في الكيمياء ، الرقم الهيدروجيني هو مقياس لوغاريتمي يستخدم لتحديد حموضة الوسط. هذا هو تقريبًا اللوغاريتم السالب للقاعدة 10 للتركيز المولي ، ويقاس بوحدات المولات لكل لتر من أيونات الهيدروجين. يمكن أن يطلق عليه أيضًا مؤشر حموضة البيئة. بتعبير أدق ، هو اللوغاريتم السالب للقاعدة 10 لنشاط أيون الهيدروجين. عند درجة حرارة 25 درجة مئوية ، تكون المحاليل التي يقل فيها الرقم الهيدروجيني عن 7 حمضية ، وتكون المحاليل ذات الأس الهيدروجيني الأكبر من 7 أساسية. تعتمد قيمة الأس الهيدروجيني المحايدة على درجة الحرارة وهي أقل من 7 مع ارتفاع درجة الحرارة. الماء النقي محايد ، الرقم الهيدروجيني=7 (عند 25 درجة مئوية) ، ليس حامضيًا ولا قلويًا. خلافًا للاعتقاد الشائع ، يمكن أن تكون قيمة الأس الهيدروجيني أقل من 0 أو أكبر من 14 للأحماض والقواعد القوية جدًا ، على التوالي.
التطبيق
قياسات الأس الهيدروجيني مهمة في الهندسة الزراعية والطب والكيمياء ومعالجة المياه والعديد من المجالات الأخرى.
مقياس الأس الهيدروجيني مناسب لمجموعة من الحلول القياسية ، والتي تم تحديد درجة حموضتها من قبل المستوى الدولياتفاق. يتم تحديد معايير الأس الهيدروجيني الأولية باستخدام خلية تركيز نقل عن طريق قياس فرق الجهد بين قطب هيدروجين وإلكترود قياسي مثل كلوريد الفضة. يمكن قياس الأس الهيدروجيني للمحاليل المائية باستخدام قطب كهربائي زجاجي ومقياس أو مؤشر الأس الهيدروجيني.
افتتاح
تم تقديم مفهوم الأس الهيدروجيني لأول مرة من قبل الكيميائي الدنماركي سورين بيتر لوريتس سورنسن في مختبر كارلسبرج في عام 1909 وتم تعديله إلى مستوى الأس الهيدروجيني الحالي في عام 1924 لاستيعاب التعريفات والقياسات من حيث الخلايا الكهروكيميائية. في الأعمال المبكرة ، كان الترميز يحتوي على الحرف H بالحرف الصغير p ، مما يعني: pH.
أصل الاسم
المعنى الدقيق لـ p متنازع عليه ، ولكن وفقًا لمؤسسة Carlsberg ، فإن الرقم الهيدروجيني يعني "قوة الهيدروجين". كما تم اقتراح أن الحرف p يشير إلى الكلمة الألمانية potenz ("power") ، بينما يشير البعض الآخر إلى الكلمة الفرنسية puisance (والتي تعني أيضًا "power" ، بناءً على حقيقة أن مختبر Carlsberg كان فرنسيًا). اقتراح آخر هو أن p يشير إلى المصطلح اللاتيني pondus hydroii (كمية الهيدروجين) أو potentio hydroii (قدرة الهيدروجين) أو hydroli المحتمل (إمكانات الهيدروجين). يُقترح أيضًا أن Sørensen استخدم الحروف p و q (عادةً ما يتم ربط الأحرف في الرياضيات) للإشارة إلى حل الاختبار (p) والحل المرجعي (q). حاليًا ، في الكيمياء ، تشير p إلى اللوغاريتم العشري ، وتستخدم أيضًا في مصطلح pKa ، وتستخدم لثوابت تفكك حموضة الوسط.
