In der Chemie ist der pH-Wert eine logarithmische Skala, die zur Bestimmung des Säuregeh alts eines Mediums verwendet wird. Dies ist ungefähr der negative Logarithmus zur Basis 10 der molaren Konzentration, gemessen in Einheiten von Mol pro Liter Wasserstoffionen. Es kann auch als Indikator für den Säuregeh alt der Umgebung bezeichnet werden. Genauer gesagt ist es der negative Logarithmus zur Basis 10 der Wasserstoffionenaktivität. Bei 25 °C sind Lösungen mit einem pH-Wert unter 7 sauer und Lösungen mit einem pH-Wert über 7 basisch. Der neutrale pH-Wert ist temperaturabhängig und liegt bei steigender Temperatur unter 7. Reines Wasser ist neutral, pH=7 (bei 25°C), weder sauer noch basisch. Entgegen der landläufigen Meinung kann der pH-Wert bei sehr starken Säuren bzw. Basen kleiner als 0 bzw. größer als 14 sein.
Bewerbung
Messungen des pH-Wertes sind wichtig in der Landwirtschaft, Medizin, Chemie, Wasseraufbereitung und vielen anderen Bereichen.
Die pH-Skala ist relevant für eine Reihe von Standardlösungen, deren Säuregrad international festgelegt istZustimmung. Primäre pH-Standards werden mit einer Transferkonzentrationszelle bestimmt, indem die Potentialdifferenz zwischen einer Wasserstoffelektrode und einer Standardelektrode wie Silberchlorid gemessen wird. Der pH-Wert wässriger Lösungen kann mit einer Glaselektrode und einem pH-Meter oder -Indikator gemessen werden.
Eröffnung
Das pH-Konzept wurde erstmals 1909 vom dänischen Chemiker Søren Peter Laurits Sørensen im Carlsberg-Labor eingeführt und 1924 auf den aktuellen pH-Wert überarbeitet, um Definitionen und Messungen in Bezug auf elektrochemische Zellen aufzunehmen. In den frühen Werken hatte die Notation den Buchstaben H im kleinen p, was bedeutet: pH.
Herkunft des Namens
Die genaue Bedeutung des p ist umstritten, aber laut Carlsberg Foundation bedeutet pH "die Kraft des Wasserstoffs". Es wurde auch vermutet, dass das p für das deutsche Wort potenz ("Macht") steht, andere beziehen sich auf das französische Wort puisance (was auch "Macht" bedeutet, basierend auf der Tatsache, dass das Carlsberg-Labor französisch war). Ein weiterer Vorschlag ist, dass sich p auf den lateinischen Begriff pondus hydroii (Wasserstoffmenge), potentio hydroii (Wasserstoffkapazität) oder potentiell hydroli (Wasserstoffpotential) bezieht. Es wird auch vermutet, dass Sørensen die Buchstaben p und q (normalerweise konjugierte Buchstaben in der Mathematik) verwendet hat, um einfach die Testlösung (p) und die Referenzlösung (q) zu bezeichnen. Derzeit steht p in der Chemie für den dezimalen Logarithmus und wird auch im Begriff pKa verwendet, der für Dissoziationskonstanten des Säuregeh alts eines Mediums verwendet wird.
Amerikanische Beiträge
Bakteriologin Alice Evans, bekannt für den Einfluss ihrer Arbeit zu Milchprodukten und Lebensmittelsicherheit, schrieb William Mansfield Clark und seinen Kollegen die Entwicklung von Methoden zur Messung des pH-Werts in den 1910er Jahren zu, die später einen großen Einfluss auf Labor und Industrie hatten benutzen. In ihren Memoiren erwähnt sie nicht, wie viel oder wie wenig Clarke und seine Kollegen in den Jahren zuvor von Sorensens Arbeit wussten. Bereits zu dieser Zeit beschäftigten sich Wissenschaftler aktiv mit dem Thema Säure / Alkalität der Umwelt.
