pH — kas tai? Rūgštingumo skalė, formulė ir H+ jonų aktyvumas

Sužinokite, kas yra pH: rūgštingumo skalė, pH formulė, H+ jonų koncentracija ir aktyvumas. Aiškus paaiškinimas nuo 0 iki 14 ir už jos ribų.

pH yra skaitmeninė skalė nuo 0 iki 14, rodanti, kiek tirpalas yra rūgštus arba šarminis. Kuo tirpalas rūgštesnis, tuo mažesnis jo pH; kuo jis šarminesnis, tuo pH didesnis. Neutralūs tirpalai (nei rūgštūs, nei šarminiai) dažniausiai turi pH ≈ 7. Rūgščių pH yra mažesnis nei 7, o šarmų — didesnis nei 7.

Ką reiškia pH?

pH — tai protonų (H+) koncentracijos arba aktyvumo tirpale matas. Sąvoką 1909 m. įvedė S. P. L. Sørensenas. Raidė P kilusi iš vokiško žodžio potenz, reiškiančio „galia“ arba „laipsnis“, o H reiškia vandenilio joną (H+).

Formulės ir matematinis apibrėžimas

Dažniausiai naudojama pH apskaičiavimo formulė yra:

pH = - log 10 [ H + ] {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{H}}^{+}\right]}

Čia [H+] reiškia H+ jonų koncentraciją (kartais rašoma ir kaip [H3O+], tai yra vienoda vandenilio jonų koncentracija), matuojamą molais litre (molingumu, mol/L).

Tačiau griežtesnis apibrėžimas naudoja jonų aktyvumą:

pH = - log 10 [ a H + ] {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[a_{\mathrm {H^{+}}} }\right]}

Kur a H + {\displaystyle a_{\mathrm {H^{+}} }} rodo H+ jonų aktyvumą. Aktyvumas a susijęs su koncentracija c per aktyvumo koeficientą γ: a = γ·c. Dėl joninių sąveikų stipriuose tirpaluose γ reikšmė gali skirtis nuo 1, todėl pH apskaičiavimas pagal aktyvumą yra tikslesnis, ypač didelio joninio stiprumo sąlygose.

pH skalė ir jos ribos

Daugumos medžiagų pH paprastai svyruoja tarp 0 ir 14, jei matuojama įprastomis sąlygomis (vandens tirpaluose esant ~25 °C). Tačiau itin stiprių rūgščių ar šarmų tirpalų pH gali būti mažesnis nei 0 arba didesnis nei 14 — tai reiškia, kad pH skalė nėra griežtai ribota 0–14.

Šarminėse medžiagose vietoj laisvų vandenilio jonų dominuoja hidroksido jonai (OH-); pH ir OH- koncentracija susiję per vandens autoprotolizės konstantą (Kw).

Keli praktiniai pavyzdžiai

• 0,01 M HCl → [H+] = 1·10^-2 mol/L → pH = 2.
• 0,001 M HCl → pH = 3.
• 0,1 M NaOH → [OH-] = 0,1 mol/L → pOH = 1 → pH ≈ 13 (priklauso nuo temperatūros).
• Grynas vanduo (25 °C) turi [H+] = 1·10^-7 mol/L → pH = 7.

Matuojant pH

Paprastai pH matuojama dviem pagrindiniais būdais:

• Elektroniniu pH metru (stiklinė elektrodė, kalibracija su buferiniais tirpalais) — tiksliausias metodas laboratorijose ir pramonėje.
• Indikatorinėmis priemonėmis: lakmuso popierėlis, universalios indikatoriaus juostelės arba cheminės indikatorinės medžiagos (pvz., fenolftaleinas) — greitam apytikriam nustatymui.

Teisingas matavimas reikalauja elektrodų kalibracijos, tinkamo mėginio paruošimo (temperatūros stabilizavimo, filtravimo) ir žinojimo apie joninės jėgos poveikį.

pH reikšmė biologijoje ir pramonėje

pH turi didelę reikšmę daugelio procesų eigai:

• Žmogaus kraujo pH labai griežtai reguliuojamas — apie 7,35–7,45; dideli nukrypimai gali būti gyvybei pavojingi.
• Enzimų aktyvumas priklauso nuo pH; kiekvienam fermentui būdingas optimalus pH intervalas.
• Žemės ūkis: dirvožemio pH lemia maistinių medžiagų prieinamumą augalams.
• Pramonėje: cheminės reakcijos, korozija, vandens valymas ir maisto gamyba dažnai remiasi pH kontrole.

Buferiai ir pH stabilizavimas

Buferiniai tirpalai sudaryti iš silpnos rūgšties ir jos konjuguoto šarmo (arba atvirkščiai) ir saugo pH nuo didelių pokyčių prisidedant prie protono arba hidroksilo jonų perteklių. Buferiai yra būtini biologinėms sistemoms (pvz., kraujo buferinė sistema) ir įvairioms laboratorinėms procedūroms.

Temperatūros poveikis ir pOH

Vandens autoprotolizės konstanta Kw priklauso nuo temperatūros, todėl ir santykinė pH bei pOH reikšmė keičiasi su temperatūra. Esant 25 °C, pKw ≈ 14, todėl paprastai galioja ryšys pH + pOH = 14. Esant kitai temperatūrai, šis skaičius skirsis.

Saugumas

Labai žemas arba labai aukštas pH reiškia korozinę, odą ar audinius pažeidžiančią terpę. Su tokiais tirpalais reikia elgtis atsargiai: naudoti apsaugines priemones (akiniai, pirštinės) ir žinoti neutralizacijos bei šalinimo būdus.

Apibendrinant: pH yra pagrindinė vandens tirpalų savybė, kuri apibūdina H+ jonų koncentraciją arba aktyvumą. Tinkamas pH matavimas ir valdymas yra svarbus tiek mokslui, tiek praktikai, pradedant biologija ir baigiant pramone.

Kai kurios įprastos pH vertės

	pH
Akumuliatoriaus rūgštis	0
Skrandžio rūgštis	1.0
Citrinų sultys	2.4
Cola	2.5
Deguonies prisotintas vanduo	2.5 - 3.0
Actas	3.0
Apelsinų arba obuolių sultys	3.0
Alus	4.5
Kava	5.0
Pienas	6.6
Grynas vanduo	7.0
Kraujas	7.35 - 7.45
Paprastas šampūnas	8.0
Jūros vanduo	8.0
Nuolatinė banga	8.5 - 9.2
Rankų muilas	9.0 - 10.0
Plaukų dažai	9.5 - 10.5
Magiška tiesi linija	11.5
Buitinis amoniakas	11.5
Baliklis	12.3
Kaustinė soda	12.7
Namų ūkio šarmai	13.5
Drenažo valiklis	14

Kai kurių įprastų medžiagų pH vertės

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra pH?

K: Kas įvedė pH sąvoką?

K: Ką reiškia raidė "p" žodyje "pH"?

K: Kaip apskaičiuojamas pH?

Klausimas: Kokios yra daugumos medžiagų pH skalės ribos?

Paieška pagal raidę