Водневий показник кислотності (рН)
Водневий показник, pH (лат. pondus Hydrogenii — «вага водню», вимовляється «пі аш») — міра активності (в сильно розбавлених розчинах еквівалентна концентрації) іонів водню в розчині, яка кількісно виражає його кислотність.
Показник pH дорівнює по модулю і протилежний за знаком десятичному логарифму активності водневих іонів, який виражений в молях на один літр:
Історія водневого показника pH
Поняття водневого показника введено датським хіміком Серенсеном в 1909 році. Показник називається pH (по перших буквах латинських слів potentia hydrogeni — сила водню, або pondus hydrogeni — вага водню).
У хімії поєднанням pX зазвичай позначають величину, яка дорівнює lg X, а буквою H в цьому випадку позначають концентрацію іонів водню (H + ), або, вірніше, термодинамічну активність гідроксоній-іонів.
В чистій воді при 25°C концентрації іонів водню ([H + ]) і гідроксид-іонів ([OH − ]) виявляються однаковими і дорівнюють 10-7 моль/л, це чітко випливає з визначення іонного добутку води, який дорівнює [H + ] · [OH − ] і дорівнює 10-14 моль 2 /л 2 (при 25°C).
Якщо концентрації двох видів іонів в розчині виявляться однаковими, в такому випадку кажуть, що у розчину нейтральна реакція. При додаванні кислоти до води, концентрація іонів водню зростає, а концентрація гідроксид-іонів знижується, при додаванні основи — навпаки, збільшується вміст гідроксид-іонів, а концентрація іонів водню зменшується.
Коли [H + ] > [OH − ] говориться, що розчин виявляється кислим, а при [OH − ] > [H + ] — лужним.
Щоб було зручніше представляти, для позбавлення від негативного показника ступеня, замість концентрацій іонів водню використовують їх десятковий логарифм, який береться з протилежним знаком, який є водневим показником pH.
Трохи меншу популяризацію має зворотна величина pH — показник основності розчину, pOH, яка дорівнює десятичному логарифму (негативному) концентрації в розчині іонів OH − :
Значення рH у розчинах різної кислотності
Врозріз з поширеною думкою, pH може змінюватися крім інтервалу 0-14. pH може виходити за ці межі. Наприклад, при концентрації іонів водню [H + ] = 10 -15 моль/л, pH = 15, при концентрації іонів гідроксиду 10 моль /л pOH = -1.
Тому при 25°C (стандартних умовах) [H + ] [OH − ] = 10 -14 , то ясно, що при такій температурі pH + pOH = 14.
Тому в кислих розчинах [H + ] > 10 -7 , значить, у кислих розчинів pH < 7, відповідно, у лужних розчинів pH >7, рН нейтральних розчинів дорівнює 7. При більш високих температурах константа електролітичної дисоціації води збільшується, значить, збільшується іонний добуток води, тоді нейтральною буде pH = 7 (що відповідає одночасно підвищеним концентраціям як H + , так і OH − ); з пониженням температури, навпаки, нейтральна рН збільшується.
Методи визначення значення pH
Існує декілька методів визначення значення pH розчинів. Водневий показник приблизно оцінюють за допомогою індикаторів, які точно вимірюють за допомогою pH-метра або визначають аналітичним шляхом, проводячи кислотно-основне титрування.
Для грубої оцінки концентрації водневих іонів часто використовують кислотно-основні індикатори — органічні речовини-барвники, колір яких залежить від pH середовища.
Індикатори можуть бути у 2-х по-різному забарвлених формах — або в кислотній, або в основній. Зміна кольору всіх індикаторів відбувається в своєму інтервалі кислотності і найчастіше становить 1-2 одиниці.
Для збільшення робочого інтервалу вимірювання pH застосовують універсальний індикатор, який є сумішшю з кількох індикаторів. Універсальний індикатор послідовно змінює колір з червоного через жовтий, зелений, синій до фіолетового при переході з кислої області в лужну.
Визначення pH індикаторним способом утруднено для каламутних або забарвлених розчинів.
Застосування спеціального приладу — pH-метру — дає можливість вимірювати рН в більш широкому діапазоні і більш точно (до 0,01 одиниці pH), ніж за допомогою індикаторів. Іонометричний метод визначення pH ґрунтується на вимірюванні міллівольтметром-іонометром ЕРС гальванічного ланцюга, яка включає скляний електрод, потенціал якого залежить від концентрації іонів H + у навколишньому розчині.
Спосіб володіє високою точністю і зручністю, особливо після калібрування індикаторного електрода в обраному діапазоні рН, що дає можливість вимірювати pH непрозорих і кольорових розчинів і тому часто застосовується.
Аналітичний об’ємний метод — кислотно-основне титрування — теж дає точні результати визначення кислотності розчинів. Розчин відомої концентрації (титрант) краплями додають до розчину, який досліджується. При їх змішуванні відбувається хімічна реакція.