Säureeinfluss
Dr. Clarks Aufmerksamkeit richtete sich auf die Wirkung von Säure auf das Bakterienwachstum. Und dank dessen ergänzte er die Idee der damaligen Wissenschaft des Wasserstoffindex des Säuregeh alts der Umwelt. Er fand heraus, dass es die Intensität der Säure in Bezug auf die Konzentration von Wasserstoffionen war, die ihr Wachstum beeinflusste. Aber bestehende Methoden zur Messung des Säuregeh alts eines Mediums bestimmten die Menge, nicht die Intensität der Säure. Dann entwickelte Dr. Clark mit seinen Kollegen präzise Methoden zur Messung der Konzentration von Wasserstoffionen. Diese Methoden haben die ungenaue Titrationsmethode zur Säurebestimmung in biologischen Labors auf der ganzen Welt ersetzt. Es wurde auch festgestellt, dass sie in vielen industriellen und anderen Prozessen verwendet werden können, in denen sie weit verbreitet sind.
Praxisaspekt
Das erste elektronische pH-Messverfahren wurde 1934 von Arnold Orville Beckman, einem Professor am California Institute of Technology, erfunden. An diesem Punkt setzte der örtliche Zitrusbauer anSunkist wollte eine bessere Methode zum schnellen Testen des pH-Werts der Zitronen, die sie von nahe gelegenen Obstplantagen geerntet haben. Der Einfluss des Säuregeh alts des Mediums wurde immer berücksichtigt.
Zum Beispiel für eine Lösung mit einer Wasserstoffionenaktivität von 5 × 10–6 (auf diesem Niveau ist dies tatsächlich die Anzahl der Mole an Wasserstoffionen pro Liter Lösung) erh alten wir 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Somit hat eine solche Lösung einen pH-Wert von 5,3. Es wird angenommen, dass die Massen von ein Mol Wasser, ein Mol Wasserstoffionen und ein Mol Hydroxidionen sind jeweils 18 g, 1 g und 17 g, die Menge an reinem 107 Mol (pH 7) Wasser enthält etwa 1 g dissoziierte Wasserstoffionen (oder, genauer gesagt 19 g H3O + Hydroniumionen) und 17 g Hydroxidionen.
Die Rolle der Temperatur
Beachten Sie, dass der pH-Wert temperaturabhängig ist. Beispielsweise beträgt der pH-Wert von reinem Wasser bei 0 °C 7,47, bei 25 °C 7 und bei 100 °C 6,14.
Elektrodenpotential ist proportional zum pH-Wert, wenn der pH-Wert als Aktivität definiert wird. Die genaue pH-Messung ist in der internationalen Norm ISO 31-8 dargestellt.
Eine galvanische Zelle ist so konfiguriert, dass sie die elektromotorische Kraft (EMK) zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode zur Erfassung der Wasserstoffionenaktivität misst, wenn beide in dieselbe wässrige Lösung eingetaucht sind. Die Referenzelektrode kann ein Silberchloridobjekt oder eine Kalomelelektrode sein. Für diese Anwendungen ist eine wasserstoffionenselektive Elektrode Standard.
Um dieses Verfahren in die Praxis umzusetzen, wird anstelle einer sperrigen Wasserstoffelektrode eine Glaselektrode verwendet. Erhat eine eingebaute Referenzelektrode. Es ist auch gegen Pufferlösungen mit bekannter Wasserstoffionenaktivität kalibriert. IUPAC schlug vor, eine Reihe von Pufferlösungen mit bekannter H+-Aktivität zu verwenden. Zwei oder mehr Pufferlösungen werden verwendet, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass die Steigung etwas weniger als ideal sein kann. Um diesen Kalibrieransatz umzusetzen, wird die Elektrode zunächst in eine Standardlösung getaucht und der Messwert des pH-Meters auf den Wert des Standardpuffers eingestellt.
Was kommt als nächstes?
Der Messwert der zweiten Standardpufferlösung wird dann mit Hilfe der Steigungskontrolle korrigiert, um dem pH-Wert dieser Lösung zu entsprechen. Wenn mehr als zwei Pufferlösungen verwendet werden, wird die Elektrode kalibriert, indem die beobachteten pH-Werte zu einer geraden Linie gegen Standardpufferwerte angepasst werden. Handelsübliche Standardpufferlösungen werden in der Regel mit Angabe des Wertes bei 25 °C und des anzuwendenden Korrekturfaktors für andere Temperaturen geliefert.
Definition Merkmal
Die pH-Skala ist logarithmisch und daher ist der pH-Wert eine dimensionslose Größe, die unter anderem häufig verwendet wird, um den Säuregeh alt der inneren Umgebung der Zelle zu messen. Dies war Sorensens ursprüngliche Definition, die 1909 ersetzt wurde.
