Vedyn ilmaisin

Vetyindeksi [1] ( pH , lat. pondus H ydrogenii [ 2] - "vedyn paino"; lausutaan "pe-tuhka" ) - mitta, jolla määritetään vesiliuosten happamuus . Liittyy vetyionien pitoisuuteen , joka vastaa vetyionien aktiivisuutta erittäin laimeissa liuoksissa.

Vesiliuosten ( standardiolosuhteissa ) pH on:

pH < 7 vastaa hapanta liuosta ;
pH \u003d 7 vastaa neutraalia liuosta , jota joskus kutsutaan happamaksi;
pH > 7 vastaa emäksistä liuosta .

Vetyindeksi voidaan määrittää käyttämällä happo-emäs-indikaattoreita , jotka mitataan potentiometrisellä pH-mittarilla tai lasketaan kaavalla arvona, joka on vastakkainen etumerkillä ja yhtä suuri kuin vetyionien aktiivisuuden desimaalilogaritmi , ilmaistuna mooleina litrassa:

{\mbox{pH}}=-\lg \left[{\mbox{H}}^{+}\right]

Tarkka pH:n mittaus ja säätö on välttämätöntä kemian , biologian , materiaalitieteen, tekniikan, lääketieteen ja maatalouskemian eri aloilla .

Historia

Konseptin esitteli vuonna 1909 tanskalainen kemisti Sørensen . Indikaattoria kutsutaan pH:ksi latinan kielen potentia hydrogenii - vedyn vahvuus - tai pondus hydrogenii - vedyn paino ensimmäisten kirjainten jälkeen. Yleensä kemiassa on tapana määrittää arvo, joka on yhtä suuri kuin −lg X yhdistelmällä p X. Esimerkiksi happojen vahvuus ilmaistaan usein muodossa p Ka = −lg Ka .

PH:n tapauksessa kirjain H tarkoittaa vetyionien pitoisuutta ( H + ) , tai tarkemmin sanottuna hydronium-ionien termodynaamista aktiivisuutta .

pH:ta ja pOH:ta koskevat yhtälöt

pH-arvon johtaminen

Puhtaassa vedessä vetyionien ([H + ]) ja hydroksidi-ionien ([OH - ]) pitoisuudet ovat samat ja 22 °C:ssa kumpikin 10 -7 mol/l, tämä seuraa suoraan ionin määritelmästä. veden tuote , joka on yhtä suuri kuin [H + ] [OH - ] ja on 10 -14 mol 2 / l 2 (25 °C:ssa).

Kun molempien ionityyppien pitoisuudet liuoksessa ovat samat, liuoksen sanotaan olevan neutraali . Kun veteen lisätään happoa , vetyionien pitoisuus kasvaa (itse asiassa itse ionien pitoisuus ei kasva - muuten happojen kyky "kiinnittää" vetyioni voi johtaa tähän - mutta juuri tällaisten yhdisteiden pitoisuus, joissa vetyioni on "kiinnittyneenä" happoon), mutta hydroksidi-ionien pitoisuus pienenee vastaavasti, kun emästä lisätään, päinvastoin hydroksidi-ionien pitoisuus kasvaa ja vetyionien pitoisuus pienenee. . Kun [H + ] > [OH - ], sanotaan, että liuos on hapan ja kun [OH - ] > [H + ] - emäksinen .

Esityksen helpottamiseksi negatiivisesta eksponentista eroon pääsemiseksi vetyionien pitoisuuden sijaan he käyttävät sen desimaalilogaritmia, joka on otettu vastakkaisella merkillä , joka itse asiassa on vetyindikaattori - pH.

{\text{pH}}=-\lg \left[{\mbox{H}}^{+}\right]

pOH

Käänteinen pH-arvo on hieman vähemmän levinnyt - liuoksen emäksisyyden indikaattori pOH, joka on yhtä suuri kuin OH - ionien liuoksen pitoisuuden negatiivinen desimaalilogaritmi :

{\text{pOH}}=-\lg \left[{\mbox{OH}}^{-}\right]

Koska missä tahansa vesiliuoksessa 25 °C:ssa , on selvää, että tässä lämpötilassa: $[\text{H}^+] [\text{OH}^-] = 1{,}0 \cdot 10^{-14}$

{\text{pOH}}=14-{\text{pH}}

pH-arvot vaihtelevan happamuuden omaavissa liuoksissa

Jotkut pH-arvot

Aine	pH	Ilmaisimen väri
Geoterminen vesi Dallolin tulivuoressa	≈ 0
elektrolyyttiä lyijyakuissa _	<1.0
Mahalaukun mehu	1,0–2,0
Sitruunamehu (5 % sitruunahappoliuos )	2,0±0,3
ruokaetikka _	2.4
omenamehu _	3.0
Coca Cola	3,0±0,3
Kahvi	5.0
Tee , shampoo , terve ihmisen iho	5.5
Hapan sade , virtsa	< 5.6
Juomavesi	6,5–8,5
Maito	6,6–6,93
Sylki	6,8–7,4 [3]
Puhdas vesi 25°C	7.0
Veri	7.36-7.44
Merivesi	8.0
Saippua (rasvainen) käsille	9,0–10,0
Ammoniakki	11.5
Valkaisuaine ( kloori )	12.5
Väkevät alkaliliuokset	>13

Koska 25 ° C:ssa (standardiolosuhteet) [H + ] [OH - ] \u003d 10 -14 , on selvää, että tässä lämpötilassa pH + pOH \u003d 14.