مساهمات أمريكية
عزت عالمة الجراثيم أليس إيفانز ، المعروفة بتأثير عملها على منتجات الألبان وسلامة الغذاء ، الفضل إلى ويليام مانسفيلد كلارك وزملائه في تطوير طرق لقياس الأس الهيدروجيني في العقد الأول من القرن الماضي ، والتي كان لها فيما بعد تأثير كبير على المختبرات والصناعات. استعمال. في مذكراتها ، لم تذكر كم أو قلة معرفة كلارك وزملائه بعمل سورنسن في السنوات السابقة. بالفعل في ذلك الوقت ، كان العلماء يدرسون بنشاط قضية حموضة / قلوية البيئة.
تأثير الحمض
تم توجيه انتباه الدكتور كلارك إلى تأثير الحمض على نمو البكتيريا. وبفضل هذا ، استكمل فكرة علم مؤشر الهيدروجين لحموضة البيئة آنذاك. وجد أن شدة الحمض من حيث تركيز أيونات الهيدروجين هي التي أثرت على نموها. لكن الطرق الحالية لقياس حموضة الوسط تحدد كمية الحمض وليس شدته. ثم طور الدكتور كلارك مع زملائه طرقًا دقيقة لقياس تركيز أيونات الهيدروجين. حلت هذه الطرق محل طريقة المعايرة غير الدقيقة لتحديد الحمض في المختبرات البيولوجية حول العالم. وقد وجد أيضًا أنه يمكن استخدامها في العديد من العمليات الصناعية وغيرها من العمليات التي يتم استخدامها على نطاق واسع.
جانب عملي
أول طريقة إلكترونية لقياس الأس الهيدروجيني اخترعها أرنولد أورفيل بيكمان ، الأستاذ في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، في عام 1934. في هذه المرحلة كان مزارع الحمضيات المحليأراد Sunkist طريقة أفضل للاختبار السريع لدرجة الحموضة في الليمون الذي حصدوه من البساتين القريبة. تم دائمًا أخذ تأثير حموضة الوسط في الاعتبار.
على سبيل المثال ، للحصول على محلول به نشاط أيون الهيدروجين 5 × 10–6(في هذا المستوى ، هذا هو ، في الواقع ، عدد مولات أيونات الهيدروجين لكل لتر من المحلول) ، نحصل على 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. وهكذا ، فإن مثل هذا المحلول له الرقم الهيدروجيني 5.3. ويعتقد أن كتل كمية مول من الماء ، مول من أيونات الهيدروجين ، ومول من أيونات الهيدروكسيد هي على التوالي 18 جم و 1 جم و 17 جم ، وتحتوي كمية 107 مول من الماء النقي (الرقم الهيدروجيني 7) على حوالي 1 جم من أيونات الهيدروجين المنفصلة (أو ، بتعبير أدق ، 19 جم من أيونات H3O + أيونات الهيدرونيوم) و 17 جم أيونات هيدروكسيد.
دور درجة الحرارة
لاحظ أن الأس الهيدروجيني يعتمد على درجة الحرارة. على سبيل المثال ، عند 0 درجة مئوية يكون الرقم الهيدروجيني للماء النقي 7.47. وعند 25 درجة مئوية يكون 7 ، وعند 100 درجة مئوية يكون 6.14.
تتناسب إمكانات القطب مع الأس الهيدروجيني عندما يتم تعريف الرقم الهيدروجيني من حيث النشاط. يتم تقديم قياس دقيق للأس الهيدروجيني في المعيار الدولي ISO 31-8.
يتم تكوين خلية كلفانية لقياس القوة الدافعة الكهربائية (EMF) بين القطب المرجعي وقطب استشعار نشاط أيون الهيدروجين عندما يكون كلاهما مغمورًا في نفس المحلول المائي. قد يكون القطب المرجعي عبارة عن جسم من كلوريد الفضة أو قطب كالوميل. يعد القطب الكهربي الانتقائي لأيون الهيدروجين معيارًا لهذه التطبيقات.