Es ist jedoch möglich, die Wasserstoffionenkonzentration direkt zu messen, wenn die Elektrode auf Wasserstoffionenkonzentration kalibriert ist. Eine weit verbreitete Methode hierfür besteht darin, eine Lösung bekannter Konzentration zu titrierenstarke Säure mit einer Lösung einer bekannten Konzentration eines starken Alkalis in Gegenwart einer relativ hohen Konzentration eines Hilfselektrolyten. Da die Säure- und Laugenkonzentration bekannt ist, lässt sich die Wasserstoffionenkonzentration leicht berechnen, sodass das Potential auf den Messwert bezogen werden kann.
Indikatoren können verwendet werden, um den pH-Wert anhand der Tatsache zu messen, dass sich ihre Farbe ändert. Der visuelle Vergleich der Farbe der Testlösung mit einer Standardfarbskala ermöglicht die Messung des pH-Werts mit ganzzahliger Genauigkeit. Genauere Messungen sind möglich, wenn die Farbe spektrophotometrisch unter Verwendung eines Kolorimeters oder Spektrophotometers gemessen wird. Der Universalindikator besteht aus einer Mischung von Indikatoren, so dass ein dauerhafter Farbumschlag von ca. pH 2 bis pH 10 erfolgt. Universalindikatorpapier besteht aus saugfähigem Papier, das mit einem Universalindikator imprägniert ist. Eine andere Methode zur Messung des pH-Werts ist die Verwendung eines elektronischen pH-Meters.
Messniveaus
Das Messen von pH-Werten unter etwa 2,5 (etwa 0,003 Mol Säure) und über etwa 10,5 (etwa 0,0003 Mol Alkali) erfordert spezielle Verfahren, da das Nernstsche Gesetz bei solchen Werten verletzt wird, wenn eine Glaselektrode verwendet wird. Dazu tragen verschiedene Faktoren bei. Es kann nicht davon ausgegangen werden, dass Flüssigkeitsübergangspotentiale unabhängig vom pH-Wert sind. Ein extremer pH-Wert bedeutet auch, dass die Lösung konzentriert ist, sodass die Elektrodenpotentiale durch die Änderung der Ionenstärke beeinflusst werden. Bei hohem pH-Wert kann die Glaselektrode seineinem alkalischen Fehler ausgesetzt, da die Elektrode empfindlich auf die Konzentration von Kationen wie Na+ und K+ in Lösung reagiert. Es sind speziell entwickelte Elektroden erhältlich, die diese Probleme teilweise lösen.
Abflüsse aus Bergwerken oder Grubenabfällen können zu sehr niedrigen pH-Werten führen.
Reines Wasser ist neutral. Es ist nicht sauer. Wenn sich die Säure in Wasser auflöst, liegt der pH-Wert unter 7 (25 °C). Wenn sich ein Alkali in Wasser löst, ist der pH-Wert größer als 7. Eine 1-molare Lösung einer starken Säure wie Salzsäure hat einen pH-Wert von Null. Eine Lösung eines starken Alkalis wie Natriumhydroxid in einer Konzentration von 1 Mol hat einen pH-Wert von 14. Daher liegen die gemessenen pH-Werte im Allgemeinen im Bereich von 0 bis 14, obwohl negative pH-Werte und -Werte vorliegen über 14 sind durchaus möglich.
Vieles hängt vom Säuregeh alt des Lösungsmediums ab. Da der pH-Wert eine logarithmische Skala ist, entspricht ein Unterschied von einer pH-Einheit dem Zehnfachen des Unterschieds in der Wasserstoffionenkonzentration. Neutralität PH erreicht nicht ganz 7 (bei 25 °C), obwohl dies in den meisten Fällen eine gute Näherung ist. Neutralität ist definiert als der Zustand, in dem [H+]=[OH-]. Da die Selbstionisation von Wasser das Produkt dieser Konzentrationen [H+] × [OH-]=Kw hält, kann man sehen, dass bei Neutralität [H+]=[OH-]=√Kw oder pH=pKw / 2.
PKw ist ungefähr 14, hängt aber von der Ionenstärke und der Temperatur ab, daher spielt auch der pH-Wert des Mediums eine Rolle, der neutral sein sollteStufe. Reines Wasser und eine Lösung von NaCl in reinem Wasser sind neutral, da bei der Dissoziation von Wasser die gleiche Menge beider Ionen entsteht. Der pH-Wert einer neutralen NaCl-Lösung unterscheidet sich jedoch geringfügig vom pH-Wert von neutralem reinem Wasser, da die Aktivität von Wasserstoff- und Hydroxidionen von der Ionenstärke abhängt, sodass Kw mit der Ionenstärke variiert.
