Trong hóa học, pH là thang đo logarit dùng để xác định độ axit của môi trường. Đây là khoảng logarit cơ số âm 10 của nồng độ mol, được đo bằng đơn vị mol trên lít ion hydro. Nó cũng có thể được gọi là một chất chỉ thị về độ axit của môi trường. Chính xác hơn, nó là logarit cơ số 10 âm của hoạt độ ion hydro. Ở 25 ° C, các dung dịch có độ pH nhỏ hơn 7 có tính axit và các dung dịch có độ pH lớn hơn 7 là bazơ. Giá trị pH trung tính phụ thuộc vào nhiệt độ và nhỏ hơn 7 khi nhiệt độ tăng. Nước tinh khiết là nước trung tính, pH=7 (ở 25 ° C), không có tính axit cũng không có tính kiềm. Trái với suy nghĩ thông thường, giá trị pH có thể nhỏ hơn 0 hoặc lớn hơn 14 đối với axit và bazơ rất mạnh, tương ứng.
Đơn
Phép đo pH rất quan trọng trong nông học, y học, hóa học, xử lý nước và nhiều lĩnh vực khác.
Thang đo pH có liên quan đến một tập hợp các dung dịch tiêu chuẩn, độ axit của dung dịch này được quốc tế thiết lậphợp đồng. Các tiêu chuẩn pH chính được xác định bằng cách sử dụng ô nồng độ truyền bằng cách đo hiệu điện thế giữa điện cực hydro và điện cực tiêu chuẩn như bạc clorua. Độ pH của dung dịch nước có thể được đo bằng điện cực thủy tinh và máy đo hoặc chỉ thị pH.
Khai mạc
Khái niệm pH lần đầu tiên được giới thiệu bởi nhà hóa học Đan Mạch Søren Peter Laurits Sørensen tại phòng thí nghiệm Carlsberg vào năm 1909 và được sửa đổi về mức pH hiện tại vào năm 1924 để phù hợp với các định nghĩa và phép đo về tế bào điện hóa. Trong những tác phẩm đầu tiên, ký hiệu có chữ H viết thường là p, có nghĩa là: pH.
Nguồn gốc của tên
Ý nghĩa chính xác của chữ p còn bị tranh cãi, nhưng theo Carlsberg Foundation, pH có nghĩa là "sức mạnh của hydro." Cũng có ý kiến cho rằng p là viết tắt của từ tiếng Đức potenz ("quyền lực"), những người khác dùng để chỉ từ puisance trong tiếng Pháp (cũng có nghĩa là "quyền lực", dựa trên thực tế là phòng thí nghiệm Carlsberg là người Pháp). Một gợi ý khác là p dùng để chỉ thuật ngữ tiếng Latinh là aous hydroii (lượng hydro), potentio hydroii (khả năng chứa hydro), hoặc hydroli (thế hydro). Cũng có ý kiến cho rằng Sørensen đã sử dụng các chữ cái p và q (thường là các chữ cái liên hợp trong toán học) chỉ đơn giản để biểu thị lời giải thử nghiệm (p) và lời giải tham chiếu (q). Hiện tại, trong hóa học, p là viết tắt của lôgarit thập phân, và cũng được sử dụng trong thuật ngữ pKa, được sử dụng cho các hằng số phân ly của độ axit của môi trường.
đóng góp của người Mỹ
Nhà vi khuẩn học Alice Evans, được biết đến với ảnh hưởng của công việc của cô ấy đối với các sản phẩm sữa và an toàn thực phẩm, đã ghi nhận William Mansfield Clark và các đồng nghiệp của ông vì đã phát triển các phương pháp đo pH vào những năm 1910, sau đó đã có tác động rộng rãi đến phòng thí nghiệm và công nghiệp sử dụng. Trong hồi ký của mình, cô không đề cập đến việc Clarke và các đồng nghiệp của ông biết nhiều hay ít về công việc của Sorensen trong những năm trước đó. Vào thời điểm đó, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu vấn đề độ axit / kiềm của môi trường.
