Skala pH - Google

Skala pH

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj
Przykładowe wartości pH
Substancja pH
1 M kwas solny
0
Kwas akumulatorowy
< 1,0
Kwas żołądkowy
1,5 – 2
Sok cytrynowy
2,4
Coca-cola
2,5
Ocet
2,9
Sok pomarańczowy
3,5
Piwo
4,5
Kawa
5,0
Herbata
5,5
Kwaśny deszcz
< 5,6
Mleko
6,5
Czysta woda
7
Ślina człowieka
6,5 – 7,4
Krew
7,1 – 7,4
Woda morska
8,0
Mydło
9,0 – 10,0
Wodorotlenek amonu
11,5
Wodorotlenek wapnia
12,5
1 M roztwór NaOH
14

Skala pH - ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych [H3O+] w roztworach wodnych.

Tradycyjnie pH definiuje siÄ™ jako:

pH = -log10[H3O+]

czyli minus logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny. Współcześnie jednak nie jest to ścisła definicja tej wielkości.

Pojęcie pH wprowadził duński biochemik Søren Sørensen w 1909 r.[1] Oryginalnie pH zostało zdefiniowane jako minus logarytm stężenia jonów wodorowych (H+). Współczesne badania wykazały jednak, że wolne jony wodorowe (wolny proton) nigdy nie występują w roztworach wodnych, gdyż ulegają natychmiast solwatowaniu wg równania:

H+ + H2O → H3O+

W wielu podręcznikach jednak, dla uproszczenia, pomija się ten fakt i nadal podaje się starą definicję skali pH.

Spis treści

[edytuj] Definicja skali pH wg normy ISO i IUPAC

Ze względu na to, że pH roztworów mierzy się zazwyczaj metodami galwanometrycznymi norma ISO i Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) definiują współcześnie tę wielkość następująco[2][3]:

Wartość pH roztworu X, w którym jest zanurzone standardowe ogniwo galwaniczne zdefiniowane przez IUPAC, i dla którego zmierzono wartość pierwszej siły elektromotorycznej EX, wynosi[4]:
\text{pH(X)} = \text{pH(S)} + \frac{(E_{\text{S}} - E_{\text{X}})F}{RT \ln 10}
gdzie
F - Stała Faradaya
R - uniwersalna stała gazowa
T - temperatura w skali Kelvina.
ES i pH(S) - odpowiednio siła elektromotoryczna ogniwa standardowego zanurzonego w roztworze wzorcowym (np: w wodzie destylowanej) i pH tego roztworu w danej temperaturze podane w tabeli IUPAC[4].

Z definicji tej wynika, że pH roztworów jest jednostką bezwymiarową i ma charakter jedynie porównawczy, nie przekładający się bezpośrednio na stężenie czy aktywność jonów hydroniowych ani żadnych innych. Definicja ta jest np. wykorzystywana przy przygotowywaniu skal dla papierków uniwersalnych oraz pH-metrów.

Jednakże w pewnym wąskim zakresie rozcieńczonych roztworów o stężeniach mniejszych niż 0,1 mol/dm3, których pH mieści się w zakresie od 2 do 12 można przyjąć, że mierzone metodami galwanometrycznymi pH spełnia równanie[3]:

\text{pH} = -\log_{10}\left[\frac{\gamma_1 [\text{H}^+]) }{ \text{1 mol L}^{-1} } \right] \pm 0.02

gdzie [H+] odpowiada stężeniu jonów hydroniowych, a γ1 to współczynnik aktywności tych jonów, a zatem przynajmniej w tym wąskim zakresie pH definicja "szkolna" i "precyzyjna" są z sobą w zgodzie.

