] یک معادله مکعبی است.

روش عمومی

برخی از سیستم ها، مانند اسیدهای پلی پروتیک، قابل انجام محاسبات صفحه گسترده هستند. [38] با سه یا بیشتر معرف یا زمانی که کمپلکس‌های زیادی با فرمول‌های عمومی مانند A p B q Hr تشکیل می‌شوند، روش کلی زیر را می‌توان برای محاسبه pH یک محلول استفاده کرد. به عنوان مثال، با سه معرف، هر تعادل با یک ثابت تعادل، β مشخص می شود.

[ آ پ ب q اچ r ] = ب پ q r [ آ ] پ [ ب ] q [ اچ ] r

سپس، معادلات موازنه جرم را برای هر معرف بنویسید:

سی آ = [ آ ] + اس پ ب پ q r [ آ ] پ [ ب ] q [ اچ ] r سی ب = [ ب ] + اس q ب پ q r [ آ ] پ [ ب ] q [ اچ ] r سی اچ = [ اچ ] + اس r ب پ q r [ آ ] پ [ ب ] q [ اچ ] r – ک w [ اچ ] – 1

توجه داشته باشید که هیچ تقریبی در این معادلات دخیل نیست، به جز اینکه هر ثابت پایداری به عنوان ضریبی از غلظت ها تعریف می شود، نه فعالیت ها. اگر بخواهیم از فعالیت ها استفاده کنیم، عبارات بسیار پیچیده تری مورد نیاز است.

وجود دارد غیر خطی 3 معادله همزمان در سه مجهول [A]، [B] و [H] . از آنجایی که معادلات غیر خطی هستند، و از آنجا که غلظت ها ممکن است بیش از توان های 10 باشد، حل این معادلات ساده نیست. با این حال، بسیاری از برنامه های کامپیوتری در دسترس هستند که می توان از آنها برای انجام این محاسبات استفاده کرد. ممکن است بیش از سه معرف وجود داشته باشد. محاسبه غلظت یون هیدروژن، با استفاده از این فرمالیسم، یک عنصر کلیدی در تعیین ثابت های تعادل با تیتراسیون پتانسیومتری است.