Давайте разберемся, что такое pH, почему он так важен и откуда берутся «магические числа» 5.5 и 7 — pH нейтрального шампуня и pH нейтрального раствора.
Вода, кислоты и основания.
Обратимся к свойствам воды. Вода — уникальное вещество, которое определяет лицо этого мира. Большое количество процессов, которые проходят на поверхности земли — в быту, в транспорте, в промышленности, в сельском хозяйстве, в природе — происходят в водной среде. В частности, тело человека в среднем на 70% состоит из воды.
Вода — универсальный растворитель. Среди веществ, которые растворяются в воде можно выделить 2 главных класса:
- Кислоты — вещества, которые при растворении в воде способны выделять ион водорода H+.
- Основания — вещества, которые при растворении в воде забирают ион водорода и выделяют отрицательно заряженный гидроксил ион OH-.
Избыток ионов H+ определяет кислотные свойства раствора, в то время как избыток ионов ОН- определяет основные свойства раствора.
Регулируя концентрацию этих ионов, мы можем управлять химическими и биохимическими процессами. Например в пищевой промышленности это: брожение капусты, скисание молока, формирование простокваши, изготовление вина или пива.
Если ионов водорода в растворе слишком много, то это негативно влияет на
жизнедеятельность живых организмов. Практически все живые клетки очень чувствительны к изменениям pH, и даже небольшое окисление для них опасно. Не выдерживают сильных кислотных свойств и некоторые материалы, например, металлы подвергаются лавинной коррозии. Для того, чтобы иметь возможность количественно характеризовать кислотные свойства среды и существует водородный показатель, он же показатель кислотности, он же показатель pH.
Измерение водородного показателя.
В виду того, что ионы очень маленькие, даже в небольшом объеме воды содержится огромное количество частиц. Поэтому в химии концентрацию ионов принято выражать в молях на литр, где 1 моль — это «порция», равная Числу Авогадро = 6.02*1023 штук.
Концентрация ионов водорода в воде может варьироваться в очень широких пределах —
от 1 моль/л до 10-14 моль/л.
При расчетах результатов измерения работать с такими большими числами неудобно, поэтому для классификации содержания ионов водорода в воде была разработана специальная логарифмическая шкала, или шкала pH. Ее смысл заключается в том, что после вычисления десятичного логарифма от концентрации, получившееся отрицательное число затем необходимо умножить на (-1).
pH = — log(C),
где С — это концентрация ионов водорода H+, выраженная в моль/л.
Источник: www.xn—-itboohhbdm8h.xn--p1ai
Теоретические основы
Вода является средой, в которой растворяются органические и неорганические химические вещества, и обладает способностью распадаться на ионы. Одна молекула отдает свой протон другой, поэтому в воде постоянно находится некоторое количество положительно заряженных ионов водорода H и отрицательно заряженных гидроксид-ионов OH. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.
Говоря об ионе водорода, делается упрощение, так как на самом деле положительно заряженный ион в воде — это ион гидроксония H3O. Он образуется из целой молекулы воды и протона, оторванного от другой молекулы. Чем больше таких ионов в воде, тем больше и ее кислотность.
Ионы очень подвижны и постоянно переходят от одной молекулы к другой. Таким образом, процесс распада и процесс соединения в новую молекулу идут постоянно и уравновешивают друг друга, т. е. диссоциация воды находится в равновесии.
Количество ионов H+ и мера их активности в большинстве растворов очень малы, их записывают в виде числа с отрицательной степенью, что очень неудобно. Поэтому датским биохимиком Сёреном Сёренсеном в 1909 году было предложено выражать это число в виде показателя кислотности (водородного показателя) pH, который вычисляется как десятичный логарифм от меры активности ионов H+ с обратным знаком: pH = — lg [H+].
С. Сёренсен руководил химико-физиологической лабораторией при пивоваренном заводе Carlsberg, где разработал шкалу для измерения показателя pH. На ее основе были созданы специальные приборы: pH-метры, которые применяются для измерения кислотности растворов и жидкостей в промышленности, и ацидогастрометры для диагностики желудочно-кишечных заболеваний в медицине.
