Что такое pH и ее шкала? Формула и уравнение pH.

Значение pH является важным свойством, поскольку оно влияет на то, как вещества взаимодействуют друг с другом и с нашим организмом. В наших озерах и океанах pH определяет, какие существа способны выжить в воде. Читайте дальше, чтобы выучить словарь, связанный с pH, как использовать формулу pH, как рассчитать pH и почему pH является важным измерением!

Что такое pH?
pH - это показатель того, насколько основным или кислым является вещество. pH имеет диапазон от 0 до 14. Значение pH больше 7 означает, что вещество является основным. Значение pH менее 7 означает, что вещество является кислым. Когда pH равен ровно 7, это указывает на то, что вещество нейтрально.

Кислотное вещество - это все, что выделяет протон. Основное вещество будет принимать протон. Подробнее о кислотах и щелочах см. В этой статье.

Формула pH:

pH = -log ([H +])

Эта формула для pH более подробно обсуждается в разделе ниже, в том числе о том, как использовать формулу pH.

Что такое шкала pH?

Шкала pH начинается с цифры 0 и заканчивается цифрой 14. Эти цифры позволяют классифицировать вещества на основе их pH; наиболее кислотные вещества будут близки к 0, в то время как самые основные или щелочные вещества будут близки к 14. Чем ниже pH, тем больше ионов H + будет присутствовать и тем сильнее кислота. Самые основные или щелочные вещества будут иметь классификацию от 7 до 14.

Формула расчета pH: pH = −lg [H +]. Название величины указывает на то, что кислотность или щелочность среды можно выразить через концентрацию только ионов водорода.

Формула для pH приведена выше. pH определяется как отрицательное логарифмическое основание 10 от концентрации гидрония.

pH - это логарифмическая мера концентрации ионов водорода в растворе. Поскольку pH находится в логарифмической шкале, это означает, что увеличение pH на 1 соответствует умножению концентрации ионов H + на 10! Таким образом, хотя разница между pH 6 и pH 7 может показаться небольшой, на самом деле она довольно существенна. Для уравнения pH концентрация ионов водорода всегда является молярной концентрацией, то есть молями H + на литр.

Как рассчитать pH
Если вы знаете концентрацию ионов водорода, то вычисление pH - это просто подключение к уравнению pH. Иногда проблема говорит вам, что кислота полностью диссоциирует на ионы в растворе. В этом случае знание концентрации ионов водорода является прямым.

Например: предположим, что 0,2 молярный раствор HCl полностью диссоциирует в растворе. Это означает, что на каждый моль соляной кислоты приходится 1 моль ионов H +. (HCl является сильной кислотой, поэтому полностью диссоциирует). Таким образом, концентрация ионов водорода составляет 0,2 М. Формула pH говорит нам, что pH – это отрицательный логарифм концентрации ионов водорода, которая равна 0,2 молярной. Затем с помощью калькулятора подключите 0,2 М к формуле pH.

pH = -log ([H +]) = – log (0,1) = 0,699

Теперь, если кислота не полностью диссоциирует, и они дают вам ka кислоты, вам нужно рассчитать pH из ka, который рассматривается в этой статье.

Уравнение pH – преобразование pH в H +
В некоторых ситуациях мы знаем значение pH и должны перевести его в молярную концентрацию ионов H +. Для этого нам нужно инвертировать логарифм из первого уравнения, возведя 10 в степень отрицательного значения pH.

[H +] = 10-pH

Используя это уравнение, мы находим, что если pH раствора равен 7, то [H +] = 10-7 М. Если рН раствора равен 0, то [H +] = 10-0 М = 1 М (одномолярный раствор), а если рН раствора равен 14, то [H +] = 10-14 М.

Измерение pH
Существует несколько способов измерения pH вещества в лаборатории, дома или в полевых условиях.

pH-зонд: pH-зонд - это инструмент, в котором есть рычаг с двумя маленькими электродами. Руку помещают в вещество, и электроды реагируют на рН раствора. Значение pH обычно отображается на маленьком экране. Существуют как большие, так и маленькие портативные модели этого прибора.

Лакмусовая бумажка: Лакмусовая бумажка - это тонкая полоска бумаги, которая меняет цвет в зависимости от pH раствора, в который ее опускают. Этот индикатор pH можно найти в некоторых зоомагазинах для проверки pH аквариумов.

Лакмусовая бумажка, смоченная в кислоте, становится красной, указывая, что раствор имеет рН менее 7 и является кислым
Лакмусовая бумажка становится красной после погружения в кислоту. (Источник: Wikimedia Commons)

Химические индикаторы: Химические индикаторы - это химические вещества, которые вы можете поместить в раствор, которые изменят цвет раствора при изменении pH. Некоторые из распространенных - фенолфталеин, бромтимоловый синий и лакмусовая бумажка. Хотя тезисы не дадут вам точного значения pH, они являются отличным способом рассказать о том, что такое pH вещества.

