Vad är meningen med en Ph-skala?

Även för dem som helst vill undvika att lära sig om vetenskap, skulle det vara svårt att förhandla om världen utan att höra regelbundna referenser till något som kallas pH. Om du inte behöver veta vad det är för kemiklass, kommer du sannolikt att se referenser till pH-nivåer och tillhörande termer som surhet och alkalinitet, om du bara tittar på några schamporeklam.

pH-skalan

är ett verktyg som kemister har tagit fram för att mäta hur surt (eller alkaliskt, motsatsen till ”sur”) en lösning är. Den används varje dag i otaliga applikationer, från att kontrollera om klorhalten i din badtunna är där den ska vara till att låta biokemister ta reda på idealiska förhållanden för reaktioner som påverkas av surhet.

pH-skalan, som många andra verktyg som används inom fysik, är inte vad du skulle kalla en ”intuitiv” skala, som en som sträcker sig från 0 till 10 eller 1 till 100 som används för typiska frågesportresultat eller procentsatser. Men när du väl utvecklar en djup förståelse för vad siffran betyder när det gäller beteendet hos molekyler i en vattenlösning (molekyler lösta i komponentatomer och molekyler i vatten), är hela schemat inte bara vettigt utan öppnar nya dörrar till en helt ny förståelse för kemi.

Vad är pH-skalan?

Förkortningen pH står för ”potential av vätejon.” Termen myntades av den danske biokemisten Søren Sørenson, som definierade ”p” som instruktioner för att ta det negativa av logaritmen för vätejonkoncentrationen, skriven . pH är den negativa logaritmen för

molariteten av H, vilket är ett mått på totala joner per volymenhet snarare än massa per volymenhet.

Matematiskt är pH-definitionen

pH = -log_{10}[H^{+}]

Vad är mullvadar och molaritet?

I mycket av den fysiska vetenskapen gäller idén om ”koncentration” på massor av partiklar snarare än deras andra egenskaper. Till exempel, om 5,85 gram (g) vanligt salt (natriumklorid eller NaCl) löses i 1 000 milliliter eller ml (1 liter eller L) vatten (H₂O) , kan du sedan uttrycka koncentrationen av natriumklorid i vatten i det här fallet som 5,85 g/L, eller 5,85 mg/ml, eller andra likvärdiga enheter.

Inom kemi är dock ”beloppet” av ett ämne som spelar roll är inte hur många gram eller kilogram det finns, utan hur många enskilda atomer eller molekyler det finns. Detta beror på att atomer och molekyler reagerar med varandra baserat på atomära och molekylära förhållanden, inte massförhållanden.

Olika typer av atomer (det vill säga olika grundämnen) har olika massor, med antalet gram i 1 mol (6,02 × 10²³ individuella partiklar) givna i elementets ”låda” i det periodiska systemet för grundämnen (se resurserna) .

Till exempel en molekyl av H₂O har två väteatomer och en syreatom. Varje H har en massa på cirka 1 g, medan en O-atom har en massa på strax under 16 g. Så medan 16/18 = 88,9 procent av en vattenmolekyls massa består av syre, har vatten alltid ett 2-till-1-förhållande mellan H till O-atomer.

Detta begrepp är van vid fastställa molar koncentration, eller mol per liter, betecknad M. Som det händer är molmassan av Na 23,0 g och klor 35,5 g, så 1 mol (1 mol, i beräkningar) NaCl har en massa på 58,5 g. 5,85 g är 1/10 av detta, så 5,85 g NaCl/1 L = en 0,1 M NaCl-lösning,

Vad är en logaritmisk skala?

Om du är obekanta med logaritmer, eller loggar, tänk på att de representerar ett enkelt sätt att komprimera den sanna variabiliteten för en kvantitet till en mer matematiskt relaterbar form. Loggar är exponenter som hanteras i icke-överskriftsform, vilket kräver matematisk fingranskning och vanligtvis en miniräknare.

Den del du behöver veta är att för varje faktor på 10 ökning i koncentrationen av vätejoner kommer pH att minska med 1 heltalsenhet och omvänt . Detta innebär att en lösning med ett pH på 5,0 har tio gångerav en lösning med ett pH på 6,0 och 1/1 000:e av av en 3,0-pH lösning.

Båda syrastyrkan ( det vill säga de inneboende egenskaperna hos enskilda syror) och syrakoncentrationen (som du kan ändra i labbet) bestämmer en lösnings pH.

Hur mäts pH?

Som noterat, en 1-molar (1M) lösning av rena vätejoner (utan tillhörande anjon) har ett pH på 0. Detta ses inte i naturen och används som referenspunkt för att mäta pH med hjälp av en elektrod som ingår i en pH-mätare. Dessa är kalibrerade för att översätta spänningsskillnader mellan referenslösningen och en lösning av intresse till ett pH-värde för den senare.

1 mol joner per liter betyder cirka 6,02 × 10²³ individuella molekyler eller atomer (dvs individuella partiklar) per liter lösning.

Vad är betydelsen av pH?

Vanliga värden för pH inkluderar ca 1,5 för magsyra, ca 2 för limejuice, 3,5 för vin, 7 för rent vatten, ca 7,4 för friskt människoblod, 9 för blekmedel och 12 för hushållsammoniak. De två sistnämnda föreningarna är starkt basiska och kan utöva fysisk skada precis som syra kan, om än genom en annan mekanism.

En anjon som cirkulerar i blodet som kallas bikarbonat (HCO³⁻), som bildas av vatten och koldioxid, håller blodet något alkaliskt och fungerar som en ”buffert” i fallet H⁺ joner ackumuleras snabbt i blodet, som när andningen avbryts under längre perioder.

Du har kanske sett annonser för ”antacida ,” som är ämnen som, i motsats till syror, kan ta emot protoner, ofta genom att donera en hydroxylgrupp (−OH) som accepterar protonen för att bilda en vattenmolekyl.

Den resulterande ”svepningen” av H+-joner i magen från saltsyran som magen naturligt utsöndrar kan ge lindring från syrans skadliga effekter på inre membran.

Exempel pH-beräkningar

Exempel:

Vad är pH för en lösning med [H+] på 4,9×10⁻⁷ M?

pH=−log= −log[4.9 × 10⁻⁷] = 6.31.

Notera att det negativa tecknet står för det faktum att de små koncentrationerna av joner som ses i uppmätta lösningar skulle ge en skala med negativa resultat annars, eftersom av de negativa exponentvärdena.

Exempel: Vad är vätejonkoncentrationen i en lösning med ett pH på 8,45?

Den här gången använder du samma ekvation på ett lite annorlunda sätt:

8.45 =−log, eller −8.45 = log .

För att lösa använder du det faktum att talet inom parentes är bara basen av stocken, 10, upphöjd till värdet av själva stocken:

[H+] = 10^−8,45 =

3,5 × 10⁻⁹M.

Ph-kalkylator online

Se resurserna för ett exempel på ett verktyg som låter dig manipulera identiteten och koncentrationen av syror i lösning för att bestämma associerade pH-värden.

Observera att när du experimenterar med olika syror i rullgardinsmenyn och använder olika molära koncentrationer, kommer du att upptäcka en intressant fakta om pH: Det beror på både syrans identitet (och därmed dess inneboende styrka) och dess koncentration. En svagare syra i en högre molär koncentration kan därför ge en lösning med ett lägre pH än en tillräckligt utspädd lösning av en starkare syra.