[edytuj] Praktyczny sens skali pH

Aby zrozumieć sens tej skali trzeba się najpierw przyjrzeć temu, co dzieje się w chemicznie czystej wodzie. Cząsteczki wody (H2O) ulegają samorzutnej autodysocjacji, co prowadzi do powstawania jonów H3O+ i OH-:

2H2O ⇌ H3O+ + OH-

Reakcja ta jest odwracalna i ma równowagę przesuniętą silnie w lewo, czyli w stronę wody niezdysocjowanej[5]. Stężenie jonów H3O+ w czystej wodzie w temp. 25°C wynosi 10-7 mol/l[6], a jej pH = -log(10-7) = 7[7]. Ponieważ w czystej wodzie stężenie jonów wodorowych i wodorotlenowych jest takie samo, woda o pH 7 ma odczyn obojętny. W roztworach o pH < 7 stężenie jonów wodorowych jest większe niż wodorotlenowych i roztwory takie mają odczyn kwaśny, natomiast w roztworach o pH > 7 większe jest stężenie jonów wodorotlenowych, więc roztwory takie mają odczyn zasadowy.

Rozpuszczenie w wodzie silnego kwasu (np. HCl) prowadzi do jego dysocjacji:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-

Dla tak silnego kwasu jak HCl równowaga tej reakcji jest niemal całkowicie przesunięta w stronę prawą (a więc w stronę jonów H3O+ i Cl-) dlatego po dodaniu do wody takiej ilości HCl, aby w jednym litrze uzyskanego w ten sposób roztworu znajdował się 1 mol HCl otrzymuje się stężenie jonów H3O+ równe 1 mol/l, co jak łatwo policzyć daje pH = 0[8].

Z drugiej strony w roztworze, w którym znajduje się 1 mol NaOH w jednym litrze występuje stężenie jonów OH- równe 1 mol/l. Jony OH- przesuwają silnie równowagę reakcji dysocjacji wody powodując, że stężenie jonów H3O+ spada do poziomu 10-14 mol/l, a zatem do pH = 14. Wynika to stąd, iż stały musi pozostać iloczyn jonowy wody, czyli iloczyn stężeń jonów H3O+ i OH-, równy 10-14 (w 25 °C)[9].

[edytuj] Praktyczny zakres skali pH

Ze względu na to, że skala pH została zdefiniowana pierwotnie dla rozcieńczonych roztworów kwasów, zasad i soli jej zastosowanie poza zakresem od 0 do 14 jest rzadko spotykane i prowadzi do zaskakujących, sprzecznych z intuicją rezultatów. Wynika to z faktu, że w zakresie wyższych stężeń, odczyn roztworów nie jest już zupełnie logarytmiczną funkcją stężenia jonów hydroniowych lecz raczej ich aktywności molowych. Na przykład roztwór kwasu siarkowego o stężeniu 7,622 mol/dm3 ma pH mierzone metodami galwanometrycznymi równe -3,13, co formalnie powinno odpowiadać hipotetycznemu stężeniu ok 1348,96 mol/dm3. Takie niskie pH stężonych roztworów kwasu siarkowego wynika z faktu, że teoretycznie obliczone współczynnik aktywności jonów hydroniowych w takim roztworze przyjmuje bardzo wysoką wartość, rzędu 165[10].

W praktyce, przy wysokich stężeniach silnych kwasów i zasad ich reakcja z wodą traci na znaczeniu, a zyskuje autodysocjacja samych kwasów i zasad. Stała równowagi reakcji autodysocjacji kwasów i zasad jest zatem bardziej uniwersalną miarą ich mocy niż skala pH.

Z tych samych względów dla stężonych, wodnych układów kwasowo/zasadowych oraz dla roztworów kwasów i zasad w innych niż woda rozpuszczalnikach nie stosuje się skali pH, lecz minus logarytm ze stałej równowagi autodysocjacji kwasów i zasad, który jest oznaczany skrótami pKa i pKb. Związki chemiczne posiadające wyjątkowo małe pKa lub pKb są nazywane odpowiednio superkwasami i superzasadami.