لتطبيق هذه العملية ، يتم استخدام قطب كهربائي زجاجي بدلاً من قطب هيدروجين ضخم. هولديه قطب مرجعي مدمج. تتم معايرته أيضًا ضد المحاليل العازلة ذات نشاط أيون الهيدروجين المعروف. اقترح IUPAC استخدام مجموعة من المحاليل العازلة ذات نشاط H + المعروف. يتم استخدام حلين أو أكثر من محلول عازلة لمراعاة حقيقة أن المنحدر قد يكون أقل بقليل من المثالي. لتنفيذ نهج المعايرة هذا ، يتم غمر القطب أولاً في محلول قياسي ويتم ضبط قراءة مقياس الأس الهيدروجيني على قيمة المخزن المؤقت القياسي.
ماذا بعد؟
يتم بعد ذلك تصحيح القراءة من محلول المخزن القياسي الثاني باستخدام التحكم في الانحدار ليكون مساوياً لمستوى الأس الهيدروجيني لهذا المحلول. عند استخدام أكثر من محلولين عازلة ، تتم معايرة القطب عن طريق ملاءمة قيم الأس الهيدروجيني الملحوظة لخط مستقيم مقابل قيم المخزن المعياري القياسية. عادةً ما يتم تزويد حلول المخزن المعياري التجارية بمعلومات حول القيمة عند 25 درجة مئوية وعامل التصحيح الذي سيتم تطبيقه على درجات الحرارة الأخرى.
تعريف السمة
مقياس الأس الهيدروجيني هو لوغاريتمي ، وبالتالي فإن الرقم الهيدروجيني هو كمية بلا أبعاد ، وغالبًا ما تستخدم ، من بين أشياء أخرى ، لقياس حموضة البيئة الداخلية للخلية. كان هذا هو تعريف سورنسن الأصلي ، والذي تم استبداله عام 1909.
ومع ذلك ، فمن الممكن قياس تركيز أيون الهيدروجين مباشرة إذا تمت معايرة القطب من حيث تركيزات أيون الهيدروجين. تتمثل إحدى طرق القيام بذلك ، والتي تم استخدامها على نطاق واسع ، في معايرة محلول ذي تركيز معروفحمض قوي بمحلول بتركيز معروف من قلوي قوي في وجود تركيز عالٍ نسبيًا من إلكتروليت داعم. نظرًا لأن تركيزات الحمض والقلويات معروفة ، فمن السهل حساب تركيز أيون الهيدروجين بحيث يمكن ربط الإمكانات بالقيمة المقاسة.
يمكن استخدام المؤشرات لقياس الأس الهيدروجيني باستخدام حقيقة أن لونها يتغير. تسمح المقارنة المرئية بين لون محلول الاختبار بمقياس ألوان قياسي بقياس الأس الهيدروجيني بدقة صحيحة. يمكن إجراء قياسات أكثر دقة إذا تم قياس اللون بطريقة طيفية باستخدام مقياس الألوان أو مقياس الطيف الضوئي. يتكون المؤشر العالمي من مزيج من المؤشرات بحيث يكون هناك تغيير دائم في اللون من حوالي pH 2 إلى pH 10. ورق المؤشر العالمي مصنوع من ورق ماص تم تشريبه بمؤشر عالمي. طريقة أخرى لقياس الأس الهيدروجيني هي استخدام مقياس الأس الهيدروجيني الإلكتروني.
مستويات القياس
قياس الأس الهيدروجيني أقل من 2.5 (حوالي 0.003 مول من الحمض) وما فوق حوالي 10.5 (حوالي 0.0003 مول من القلويات) يتطلب إجراءات خاصة لأن قانون نيرنست ينتهك بهذه القيم عند استخدام قطب كهربائي زجاجي. عوامل مختلفة تساهم في ذلك. لا يمكن افتراض أن إمكانات انتقال السائل مستقلة عن الرقم الهيدروجيني. أيضًا ، يعني الرقم الهيدروجيني الشديد أن المحلول مركز ، لذلك تتأثر جهود القطب بالتغير في القوة الأيونية. عند درجة الحموضة العالية ، قد يكون القطب الزجاجيعرضة للخطأ القلوي حيث يصبح القطب حساسًا لتركيز الكاتيونات مثل Na + و K + في المحلول. تتوفر أقطاب كهربائية مصممة خصيصًا للتغلب جزئيًا على هذه المشكلات.