Точка еквівалентності — це момент, коли титранта точно вистачає для повного завершення реакції, — фіксується за допомогою індикатора.
Після цього, якщо відома концентрація і обсяг доданого розчину титранта, визначається кислотність розчину.
Вплив температури на значення pH:
- 0,001 моль/л HCl при 20°С має рН=3, при 30°C pH=3;
- 0,001 моль/л NaOH при 20°С має рН=11,73, при 30°C pH=10,83,
Вплив температури на значення pH пояснюють дисоціацією іонів водню (H + ) і не є помилкою експерименту. Температурний ефект можна компенсувати за рахунок електроніки pH-метра.
Роль pH в хімії і біології
Кислотність середовища має важливе значення для більшості хімічних процесів, і можливість протікання результату тієї чи іншої реакції часто залежить від pH середовища.
Для підтримки певного значення pH в реакційній системі при проведенні лабораторних досліджень або на виробництві застосовують буферні розчини, які дозволяють зберігати майже постійне значення pH при розведенні або при додаванні в розчин маленьких кількостей кислоти або лугу.
Водневий показник pH часто застосовують для характеристики кислотно-основних властивостей різних біологічних середовищ.
Для біохімічних реакцій велике значення має кислотність реакційного середовища, які протікають в живих системах. Концентрація в розчинах іонів водню часто впливає на фізико-хімічні властивості і біологічну активність білків і нуклеїнових кислот:
тому для нормального функціонування організму підтримання кислотно-основного гомеостазу є завданням виняткової важливості.
Динамічне підтримання оптимального рН біологічних рідин досягається під дією буферних систем організму.
В яких одиницях вимірюється рН
pH – показатель кислотности раствора. Точнее говоря, показатель соотношения кислоты и щелочи, где 1 – кислота, 14 – щелочь. Такой показатель определяет способность растения усваивать питательные вещества из раствора.
Получается, что при выращивании на гидропонике, все растения живут в слегка кислой pH среде. Самый высокий допустимый порог ph для выращивания с запасом – 6,8. Но в замкнутых системах лучше придерживаться ph ниже 6,5 (иначе возникнет нехватка Марганца).
Потенциальный водород / Potential Hydrogen / сила водорода / pH – это водородный показатель, характеризующий концентрацию свободных ионов водорода в воде.
Если упрощать понятие, то величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н + и ОН. Например: чем больше в воде H +, тем вода более кислотная. Чем больше OH- (то есть меньше H +), тем больше щелочная вода.
В идеально чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. В таких случаях вода нейтральна и рН = 7.
pH, равной 7 называется нейтральным, меньше 7 – это будет кислотная среде\а, более 7 – щелочная среда.
При растворении в воде различных веществ этот баланс может быть нарушен, что и приводит к изменению уровня рН.
При повышении H + повышается кислотность.
При повышении OH- повышается щелочность.
Важно: Не пытайтесь держать ваш pH в строгой цифре. Допустим pH раствора = 6.0, и вы, при малейшем изменении в сторону, калибруете его обратно в 6.0. ЭТО НЕПРАВИЛЬНО! Поддерживайте только крайние значения этого диапазона 5,5 – 6,5. Таким образом, ни одному элементу не отдается предпочтение.Именно в этом промежутке растение будет забирать необходимые ему элементы.
Очень часто показатель рН путают с кислотностью и щелочностью воды. Важно понимать разницу между ними. рН – это показатель интенсивности, но не количества. То есть, рН отражает степень кислотности или щелочности среды, в то время как кислотность и щелочность характеризуют количественное содержание в воде веществ, способных нейтрализовать в соответствии со щелочью и кислотой. Для наглядности проведем аналогию с температурой, которая характеризует степень нагрева вещества, но не количество тепла. Например, опустив руку в воду, мы можем сказать какая вода – холодная или горячая, но при этом не сможем определить сколько в ней тепла (т.е., условно говоря, как долго эта вода будет остывать).
Оптимальный рН
pH – один из важнейших рабочих показателей качества воды, которые во многом определяют характер химических и биологических процессов, происходящих в воде.
В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и т. д.
Важно : Растения не любят резких изменений в корневой зоне. В их естественной среде такого не бывает.
Оптимальная требуемая величина рН варьируется для различных систем водоочистки в соответствии с составом воды, характером материалов, применяемых в системе распределения, а также в зависимости от применяемых методов водообработки. Обычно уровень рН находится в пределах, при которых он непосредственно не влияет на потребительские качества воды. Так, в речных водах pH обычно находится в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3.
Для гидропоники оптимальный диапазон pH 5,5-6,5. Стабильный pH – основной фактор при выращивании растений.
Известно, что при низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН> 11) вода приобретает характерную милкость, неприятный запах, способна вызывать раздражение глаз и кожи. Именно поэтому для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень рН в диапазоне от 6 до 9. Для растений – от 5.5 до 6.5.