Ảnh hưởng của axit
Tiến sĩ Clark chú ý đến tác động của axit đối với sự phát triển của vi khuẩn. Và nhờ đó, ông đã bổ sung ý tưởng của ngành khoa học bấy giờ về chỉ số hydro của độ axit trong môi trường. Ông nhận thấy rằng chính cường độ của axit theo nồng độ của các ion hydro đã ảnh hưởng đến sự phát triển của chúng. Nhưng các phương pháp hiện có để đo độ axit của môi trường xác định lượng chứ không phải cường độ của axit. Sau đó, cùng với các đồng nghiệp của mình, Tiến sĩ Clark đã phát triển các phương pháp chính xác để đo nồng độ của các ion hydro. Các phương pháp này đã thay thế phương pháp chuẩn độ không chính xác để xác định axit trong các phòng thí nghiệm sinh học trên thế giới. Người ta cũng nhận thấy rằng chúng có thể được sử dụng trong nhiều quy trình công nghiệp và quy trình khác mà chúng được sử dụng rộng rãi.
Phương diện thực tế
Phương pháp đo pH điện tử đầu tiên được Arnold Orville Beckman, giáo sư tại Viện Công nghệ California, phát minh vào năm 1934. Đó là thời điểm mà người trồng cây có múi ở địa phươngSunkist muốn có một phương pháp tốt hơn để nhanh chóng kiểm tra độ pH của những quả chanh mà họ thu hoạch từ các vườn cây ăn quả gần đó. Ảnh hưởng của độ axit của môi trường luôn được tính đến.
Ví dụ: đối với dung dịch có hoạt độ ion hydro là 5 × 10–6(ở cấp độ này, trên thực tế, đây là số mol của ion hydro mỗi lít dung dịch), chúng ta nhận được 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Như vậy, dung dịch như vậy có pH là 5,3. Người ta tin rằng khối lượng của a mol nước, a mol ion hydro và a mol ion hydroxit lần lượt là 18 g, 1 g và 17 g, lượng nước tinh khiết 107 mol (pH 7) chứa khoảng 1 g ion hydro phân ly (hoặc, chính xác hơn là 19 g ion hydronium H3O +) và 17 g ion hydroxit.
Vai trò của nhiệt độ
Lưu ý rằng độ pH phụ thuộc vào nhiệt độ. Ví dụ: ở 0 ° C, độ pH của nước tinh khiết là 7,47. Ở 25 ° C là 7 và ở 100 ° C là 6,14.
Thế điện cực tỷ lệ với pH khi pH được xác định về mặt hoạt động. Phép đo pH chính xác được trình bày trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 31-8.
Một tế bào điện có cấu hình để đo sức điện động (EMF) giữa điện cực so sánh và điện cực cảm biến hoạt động ion hydro khi cả hai được nhúng vào cùng một dung dịch nước. Điện cực so sánh có thể là vật thể bạc clorua hoặc điện cực calomel. Điện cực chọn lọc ion hydro là tiêu chuẩn cho các ứng dụng này.
Để đưa quy trình này vào thực tế, một điện cực thủy tinh được sử dụng thay cho điện cực hydro cồng kềnh. Anh tacó một điện cực so sánh tích hợp sẵn. Nó cũng được hiệu chuẩn dựa trên các dung dịch đệm có hoạt tính ion hydro đã biết. IUPAC đề xuất sử dụng một bộ dung dịch đệm có hoạt tính H + đã biết. Hai hoặc nhiều dung dịch đệm được sử dụng để giải thích rằng độ dốc có thể nhỏ hơn một chút so với lý tưởng. Để thực hiện phương pháp hiệu chuẩn này, trước tiên điện cực được nhúng vào dung dịch chuẩn và số đọc của máy đo pH được đặt thành giá trị của dung dịch đệm chuẩn.
Tiếp theo là gì?
Số đọc từ dung dịch đệm tiêu chuẩn thứ hai sau đó được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng điều khiển độ dốc để bằng với mức pH của dung dịch đó. Khi sử dụng nhiều hơn hai dung dịch đệm, điện cực được hiệu chuẩn bằng cách lắp các giá trị pH quan sát được thành một đường thẳng so với các giá trị đệm tiêu chuẩn. Các dung dịch đệm tiêu chuẩn thương mại thường được cung cấp thông tin về giá trị ở 25 ° C và hệ số hiệu chỉnh được áp dụng cho các nhiệt độ khác.
Đặc điểm định nghĩa
Thang đo pH là logarit và do đó, pH là một đại lượng không có thứ nguyên, thường được sử dụng để đo độ axit của môi trường bên trong tế bào. Đây là định nghĩa ban đầu của Sorensen, được thay thế vào năm 1909.