Показатель основности раствора, выражающийся десятичным логарифмом с отрицательным знаком от концентрации в растворе гидроксид-ионов: pOH = — lg [OH-], применяется гораздо реже. Величины pH и pOH могут быть как положительными, так и отрицательными.
Важно не путать pH с понятиями кислотности и щелочности. Главное различие заключается в том, что pH — это показатель не количества, а активности.
Он отражает степень кислотности или щелочности среды, а не количественное содержание в воде химических веществ. В разбавленных растворах мера активности эквивалентна концентрации, поэтому при определенном допущении один термин заменяют другим.
Влияние pH на свойства среды
С помощью несложных математических вычислений можно доказать, что сумма показателей pH и pOH для воды — величина постоянная и равна 14. Например, если рН = 5, то рОН = 9; для рН = -2 pOH = 16. У чистой воды без примесей (дистиллированной) и у водных растворов, образуемых неэлектролитами, pH = 7, а значит и рОН = 7, т. е. кислотный и основной (щелочной) показатели уравновешивают друг друга, и получается нейтральная среда.
При попадании в воду многих химических соединений происходит их гидролиз. Растворяемое вещество распадается на катионы и анионы, которые могут соединяться с ионами, получившимися в результате диссоциации воды. При этом получается смещение равновесия диссоциации воды. Показатель pH определяет, в какую сторону оно произошло. Если pH < 7, то получилась кислотная среда, когда pH > 7 — щелочная.
Показатель pH влияет на протекание химических реакций как на производстве, так и в природе и является универсальным показателем состояния среды. С помощью его контроля производят все виды горючего, краски, удобрения, средства личной гигиены и косметику. В пищевой промышленности проверяется качество изготовления напитков, молокопродуктов, изделий из злаков. Все живые обитатели природных почв и вод могут жить только при определенных значениях водородного показателя, от него же зависит и урожайность многих растений, поэтому ведется наблюдение за pH в почвоведении и земледелии, особенно в гидропонике.
При этом обычно необходимо поддерживать постоянное значение pH в течение длительного времени. Для этого используют так называемые буферные растворы. Они представляют собой смеси слабого основания и его соли или слабой кислоты и ее соли, в которых мера активности ионов водорода постоянна и устойчива.
Измерение водородного показателя
Формулы для расчета pH зависят от того, к какому классу относится химическое вещество, входящее в исследуемый раствор, и приведены в специальных справочниках. Более точное значение получают другими методами. Цели и условия проведения исследований определяют, как будет измеряться водородный показатель.
Индикаторные способы
Приблизительно оценить меру активности ионов водорода можно с помощью кислотно-основных индикаторов. Такие вещества обычно относятся к органическим соединениям и имеют свойство изменять свой цвет в разных средах:
- Лакмус меняет цвет от красного в кислой среде через фиолетовый в нейтральной до синего в щелочной.
- Фенолфталеин становится синим в щелочной среде, оставаясь бесцветным в остальных.
- Метилоранж розового цвета соответствует повышенной кислотности, оранжевого — показывает нейтральность среды, в щелочах становится синим.
Изменение происходит для каждого индикатора в своём диапазоне кислотности, обычно составляющем 1—2 единицы. При этом методе результат можно получить быстрый и наглядный при небольших затратах, но недостаточно точный, с большой погрешностью при исследовании очень слабых растворов, окрашенных или мутных вод. Используется, когда нужно найти предварительное определение pH.
Более широкий диапазон и выше точность у универсального индикатора. Он соединяет в себе несколько индикаторов и градуируется в соответствии со значениями pH от единицы до десяти. Соответствие значения водородного показателя и цвета:
- 1 — красный;
- 2 — розовато-оранжевый;
- 3 — оранжевый;
- 4 — темно-желтый;
- 5 — желтый;
- 6 — желтовато-зеленый;
- 7 — светло-зеленый;
- 8 — насыщенный зеленый;
- 9 — сине-зеленый;
- 10 — сине-серый.