Koska happamissa liuoksissa [H + ] > 10 −7 , niin happamissa liuoksissa pH < 7, samoin emäksisten liuosten pH > 7, neutraalien liuosten pH on 7. Korkeammissa lämpötiloissa veden elektrolyyttinen dissosiaatiovakio kasvaa, ja ioni on veden tuote, joten pH < 7 on neutraali (mikä vastaa samanaikaisesti kasvaneita H + :n ja OH − :n pitoisuuksia ); päinvastoin, kun lämpötila laskee, neutraali pH nousee.

pK a:n ja pH :n välinen suhde

$\mathrm {p} K_{\mathrm {a} }=-\lg \left(K_{\mathrm {a} }\right)$ - happamuusvakion indikaattori

Henderson-Hasselbachin yhtälö

${\ce {pH}}=\mathrm {p} K_{\mathrm {a} }+\lg \left(\mathrm {\frac {[A^{-}]}{[HA]}} \oikea)$

pH-arvon määritysmenetelmät

Liuosten pH-arvon määrittämiseen käytetään laajalti useita menetelmiä. pH- arvo voidaan arvioida indikaattoreilla, mitata tarkasti pH-mittarilla tai määrittää analyyttisesti happo-emästitrauksella.

Vetyionien pitoisuuden karkeaa arvioita varten käytetään laajalti happo-emäs-indikaattoreita - orgaanisia väriaineita , joiden väri riippuu väliaineen pH:sta. Tunnetuimpia indikaattoreita ovat lakmus , fenolftaleiini , metyylioranssi (metyylioranssi) ja muut. Indikaattorit voivat olla kahdessa erivärisessä muodossa, joko happamassa tai emäksisessä. Kunkin indikaattorin värinmuutos tapahtuu sen happamuusalueella, yleensä 1-2 yksikköä.
pH-mittauksen toiminta-alueen laajentamiseksi käytetään ns. yleisindikaattoria , joka on sekoitus useista indikaattoreista. Yleisilmaisin vaihtaa jatkuvasti väriä punaisesta keltaiseen , vihreään , siniseen violettiin siirryttäessä happamasta alueesta emäksiseen. pH:n määrittäminen indikaattorimenetelmällä on vaikeaa sameille tai värillisille liuoksille.
Erikoislaitteen - pH-mittarin - avulla voit mitata pH:ta laajemmalla alueella ja tarkemmin kuin indikaattoreilla. Ionometrinen menetelmä pH:n määrittämiseksi perustuu galvaanisen piirin EMF :n mittaamiseen millivolttimetri-ionometrillä, joka sisältää erikoislasielektrodin , jonka potentiaali riippuu H + -ionien pitoisuudesta ympäröivässä liuoksessa. Menetelmä on kätevä ja erittäin tarkka, varsinkin kun indikaattorielektrodi on kalibroitu valitulla pH-alueella, se mahdollistaa läpinäkymättömien ja värillisten liuosten pH:n mittaamisen ja on siksi laajalti käytetty.
Analyyttinen tilavuusmenetelmä - happo-emäs-titraus - antaa myös tarkat tulokset liuosten happamuuden määrittämiseen. Liuos, jonka pitoisuus tunnetaan (titraus), lisätään tipoittain testiliuokseen. Kun ne sekoitetaan, tapahtuu kemiallinen reaktio. Ekvivalenssipiste - hetki, jolloin titrausaine on täsmälleen riittävä saattamaan reaktion täydellisesti loppuun - kiinnitetään indikaattorilla. Lisäksi, kun tiedetään lisätyn titrausliuoksen pitoisuus ja tilavuus, lasketaan liuoksen happamuus.
pH:n määrittämiseen tarkoitettujen instrumenttien puuttuessa voidaan käyttää antosyaanien vesiuutteita , kukkia, hedelmiä, lehtiä ja varsia värjääviä kasvipigmenttejä. Niiden rakenteen perusta on flavyliumkationi, jossa pyraanirenkaassa oleva happi on vapaaarvoinen. Esimerkiksi syanidiinilla on punertavan violetti väri, mutta väri muuttuu pH:n mukaan: liuokset ovat punaisia pH:ssa <3, violetteja pH:ssa 7-8 ja sinisiä pH>11:ssä. Yleensä happamissa antosyaanien punaiset värit vaihtelevat voimakkuudessa ja sävyissä, ja emäksissä ne ovat sinisiä. Tällaisia antosyaanien värin muutoksia voidaan havaita lisäämällä happoa tai alkalia herukoiden , kirsikoiden , punajuurien tai punakaalin värilliseen mehuun [4] .