الجريان السطحي من المناجم أو نفايات المناجم يمكن أن يؤدي إلى قيم منخفضة للغاية للأس الهيدروجيني
الماء النقي محايد. انها ليست حامضية. عندما يذوب الحمض في الماء ، سيكون الأس الهيدروجيني أقل من 7 (25 درجة مئوية). عندما يذوب القلوي في الماء ، يكون الرقم الهيدروجيني أكبر من 7. يحتوي محلول 1 مول من حمض قوي مثل حمض الهيدروكلوريك على درجة حموضة صفر. يحتوي محلول قلوي قوي مثل هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 1 مول على درجة حموضة تبلغ 14. وبالتالي ، فإن قيم الأس الهيدروجيني المقاسة تقع عمومًا في النطاق من 0 إلى 14 ، على الرغم من قيم وقيم الأس الهيدروجيني السالبة فوق 14 من الممكن جدا.
يعتمد الكثير على حموضة وسط المحلول. نظرًا لأن الرقم الهيدروجيني مقياس لوغاريتمي ، فإن الاختلاف في وحدة أس هيدروجيني واحدة يعادل عشرة أضعاف الفرق في تركيز أيون الهيدروجين. لا تصل درجة الحياد إلى 7 (عند 25 درجة مئوية) ، على الرغم من أن هذا تقدير تقريبي جيد في معظم الحالات. يتم تعريف الحياد على أنه الحالة التي يكون فيها [H +]=[OH-]. نظرًا لأن التأين الذاتي للماء يحافظ على ناتج هذه التركيزات [H +] × [OH-]=Kw ، يمكن ملاحظة أنه عند الحياد [H +]=[OH-]=√Kw أو pH=pKw / 2.
PKw هي تقريبًا 14 ، ولكنها تعتمد على القوة الأيونية ودرجة الحرارة ، لذا فإن قيمة الأس الهيدروجيني للوسيط مهمة أيضًا ، والتي يجب أن تكون محايدةمستوى. الماء النقي ومحلول كلوريد الصوديوم في الماء النقي محايدان لأن تفكك الماء ينتج نفس الكمية من كلا الأيونات. ومع ذلك ، فإن الرقم الهيدروجيني لمحلول كلوريد الصوديوم المحايد سيكون مختلفًا قليلاً عن الرقم الهيدروجيني للمياه النقية المحايدة ، نظرًا لأن نشاط أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد يعتمد على القوة الأيونية ، لذلك يختلف Kw مع القوة الأيونية.
نباتات
أصباغ نباتية معتمدة يمكن استخدامها كمؤشرات للأس الهيدروجيني توجد في العديد من النباتات ، بما في ذلك الكركديه والملفوف الأحمر (الأنثوسيانين) والنبيذ الأحمر. عصير الحمضيات حامضي لاحتوائه على حامض الستريك. توجد أحماض كربوكسيلية أخرى في العديد من الأنظمة الحية. على سبيل المثال ، ينتج حمض اللاكتيك عن طريق نشاط العضلات. تعتمد حالة بروتون مشتقات الفوسفات ، مثل ATP ، على حموضة وسط الأس الهيدروجيني. يتأثر عمل إنزيم نقل الأكسجين للهيموجلوبين بالرقم الهيدروجيني في عملية تُعرف باسم تأثير الجذر.
مياه البحر
في مياه البحر ، عادةً ما يقتصر الرقم الهيدروجيني على ما بين 7.5 و 8.4. إنه يلعب دورًا مهمًا في دورة الكربون في المحيط ، وهناك دليل على استمرار تحمض المحيطات بسبب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك ، فإن قياس الأس الهيدروجيني معقد بسبب الخصائص الكيميائية لمياه البحر ، وهناك العديد من مقاييس الأس الهيدروجيني المختلفة في علم المحيطات الكيميائي.