Аналитический объемный метод
Кислотно-основное титрирование — метод определения водородного показателя среды с помощью так называемых титрантов. В основном для этого используются сильные кислоты (серная, соляная) и сильные щелочи (едкий калий, каустическая сода).
Раствор-титрант добавляют в исследуемую жидкость по каплям. При этом они вступают в химическую реакцию. Когда она завершается, наступает точка эквивалентности, т. е. момент отчетливого изменения окраски исследуемого раствора. По установленному в результате опыта объему титранта, необходимому для получения точки эквивалентности, и известному значению его концентрации можно рассчитать pH с высокой точностью.
Измерительный прибор pH-метр
Ионометрический метод, при котором кислотный показатель можно измерить с помощью специализированного прибора — pH-метра, является наиболее точным (до сотых от единицы pH), удобным и имеет широкий диапазон измерения. PH-метр представляет собой милливольтметр, способный измерять разность потенциалов со стеклянных электродов. У него также есть система пересчета напряжения в pH.
В исследуемый раствор погружают индикаторный электрод и электрод сравнения, замыкая таким образом гальваническую цепь. Величина электродвижущей силы в ней зависит от активности ионов H+ в растворе, т. е. является функцией только его pH. Индикаторный электрод состоит из стеклянной трубки, заполненной специальной суспензией в растворе соляной кислоты, и погруженной в нее серебряной проволоки.
Полезный сигнал возникает на границе соприкосновения раствора и индикаторного электрода и передается через металлический проводник на вход pH-метра. Таким способом можно измерять pH любых жидкостей, в том числе непрозрачных и цветных.
Специализированный прибор, применяемый в медицине для исследований pH жидкостей желудочно-кишечного тракта, называется ацидогастрометром. Включает в себя регистрирующий блок и один или несколько зондов. Для измерения уровня pH таких биологических жидкостей, как слюна и моча, применяются электронные pH-метры.
Кислотно-щелочной баланс человека
Организмом человека вырабатываются разные жидкости, каждая из которых должна иметь определенное значение pH. Отклонение в ту или иную сторону может привести к развитию множества серьезных заболеваний. Вовремя обнаруженные изменения можно исправить, если повысить или понизить кислотность потребляемых продуктов и питьевой воды. Механизм регулирования пропорционального соотношения кислот и щелочей в клеточных и межклеточных жидкостях называют кислотно-щелочным балансом (равновесием). По значению pH можно определить, в каком состоянии находятся многие органы человека.
На pH почек и печени оказывают влияние не только метаболические процессы в самом организме, но также пища и вода. Излишнюю кислотность потребленных продуктов организм выводит через мочу. Низкий уровень pH мочи говорит о том, что почки работают на пределе. Когда излишняя кислота не может быть выведена из организма естественным путем, она скапливается в подкожной жировой прослойке, имеющей кислотный pH. Это приводит к излишнему весу. В борьбе с этим явлением помогает щелочная вода, снижая нагрузку на почки.
В желудке среда резко кислая, в момент пищеварения pH равен 1,8−3. Вопреки распространненому мнению, причиной таких неприятных симптомов, как изжога и дискомфорт в желудке, является пониженная, а не повышенная кислотность желудочного сока. Нормальный уровень pH создает благоприятные условия для развития правильных бактерий и запускает механизм переваривания пищи, а болезнетворные микроорганизмы и гельминты расщепляются пищеварительными ферментами.
pH крови организм поддерживает в постоянном состоянии на уровне 7,4—7,45. Малейшее отклонение его от нормы может привести к тяжелым последствиям для человека. При понижении pH ниже 7,35 возникает ацидоз. При превышении нормы — алкалоз. Это не самостоятельные заболевания, они свидетельствуют о нарушениях в работе легких, почек, печении. Такие состояния сопровождаются очень опасными для здоровья симптомами, приводящими иногда даже к коме. По мнению врачей, ацидоз переносится легче алкалоза.