Tuy nhiên, có thể đo trực tiếp nồng độ ion hydro nếu điện cực được hiệu chuẩn về nồng độ ion hydro. Một cách để làm điều này, đã được sử dụng rộng rãi, là chuẩn độ một dung dịch có nồng độ đã biếtaxit mạnh với dung dịch có nồng độ đã biết của kiềm mạnh khi có nồng độ tương đối cao của chất điện phân hỗ trợ. Vì đã biết nồng độ axit và kiềm, nên có thể dễ dàng tính được nồng độ ion hydro để điện thế có thể liên quan đến giá trị đo được.
Chỉ thị có thể được sử dụng để đo độ pH bằng cách sử dụng thực tế là màu sắc của chúng thay đổi. So sánh trực quan màu của dung dịch thử với thang màu tiêu chuẩn cho phép đo pH với độ chính xác số nguyên. Có thể thực hiện các phép đo chính xác hơn nếu màu được đo quang phổ bằng máy so màu hoặc máy quang phổ. Chất chỉ thị vạn năng được tạo thành từ hỗn hợp các chất chỉ thị để có sự thay đổi màu vĩnh viễn từ khoảng pH 2 đến pH 10. Giấy chỉ thị đa năng được làm từ giấy thấm đã được tẩm chất chỉ thị đa năng. Một phương pháp khác để đo pH là sử dụng máy đo pH điện tử.
Mức đo
Việc đo độ pH dưới khoảng 2,5 (khoảng 0,003 mol axit) và trên khoảng 10,5 (khoảng 0,0003 mol kiềm) đòi hỏi các quy trình đặc biệt vì định luật Nernst bị vi phạm ở các giá trị như vậy khi sử dụng điện cực thủy tinh. Các yếu tố khác nhau góp phần vào điều này. Không thể cho rằng điện thế chuyển tiếp chất lỏng không phụ thuộc vào pH. Ngoài ra, pH cực đại có nghĩa là dung dịch cô đặc, do đó, thế điện cực bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi cường độ ion. Ở pH cao, điện cực thủy tinh có thểchịu sai số kiềm do điện cực trở nên nhạy cảm với nồng độ của các cation như Na + và K + trong dung dịch. Có sẵn các điện cực được thiết kế đặc biệt để khắc phục một phần những vấn đề này.
Dòng chảy từ mỏ hoặc chất thải của mỏ có thể dẫn đến giá trị pH rất thấp.
Nước tinh khiết là trung tính. Nó không có tính axit. Khi axit hòa tan trong nước, độ pH sẽ dưới 7 (25 ° C). Khi một kiềm tan trong nước, pH sẽ lớn hơn 7. Dung dịch chứa 1 mol axit mạnh như axit clohiđric có pH bằng không. Dung dịch kiềm mạnh như natri hydroxit ở nồng độ 1 mol có độ pH là 14. Do đó, các giá trị pH đo được nói chung sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 14, mặc dù các giá trị và giá trị pH âm trên 14 là hoàn toàn có thể.
Phụ thuộc nhiều vào độ axit của môi trường dung dịch. Bởi vì pH là thang đo logarit, sự chênh lệch của một đơn vị pH tương đương với sự chênh lệch về nồng độ ion hydro gấp mười lần. Độ trung tính PH không hoàn toàn đạt đến 7 (ở 25 ° C), mặc dù trong hầu hết các trường hợp, đây là một giá trị gần đúng tốt. Tính trung tính được định nghĩa là điều kiện trong đó [H +]=[OH-]. Vì quá trình tự ion hóa của nước giữ cho tích số của các nồng độ này [H +] × [OH-]=Kw, có thể thấy rằng ở độ trung tính [H +]=[OH-]=√Kw hoặc pH=pKw / 2.
PKw xấp xỉ 14, nhưng phụ thuộc vào cường độ ion và nhiệt độ, vì vậy giá trị pH của môi trường cũng rất quan trọng, phải ở mức trung tínhcấp độ. Nước tinh khiết và dung dịch NaCl trong nước tinh khiết là trung tính vì sự phân ly của nước tạo ra lượng ion như nhau. Tuy nhiên, độ pH của dung dịch NaCl trung tính sẽ hơi khác với độ pH của nước tinh khiết trung tính, vì hoạt động của các ion hydro và hydroxit phụ thuộc vào cường độ ion, vì vậy Kw thay đổi theo độ mạnh của ion.