[edytuj] Oznaczanie kwasowości

Do określania pH używa się wskaźników kwasowości, czyli substancji, których kolor zależy od pH roztworu. Do popularnych wskaźników należą:

W praktyce używa się zwykle papierków nasączonych mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor w szerokim zakresie pH. Chemiczne wskaźniki pH stosuje się także w miareczkowaniu do dokładnego określania stężenia roztworów związków chemicznych wykazujących odczyn kwasowy lub zasadowy.

Dokładniejszych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną, którą nazywa się pH-metrią. Wykorzystuje się w niej fakt, że zgodnie z teorią sformułowaną przez Nernsta, siła elektromotoryczna (SEM) ogniwa o identycznych elektrodach, lecz umieszczonych w roztworach o różnych stężeniach jonów hydroniowych, jest proporcjonalna do logarytmu stosunku tych stężeń. Tak więc, zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH, a drugą w próbce, można na podstawie pomiaru SEM tak utworzonego ogniwa dokładnie ustalić pH próbki. Najdokładniejsze pomiary pH dokonuje się metodą miareczkowania potencjometrycznego, w której zobojętnia się mierzoną próbkę dokładnie odmierzanymi ilościami kwasu lub zasady, aż do uzyskania SEM = 0 ogniwa pH-metrycznego.

Zobacz też: funkcja kwasowa Hammeta, pH-metr.

Przypisy

  1. ↑ S.P.L. Sørensen, C. R. Trav. Lab. Carlsberg 8, 1 (1909).
  2. ↑ ISO-31-8:Quantities and units – Part 8: Physical chemistry and molecular physics, Annex C (normative): pH. International Organization for Standardization, 1992.
  3. ↑ 3,0 3,1 wg IUPAC Goldbook.
  4. ↑ 4,0 4,1 Definitions of pH scales, standard reference values, measurement of pH, and related terminology. Pure Appl. Chem. (1985), 57, 531–542..
  5. ↑ Stała dysocjacji wody wynosi dokładnie 1,011 ± 0,005 × 10−14 w 25°C wg tabeli IUPAC.
  6. ↑ Zwykła woda destylowana zawiera rozpuszczony dwutlenek węgla, co powoduje obniżenie jej pH do wartości ok. 5,5 - 6.
  7. ↑ Według tabeli IUPAC pH czystej wody destylowanej to dokładnie 6,998 ± 0,001 w temperaturze 25 °C.
  8. ↑ W rzeczywistości ok -0,1 w skali wg definicji ISO.
  9. ↑ Czasami używa się też wartości pOH - analogicznego minus logarytmu stężenia jonów wodorotlenowych. Suma pH i pOH w danej temperaturze zawsze jest stała; w temperaturze 25 °C wynosi ona 14.
  10. ↑ Nordstrom, DK et al. Negative pH and extremely acidic mine waters from Iron Mountain California. Environ. Sci. Technol., (2000). 34, 254-258.

[edytuj] Linki zewnętrzne


"Dziennik Polski" z dodatkiem o Janie Pawle II
W czwartek 16 października br. wraz z "Dziennikiem Polskim" (Wydawnictwo Jagiellonia SA) ukaże się bezpłatny dodatek pt. "Jan Paweł II cuda".
"Globtroter" zmieni wydawcÄ™
Od listopada br. miesięcznik "Magazyn Podróżników Globtroter" ma wydawać spółka Globtroter.tv. Została ona wydzielona ze spółki PressKontakt, która jest obecnie wydawcą tego tytułu.
Magazyn dla abonentów platformy N
Jeszcze w październiku do abonentów platformy satelitarnej N (ITI Neovision) trafi pierwszy numer dwumiesiÄ™cznika ”Magazyn Abonenta”. Jego wydawcÄ… jest Media Consulting Group.
BBC HD w Polsce od grudnia
1 grudnia br. rozpocznie nadawanie w Polsce kanał BBC HD.
Polsat uruchomi trzy nowe kanały
Zygmunt Solorz-Żak, właściciel Telewizji Polsat SA, zapowiada, że w przyszłym roku jego firma uruchomi trzy kanały tematyczne.
Linki: Strona g³ówna