Многие другие: Есть много других химических веществ, которые могут действовать как индикаторы по-разному. Один из простых способов тестирования в домашних условиях - использовать капустный сок. Инструкции по изготовлению собственного индикатора капустного сока можно найти здесь. Еще одно замечательное упражнение для изучения pH различных веществ также можно найти здесь.

Индикаторные полоски pH - это один из способов получить приблизительный pH вещества и определить, является ли оно кислотным или основным.

pOH
Термин pOH похож на pH, но относится к щелочности или основности, то есть концентрации гидроксид-иона (OH-) в растворе. Две шкалы функционируют одинаково, за исключением того, что шкала перевернута. Нейтральное вещество имеет как pH, так и pOH 7. Однако по шкале pOH основное вещество будет иметь pOH менее 7. Уравнение для pOH такое же, как и для pH, за исключением использования концентрации гидроксида вместо H +:

pOH = -log [OH–]

Вода и ее pH
Чистая вода имеет значение pH 7 по шкале pH, что означает, что она нейтральна. В чистой воде концентрация ионов водорода и гидроксид–ионов одинакова - 10-7 М.

Однако растворенные кислоты, основания или соли могут сделать его либо кислым, либо основным. Например, океанская вода имеет тенденцию иметь pH около 8. Даже стакан воды не будет иметь pH ровно 7 из-за углекислого газа из атмосферы, который растворяется в нем. Загрязнители также могут изменять pH воды, поэтому pH воды часто контролируется во многих ситуациях как для безопасности, так и для исследований.

KW по химии
Kw - это константа диссоциации или ионизации воды.

Когда вода ионизируется, она распадается на ион водорода (H +) и гидроксид–ион (OH-). H + сам по себе нестабилен в воде и предпочитает образовывать ион гидрония (H3o +), но для удобства мы обычно все еще называем его H +.

Константа ионизации воды представляет степень, в которой она существует в виде ионов, а не вместе в виде молекул, и равна концентрации H +, умноженной на концентрацию OH–:

Kw = [H +] [OH–]

pKw = -log Kw

При комнатной температуре kW = 10-14 и pKw = 14. Мы можем использовать эту константу для преобразования между pH и pOH с помощью приведенного ниже уравнения:

pH + pOH = pKw

Почему pH важен?
Некоторые химические реакции происходят только при определенных условиях pH. Иногда это происходит потому, что H + или OH– действуют как реагент в реакции. В других случаях кислота или основание могут катализировать реакцию, что означает, что они влияют на скорость реакции.

Живые организмы зависят от широкого спектра биохимических реакций и процессов, большинство из которых требуют определенных диапазонов pH. В результате экосистемы, такие как озера и реки, процветают в условиях pH, благоприятных для биохимии местной флоры и фауны.

Подобно экосистеме, человеческое тело имеет определенный уровень pH, который обеспечивает правильное функционирование различных задач, которые выполняет наш организм. Нам требуется одно значение в нашей крови и совершенно другое (гораздо более кислое) в наших пищеварительных жидкостях. В противном случае нормальная биохимия может нарушиться, что вызовет серьезные проблемы со здоровьем.

К счастью, у людей и многих других существ кровь буферизована, так что рН не может легко измениться. Вот почему, если вы выпьете бутылку щелочной воды или кислой соды, ваша кровь останется почти такой же, что защитит вас от последствий дисбаланса!

Еще одним следствием этой системы безопасности, встроенной в вашу кровь, является то, что общие преимущества для здоровья, связанные с щелочной водой, в основном выдуманы. Даже если ваша кровь почему-то слишком кислая, питье воды с pH 8 едва ли изменит ее!

Интересные факты о шкале pH

Кислоты часто имеют кислый вкус, как лимоны

Основания имеют тенденцию горчить

Серен Педер Лауритц Серенсен разработал формулу pH и шкалу pH в 1909 году. Серенсен был датским химиком, работавшим в лаборатории Carlsberg.
Многие чистящие средства очень простые (pH> 10). Некоторые примеры включают очиститель для слива, отбеливатель и раствор аммиака. Всегда будьте осторожны, работая с очень щелочными или очень кислыми веществами.

Из-за увеличения содержания углекислого газа в воздухе уровень pH в наших океанах в настоящее время снижается, что означает, что они становятся более кислыми. Изменение pH оказывает каскадное воздействие на обитателей океана.