Кровеносные сосуды питают слюнные железы, поэтому за уровнем pH крови можно следить по pH слюны. Поддержание кислотно-щелочного баланса в кровеносной системе — это важнейшая функция организма человека. Внешние факторы не оказывают влияния на pH крови, он регулируется только внутренними механизмами тела человека:
- Буферные системы крови поддерживают устойчивость среды.
- Легочная (респираторная) система удаляет излишки углекислого газа из крови.
- Выделительная система (почки). Самый медленный, но и самый мощный механизм, может полностью восстанавливать pH организма путем выведения ионов водорода через мочу.
Таким образом, хотя кислотный показатель крови совершенно не подвержен внешнему влиянию, механизмы его поддержания на нужном уровне имеют зависимость от того, чем человек питается и какую воду пьет. Мясо и молоко повышают общую кислотность организма, а зелень и зеленые овощи лучше всего нейтрализуют ее. Кислотность и щелочность различных пищевых продуктов можно узнать из специальных таблиц. Оптимальное значение pH для воды находится в пределах от 6 до 9.
Придерживаясь принципов правильного питания для поддержания кислотно-щелочного равновесия в своем организме, человек надолго сохранит молодость, красоту и здоровье.
Источник: nauka.club
История
Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную −lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H+), или, точнее, термодинамическую активность гидроксоний-ионов.
Уравнения, связывающие pH и pOH
Вывод значения pH
В чистой воде при 25 °C концентрации ионов водорода ([H+]) и гидроксид-ионов ([OH−]) одинаковы и составляют 10−7 моль/л, это напрямую следует из определения ионного произведения воды, которое равно [H+] · [OH−] и составляет 10−14 моль²/л² (при 25 °C).
Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксид-ионов соответственно уменьшается, при добавлении основания — наоборот, повышается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда [H+] > [OH−] говорят, что раствор является кислым, а при [OH−] > [H+] — щелочным.
Для удобства представления, чтобы избавиться от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который собственно и является водородным показателем — pH.
![mbox{pH} = -lg left[ mbox{H}^+ right]!](4f329e811c712bc0c8951e28ed3f150b.png)
pOH
Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина — показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH−:
![text{pOH} = -lg left[ text{OH}^- right]!](ed17135bff344ed33cf52ef60c8697a4.png)
как в любом водном растворе при 22 °C ![[text{H}^+] [text{OH}^-] = 1{,}0 cdot 10^{-14}](http://wpfc.ml/b.gif)
, очевидно, что при этой температуре:
Значения pH в растворах различной кислотности
- Вопреки распространённому мнению, pH может изменяться не только в интервале от 0 до 14, а может и выходить за эти пределы. Например, при концентрации ионов водорода [H+] = 10−15 моль /л, pH = 15, при концентрации ионов гидроксида 10 моль /л pOH = −1.
|
Так как при 25 °C (стандартных условиях)[H+] · [OH−] = 10−14, то понятно, что при этой температуре pH + pOH = 14.
Так как в кислых растворах [H+] > 10−7, то у кислых растворов pH < 7, аналогично, у щелочных растворов pH > 7, pH нейтральных растворов равен 7. При более высоких температурах константа электролитической диссоциации воды повышается, соответственно увеличивается ионное произведение воды, поэтому нейтральной оказывается pH < 7 (что соответствует одновременно возросшим концентрациям как H+, так и OH−); при понижении температуры, напротив, нейтральная pH возрастает.
Методы определения значения pH
Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением кислотно-основного титрования.
- Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы — органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежат лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах — либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1—2 единицы.
- Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.
- Использование специального прибора — pH-метра — позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.
- Аналитический объёмный метод — кислотно-основное титрование — также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности — момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, — фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.
- Влияние температуры на значения pH
0.001 моль/Л HCl при 20 °C имеет pH=3, при 30 °C pH=3
0.001 моль/Л NaOH при 20 °C имеет pH=11.73, при 30 °C pH=10.83
Влияние температуры на значения pH объясняется различной диссоциацией ионов водорода (H+) и не является ошибкой эксперимента. Температурный эффект невозможно компенсировать за счет электроники pH-метра.