Thực vật
Sắc tố thực vật phụ thuộc có thể được sử dụng làm chất chỉ thị pH được tìm thấy trong nhiều loại thực vật, bao gồm cây dâm bụt, bắp cải đỏ (anthocyanin) và rượu vang đỏ. Nước ép cam quýt có tính axit vì nó có chứa axit xitric. Các axit cacboxylic khác được tìm thấy trong nhiều hệ thống sống. Ví dụ, axit lactic được tạo ra do hoạt động của cơ bắp. Trạng thái proton hóa của các dẫn xuất photphat, chẳng hạn như ATP, phụ thuộc vào độ axit của môi trường pH. Hoạt động của enzym chuyển oxy hemoglobin bị ảnh hưởng bởi độ pH trong một quá trình được gọi là hiệu ứng gốc.
Nước biển
Trong nước biển, độ pH thường được giới hạn trong khoảng 7,5 đến 8,4. Nó đóng một vai trò quan trọng trong chu trình carbon trong đại dương và có bằng chứng về quá trình axit hóa đại dương đang diễn ra do khí thải carbon dioxide. Tuy nhiên, việc đo độ pH rất phức tạp do tính chất hóa học của nước biển và có một số thang độ pH khác nhau trong hải dương học hóa học.
Giải pháp Đặc biệt
Là một phần của định nghĩa hoạt động của thang đo độ axit (pH), IUPAC xác định một loạt các dung dịch đệm trong phạm vi pH (thường được gọi làNBS hoặc NIST). Các dung dịch này có cường độ ion tương đối thấp (≈0.1) so với nước biển (≈0.7) và do đó không được khuyến khích sử dụng để xác định đặc tính pH của nước biển vì sự khác biệt về cường độ ion gây ra thay đổi điện thế điện cực. Để giải quyết vấn đề này, một loạt bộ đệm thay thế dựa trên nước biển nhân tạo đã được phát triển.
Dòng sản phẩm mới này giải quyết vấn đề về sự khác biệt cường độ ion giữa các mẫu và chất đệm, và thang đo pH mới cho độ axit trung bình được gọi là thang đo chung, thường được gọi là pH. Quy mô tổng thể được xác định bằng cách sử dụng môi trường có chứa các ion sunfat. Các ion này trải qua quá trình proton hóa, H + + SO2-4 ⇌ HSO-4, vì vậy tổng quy mô bao gồm ảnh hưởng của cả proton (ion hydro tự do) và ion hydro sulfua:
[H +] T=[H +] F + [HSO-4].
Thang đo tự do thay thế, thường được gọi là pHF, bỏ qua phần cân nhắc này và chỉ tập trung vào [H +] F, về nguyên tắc, nó trở thành một biểu diễn đơn giản hơn của nồng độ ion hydro. Chỉ [H +] T có thể được xác định, vì vậy [H +] F nên được ước tính bằng cách sử dụng [SO2-4] và hằng số ổn định HSO-4, KS:
[H +] F=[H +] T - [HSO-4]=[H +] T (1 + [SO2-4] / KS) -1.
Tuy nhiên, rất khó để ước tính KS trong nước biển, hạn chế tính hữu dụng của một thang đo tự do đơn giản hơn.
Một thang đo khác, được gọi là thang đo nước biển, thường được gọi là pHSWS, tính đến liên kết proton hơn nữa giữa các ion hydro và ion florua, H + + F- ⇌HF. Kết quả là biểu thức sau cho [H +] SWS:
[H +] SWS=[H +] F + [HSO-4] + [HF]
Tuy nhiên, lợi ích của việc xem xét sự phức tạp bổ sung này phụ thuộc vào hàm lượng flo của môi trường. Ví dụ, trong nước biển, các ion sunfat được tìm thấy ở nồng độ cao hơn nhiều (> 400 lần) so với nồng độ của flo. Do đó, đối với hầu hết các mục đích thực tế, sự khác biệt giữa quy mô thông thường và quy mô nước biển là rất nhỏ.
Ba phương trình sau đây tóm tắt ba thang đo pH:
pHF=- log [H +] FpHT=- log ([H +] F + [HSO-4])=- log [H +] TpHSWS=- log ([H +] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H +]
Theo quan điểm thực tế, ba thang đo pH của môi trường axit (hoặc nước biển) khác nhau về giá trị của chúng lên đến 0,12 đơn vị pH và sự khác biệt lớn hơn nhiều so với thông thường được yêu cầu về độ chính xác của các phép đo độ pH, đặc biệt là liên quan đến đại dương của hệ thống cacbonat.