حلول خاصة
كجزء من التعريف التشغيلي لمقياس الحموضة (pH) ، تحدد IUPAC سلسلة من المحاليل العازلة في نطاق الأس الهيدروجيني (يشار إليها غالبًا باسمNBS أو NIST). هذه المحاليل لها قوة أيونية منخفضة نسبيًا (≈0.1) مقارنة بمياه البحر (≈0.7) ونتيجة لذلك لا يوصى باستخدامها في توصيف الأس الهيدروجيني لمياه البحر لأن الاختلافات في القوة الأيونية تسبب تغيرات في جهد القطب. لحل هذه المشكلة ، تم تطوير سلسلة بديلة من المخازن المؤقتة على أساس مياه البحر الاصطناعية.
تحل هذه السلسلة الجديدة مشكلة اختلافات القوة الأيونية بين العينات والمخازن المؤقتة ، ويسمى مقياس الأس الهيدروجيني الجديد للحموضة المتوسطة المقياس الشائع ، وغالبًا ما يشار إليه باسم الرقم الهيدروجيني. تم تحديد المقياس الكلي باستخدام وسط يحتوي على أيونات الكبريتات. تختبر هذه الأيونات البروتونات ، H + + SO2-4 HSO-4 ، لذا فإن المقياس الكلي يشمل تأثير كل من البروتونات (أيونات الهيدروجين الحرة) وأيونات كبريتيد الهيدروجين:
[H +] T=[H +] F + [HSO-4].
المقياس الحر البديل ، الذي يشار إليه غالبًا باسم pHF ، يغفل هذا الاعتبار ويركز حصريًا على [H +] F ، مما يجعله من حيث المبدأ تمثيلًا أبسط لتركيز أيون الهيدروجين. يمكن تحديد [H +] T فقط ، لذلك يجب تقدير [H +] F باستخدام [SO2-4] وثابت الاستقرار HSO-4 ، KS:
[H +] F=[H +] T - [HSO-4]=[H +] T (1 + [SO2-4] / KS) -1.
ومع ذلك ، من الصعب تقدير KS في مياه البحر ، مما يحد من فائدة مقياس أبسط مجاني.
مقياس آخر ، يُعرف باسم مقياس مياه البحر ، وغالبًا ما يشار إليه باسم pHSWS ، يأخذ في الاعتبار الترابط البروتوني الإضافي بين أيونات الهيدروجين وأيونات الفلوريد ، H + + F- ⇌HF. النتيجة هي التعبير التالي لـ [H +] SWS:
[H +] SWS=[H +] F + [HSO-4] + [HF]
ومع ذلك ، فإن فائدة النظر في هذا التعقيد الإضافي تعتمد على محتوى الفلور في الوسط. على سبيل المثال ، في مياه البحر ، توجد أيونات الكبريتات بتركيزات أعلى بكثير (> 400 مرة) من تركيزات الفلور. نتيجة لذلك ، بالنسبة لمعظم الأغراض العملية ، يكون الفرق بين المقياس المشترك ومقياس مياه البحر صغيرًا جدًا.
تلخص المعادلات الثلاثة التالية مقاييس الأس الهيدروجيني الثلاثة:
pHF=- السجل [H +] FpHT=- السجل ([H +] F + [HSO-4])=- السجل [H +] TpHSWS=- السجل ([H +] F + [HSO-4] + [HF])=- تسجيل [H +]
من وجهة نظر عملية ، تختلف مقاييس الأس الهيدروجيني الثلاثة لبيئة حمضية (أو مياه البحر) في قيمها حتى 0.12 وحدة أس هيدروجيني ، وتكون الاختلافات أكبر بكثير مما هو مطلوب عادةً لدقة قياسات الأس الهيدروجيني ، ولا سيما فيما يتعلق بنظام الكربونات المحيط.