Роль pH в химии и биологии
Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.
Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.
Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма.
См. также
- Ионное произведение воды
- Электролитическая диссоциация
- Константа диссоциации кислоты
- Гидролиз
- Индикаторы
- pH-метр
- Стеклянный электрод
- Титрование
- Буферные растворы
- Основность
Комментарии
Об источнике
В предисловии к первому русскому изданию книги Роджера Бейтса[1], предпринятому по второму её изданию — «Определение pH»[2], которое существенно отличается от первого — «Электрометрическое определение pH»[3], редакторами перевода сказано:
|
В переводе по сравнению с оригиналом внесены некоторые исправления, сделанные автором для русского издания, и выпущено описание приборов, производимых американскими фирмами.
Кроме того, мы сочли полезным сделать два добавления, помещённые после X главы. Первое дополнение — о современном состоянии теории стеклянного электрода — написано Б. П. Никольским, М. М. Шульцем и А. А. Белюстиным, и второе — о разработке, исследовании и применении стеклянных электродов с металлическими функциями — М. М. Шульцем и А. А. Белюстиным. В этих дополнениях изложены результаты последних работ советских авторов в области теории стеклянного электрода и, в частности, описываются стеклянные электроды с металлическими функциями, пригодные для определения концентрации (активности) ионов натрия, калия, лития и др. В книге дается очень краткое изложение вопроса об абсолютных потенциалах электродов… Мы считали необходимым отослать читателя к классическим работам школы А. Н. Фрумкина, в которых наиболее исчерпывающим образом разработана эта проблема. …Некоторые трудности представлял перевод терминов. Так, например, выражения: «operational pH scale» (англ. операционная шкала pH), «operational definition of the measured pH» (англ. рабочее определение величины pH) мы перевели: «инструментальная шкала pH» и «инструментальное определение величины pH», поскольку термин «инструментальный» в этом смысле уже получил распространение среди русских специалистов по pH-метрии. Книга Р. Бейтса отличается от других книг по pH-метрии, имеющихся на русском языке, рядом достоинств. …В ней с большой полнотой, на высоком теоретическом уровне и с достаточной термодинамической строгостью рассмотрены сложные проблемы pH-метрии и показано, в какой мере экспериментально определяемая величина pH может интерпретироваться с точки зрения концентрации или активности ионов водорода. Хорошо изложены принципы и теоретические основы экспериментального определения pH. Очень ценным является довольно подробное изложение проблем и практики определения pH индикаторными методами. |
|
В 1965 году Роджер Бейтс пишет проф. Б. П. Никольскому и проф. М. М. Шульцу:
Профессор Р. Г. Бейтс, Департамент электрохимических исследований, Национальное бюро стандартов, Вашингтон, США, 8 марта, 1965 г. СССР, Ленинград, Ленинградский Государственный Университет, проф. Б. П. Никольскому, проф. М. М. Шульцу:
| Глубокоуважаемые профессора Никольский и Шульц!
Занимаясь стандартизацией измерений pH, я смог по достоинству оценить ваши превосходные работы по стеклянному электроду, которые значительно расширили понимание механизма действия иона водорода. Я надеюсь в скором времени получить возможность побывать в вашей стране в связи с Московским конгрессом Международного союза общей и прикладной химии. Я был бы очень признателен вам, если бы смог посетить ваш институт и познакомиться с вами. Предполагая, что сессия конгресса закончится 18 июля, я надеюсь быть в Ленинграде 19 июля. Возможно ли моё посещение Вашего института 20 или 21 июля? Я хорошо знаком также с некоторыми работами доктора Л. Л. Макарова и, если это удобно, хотел бы встретиться и с ним. С наилучшими пожеланиями искренне Ваш Роджер Г.Бейтс, руководитель отдела электрохимического анализа Национального бюро стандартов.[4] |
Литература
- Бейтс Р. Определение рН. Теория и практика. 2 издание. Перевод с английского под редакцией акад. Б. П. Никольского и проф. М. М. Шульца. — Л.: Химия. 1972.
Источник: dic.academic.ru