Pflanzen
Abhängige Pflanzenfarbstoffe, die als pH-Indikatoren verwendet werden können, kommen in vielen Pflanzen vor, darunter Hibiskus, Rotkohl (Anthocyanin) und Rotwein. Zitrussaft ist sauer, weil er Zitronensäure enthält. Andere Carbonsäuren kommen in vielen lebenden Systemen vor. Milchsäure wird zum Beispiel durch Muskelaktivität produziert. Der Protonierungszustand von Phosphatderivaten wie ATP hängt von der Acidität des pH-Mediums ab. Die Funktion des Hämoglobin-Sauerstofftransferenzyms wird durch den pH-Wert in einem Prozess beeinflusst, der als Wurzeleffekt bekannt ist.
Meerwasser
In Meerwasser ist der pH-Wert typischerweise auf 7,5 bis 8,4 begrenzt. Er spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf im Ozean, und es gibt Hinweise auf eine anh altende Versauerung der Ozeane durch Kohlendioxidemissionen. Die Messung des pH-Werts wird jedoch durch die chemischen Eigenschaften des Meerwassers erschwert, und es gibt mehrere verschiedene pH-Skalen in der chemischen Ozeanographie.
Sonderlösungen
Als Teil der operativen Definition der Säureskala (pH) definiert die IUPAC eine Reihe von Pufferlösungen im pH-Bereich (oft bezeichnet alsNBS oder NIST). Diese Lösungen haben eine relativ niedrige Ionenstärke (≈0,1) im Vergleich zu Meerwasser (≈0,7) und werden daher nicht für die pH-Charakterisierung von Meerwasser empfohlen, da Unterschiede in der Ionenstärke Änderungen im Elektrodenpotential verursachen. Um dieses Problem zu lösen, wurde eine alternative Reihe von Puffern auf der Basis von künstlichem Meerwasser entwickelt.
Diese neue Serie löst das Problem der Unterschiede in der Ionenstärke zwischen Proben und Puffern, und die neue pH-Skala für mittlere Säuren wird als gemeinsame Skala bezeichnet, oft auch als pH bezeichnet. Die Gesamtskala wurde unter Verwendung eines Sulfationen enth altenden Mediums bestimmt. Diese Ionen erfahren eine Protonierung, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, sodass die Gesamtskala den Einfluss sowohl von Protonen (freie Wasserstoffionen) als auch von Schwefelwasserstoffionen umfasst:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
Die alternative freie Skala, oft als pHF bezeichnet, lässt diese Überlegung weg und konzentriert sich ausschließlich auf [H+]F, was sie im Prinzip zu einer einfacheren Darstellung der Wasserstoffionenkonzentration macht. Da nur [H+] T bestimmt werden kann, sollte [H+] F mit [SO2-4] und der Stabilitätskonstanten HSO-4, KS: geschätzt werden.
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Es ist jedoch schwierig, KS in Meerwasser abzuschätzen, was den Nutzen einer einfacheren freien Skala einschränkt.
Eine andere Skala, bekannt als Meerwasserskala, oft auch als pHSWS bezeichnet, berücksichtigt die weitere Protonenbindung zwischen Wasserstoffionen und Fluoridionen, H+ + F- ⇌HF. Das Ergebnis ist folgender Ausdruck für [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Der Vorteil der Berücksichtigung dieser zusätzlichen Komplexität hängt jedoch vom Fluorgeh alt des Mediums ab. Zum Beispiel werden in Meerwasser Sulfationen in viel höheren Konzentrationen (> 400 Mal) als die Konzentrationen von Fluor gefunden. Infolgedessen ist der Unterschied zwischen der gewöhnlichen Skala und der Meerwasserskala für die meisten praktischen Zwecke sehr gering.
Die folgenden drei Gleichungen fassen die drei pH-Skalen zusammen:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Aus praktischer Sicht unterscheiden sich die drei pH-Skalen einer sauren Umgebung (oder Meerwasser) in ihren Werten bis zu 0,12 pH-Einheiten, und die Unterschiede sind viel größer, als es normalerweise für die Genauigkeit erforderlich ist pH-Messungen, insbesondere in Bezug auf das Karbonatsystem Ozean.