Lämpötilan vaikutus pH-arvoihin

Lämpötilan vaikutus pH-arvoihin selittyy vetyionien erilaisella dissosiaatiolla (H + ), eikä se ole kokeellinen virhe. pH-mittarin elektroniikka ei pysty kompensoimaan lämpötilavaikutusta.

pH:n rooli kemiassa ja biologiassa

Ympäristön happamuus on tärkeä monille kemiallisille prosesseille, ja tietyn reaktion esiintymisen mahdollisuus tai tulos riippuu usein ympäristön pH:sta. Tietyn pH-arvon ylläpitämiseksi reaktiojärjestelmässä laboratoriotutkimuksen tai tuotannon aikana käytetään puskuriliuoksia , joiden avulla voit ylläpitää lähes vakio pH-arvoa laimennettuna tai kun liuokseen lisätään pieniä määriä happoa tai alkalia.

pH-arvoa käytetään laajasti karakterisoimaan erilaisten biologisten väliaineiden happo-emäs-ominaisuuksia.

Reaktioväliaineen happamuus on erityisen tärkeä elävissä järjestelmissä tapahtuvissa biokemiallisissa reaktioissa. Vetyionien pitoisuus liuoksessa vaikuttaa usein proteiinien ja nukleiinihappojen fysikaalis-kemiallisiin ominaisuuksiin ja biologiseen aktiivisuuteen , joten kehon normaalin toiminnan kannalta happo-emäs-homeostaasin ylläpitäminen on poikkeuksellisen tärkeä tehtävä. Biologisten nesteiden optimaalisen pH:n dynaaminen ylläpito saavutetaan kehon puskurijärjestelmien toiminnan kautta .

Ihmiskehossa eri elimissä pH-arvo on erilainen. Veren normaali pH on 7,36, eli veressä on heikosti emäksinen reaktio (laskimoveren 7,34:stä valtimoveren 7,40:een). Veren biokemiallisista muutoksista riippuen voidaan havaita asidoosia (happamuuden nousua) tai alkaloosia (emäksisyyden nousua), mutta elämän kanssa yhteensopiva veren pH-alue on pieni, sillä vaikka pH putoaisi arvoon 6,95, häviö. tajunnan tasoa, ja veren reaktio siirtyy emäksiselle puolelle pH = 7,7 :ään asti aiheuttaa vakavia kouristuksia. Veren happo-emästasapainon ylläpitäminen hyväksytyissä rajoissa tapahtuu veren puskurijärjestelmillä , joista tärkein on hemoglobiini [5] . Mahanesteen normaali pH (vatsan rungon ontelossa tyhjään mahaan) on 1,5 ... 2,0 [6] . Ohutsuolen mehussa pH on normaalisti 7,2 ... 7,5, lisääntyneellä erityksellä se saavuttaa 8,6 [7] . Paksusuolen sisällön pH voi normaalisti vaihdella välillä 6,0-7,2 yksikköä ja riippuu ensisijaisesti sen mikrobiston rasvahappojen tuotannon tasosta [8] .

Muistiinpanot

↑ Chemical Encyclopedia / Toimituslautakunta: Knunyants I.L. ja muut - M. : Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1 (Abl-Dar). — 623 s.
↑ termin historia on kiistanalainen
↑ Happamuus (pH) // Funktionaalinen gastroenterologia: paikka.
↑ L.A. Krasilnikova. Kasvien biokemia. - 2004. - S. 163-164.
↑ Ihmisen fysiologia. Toimittanut V. M. Pokrovsky, G. F. Korotko. Veren fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Arkistoitu 15. elokuuta 2019 Wayback Machinessa
↑ Ihmisen fysiologia. Toimittanut V. M. Pokrovsky, G. F. Korotko. Vatsan eritystoiminto Arkistoitu 15. elokuuta 2019 Wayback Machinessa
↑ Ihmisen fysiologia. Toimittanut V. M. Pokrovsky, G. F. Korotko. Suolen eritys Arkistoitu 13. elokuuta 2019 Wayback Machinessa .
↑ Akinori Osuka, Kentaro Shimizu, Hiroshi Ogura, Osamu Tasaki, Toshimitsu Hamasaki. Ulosteen pH:n ennustevaikutus kriittisesti sairailla potilailla // Critical Care. - 2012. - T. 16 , no. 4 . - S. R119 . — ISSN 1364-8535 . - doi : 10.1186/cc11413 . Arkistoitu alkuperäisestä 11. helmikuuta 2021.

Kirjallisuus

Bates R. pH:n määritys. Teoria ja käytäntö / käännös. englannista. toim. akad. B.P. Nikolsky ja prof. M. M. Schultz . - 2. painos - L .: Kemia, 1972.

Linkit

Vedyn indikaattori pH. pH-taulukot. Arkistoitu 14. tammikuuta 2020 Wayback Machinessa

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri tanskalainen Suuri katalaani Hienoa norjalaista Iso venäläinen maailman ympäri Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	BNF : 11944522b GND : 4189273-2 J9U : 987007533739905171 LCCN : sh85063427 NKC : ph381261