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:

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.

pOH

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

Koska missä tahansa vesiliuoksessa 25 °C:ssa , on selvää, että tässä lämpötilassa:

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

- happamuusvakion  indikaattori

Henderson-Hasselbachin yhtälö

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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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

  1. Chemical Encyclopedia / Toimituslautakunta: Knunyants I.L. ja muut - M. : Soviet Encyclopedia, 1988. - T. 1 (Abl-Dar). — 623 s.
  2. termin historia on kiistanalainen
  3. Happamuus (pH)  // Funktionaalinen gastroenterologia: paikka.
  4. L.A. Krasilnikova. Kasvien biokemia. - 2004. - S. 163-164.
  5. Ihmisen fysiologia. Toimittanut V. M. Pokrovsky, G. F. Korotko. Veren fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Arkistoitu 15. elokuuta 2019 Wayback Machinessa
  6. Ihmisen fysiologia. Toimittanut V. M. Pokrovsky, G. F. Korotko. Vatsan eritystoiminto Arkistoitu 15. elokuuta 2019 Wayback Machinessa
  7. Ihmisen fysiologia. Toimittanut V. M. Pokrovsky, G. F. Korotko. Suolen eritys Arkistoitu 13. elokuuta 2019 Wayback Machinessa .
  8. 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

Linkit