pH چیست؟

pH معیاری از میزان اسیدی یا بازی بودن یک ماده است. مقدار عددی pH بین 0 تا 14 است که مقدار نسبی یون‌های هیدروژن و هیدروکسید را در آب اندازه‌گیری می‌کند. آبِ با غلظتِ یون هیدروژنِ (پروتون) بیشتر از هیدروکسید، اسیدی است. از طرف دیگر، آبی که غلظت یون هیدروکسید بیشتری نسبت به یون هیدروژن دارد، بازی یا قلیایی است.

آب به دلیل ماهیت آمفوتریک (یعنی هم به عنوان اسید و هم به عنوان باز عمل می‌کند) و همیشه به صورت مولکول‌های H₂O باقی نمی‌ماند. در واقع، دو مولکول آب واکنش داده و یون‌های هیدرونیوم و هیدروکسید را تشکیل می‌دهند:

H₂O(l)  ⇌  H₃O⁺ (aq) + OH⁻ (aq)

به این فرایند خودیونش آب نیز می‌گویند. غلظت ⁺H₃O و ^–OH در آب خالص به دلیل نسبت استوکیومتری 1:1 معادله شیمیایی بالا برابر با یک است. در دمای 25 درجه سانتیگراد مولاریته هر دو گونه ⁺H₃O و ^–OH در آب نیز برابر با ^7- 10 × 1.0 مولار است.

بنابراین، ثابت آب (K_w) برای نشان دادن شرایط تعادلی فرایند خودیونش آب ایجاد شده است. حاصل ضرب مولاریته یون هیدرونیوم و هیدروکسید همیشه ^14- 10 × 1.0 است.

K_w = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0×10^-14

این معادله برای تمام محلول های آبی نیز صدق می‌کند. با این حال، K_w در دماهای مختلف تغییر می کند، که بر محدوده pH که در زیر بحث شده است تأثیر می‌گذارد.

⁺H₃O و ⁺H اغلب به جای هم برای نشان دادن پروتون هیدراته استفاده می‌شود که معمولاً یون هیدرونیوم نامیده می‌شود.

معادله شیمیایی تعادل آب:

^–H₂O ⇌ H⁺ + OH

اگر اسید (⁺H) به آب اضافه شود، تعادل به سمت چپ جابجا خواهد شد و غلظت یون ^–OH کاهش می‌یابد. اگر باز (^–OH) به آب اضافه شود، تعادل باز به سمت چپ جابجا خواهد شد و غلظت یون ⁺H کاهش خواهد یافت.

فرمول محاسبه pH

ثابت آب محدوده مقیاس pH را تعیین می‌کند. برای درک اینکه pK_w چیست، مهم است که ابتدا بدانیم “p” در pOH و pH به چه معناست. سورن سورنسون، بیوشیمیدان دانمارکی، اصطلاح pH را برای اشاره به «پتانسیل یون هیدروژن» پیشنهاد کرد. این دانشمند “p” را به عنوان منفی لگاریتم، log-، از [⁺H] تعریف کرد. بنابراین pH منفی لگاریتم مولاریته ⁺H است. pOH منفی لگاریتم مولاریته ^–OH و pK_w منفی لگاریتم ثابت آب است. این تعاریف معادلات زیر را به دست می‌دهند:

pH = −log [H⁺]

pOH = −log [OH⁻]

pK_w = −log [K_w]

K_w = 1.0 × 10⁻¹⁴                    pK_w =14           pK_w = pH + pOH = 14

محدوده pH

محدوده pH از 0 تا 14 است.

• محلولی با یون‌های ^–OH بیشتر از یون ⁺H، بازی (قلیایی) است. برای محلول‌های آبی در دمای 25 درجه سانتیگراد pH > 7 را شامل می‌شود.
• محلولی با یون‌های ⁺H بیشتر از یون‌های ^–OH ، اسیدی است. برای محلول‌های آبی در دمای 25 درجه سانتیگراد با pH < 7 مطابقت دارد.
• محلولی با غلظت یکسان یون ⁺H و یون ^–OH ، خنثی است. برای محلول‌های آبی در دمای 25 درجه سانتیگراد که با pH = 7 مطابقت دارد.

مقیاس pH لگاریتمی است، به این معنی که افزایش یا کاهش یک عدد صحیح، غلظت را ده برابر تغییر می‌دهد. به عنوان مثال، pH=3، ده برابر اسیدی‌تر از pH=4 است. به همین ترتیب، pH=3 صد برابر اسیدی‌تر از pH=5 است. به طور مشابه pH=11 ده برابر قلیایی‌تر از pH=10 است.

نحوه اندازه‌گیری pH

pH معمولاً با دستگاه pH متر دیجیتالی اندازه‌گیری می‌شود که اساس کار آن به تفاوت نیروی الکتروموتور (emf) بین الکترودهای قرار داده شده در محلول مورد آزمایش مربوط است. این دستگاه‌های قابل حمل را می‌توان به راحتی به محل آزمایش بُرد. دستگاه‌های بزرگ نیز برای اندازه‌گیری pH در آزمایشگاه‌ها موجود است.

کاغذهای pH جایگزین ارزان‌تری هستند که اغلب برای اندازه‌گیری pH در آنالیزهای کیفی استفاده می‌شود و نتایج سریعی به دست می‌دهد.

اهمیت اندازه‌گیری pH

در علم پزشکی داشتن pH مناسب در خون و سایر مایعات بدن برای عملکرد صحیح بدن ضروری است. در کشاورزی، pH برای تعیین اسیدیته خاک و تنظیم محتوای اسیدی به منظور مهیا ساختن آن برای کشت محصولات خاص استفاده می‌شود.

مثال‌هایی از مواد اسیدی و قلیایی در زندگی روزمره

PH آبِ خالص 7 است. هنگامی که یک ماده شیمیایی به آن اضافه می‌شود، pH تغییر می‌کند. نمونه‌هایی از مواد اسیدی عبارتند از: سرکه (استیک اسید)، لیمو (سیتریک اسید)، نوشابه و هیدروکلریک اسید. وقتی این مواد به آب خالص اضافه شوند، pH آب به زیر 7 می‌رسد. مقادیر pH پایین می‌تواند باعث خوردگی مواد شده و فلزات را حل کند.

مثال‌هایی از مواد قلیایی عبارتند از صابون، مواد شوینده، جوش شیرین، آمونیاک و بوراکس. اگر که این مواد به آب خالص اضافه شوند، مقدار pH افزایش می‌یابد. pH بالا طعم آب را تلخ می‌کند.

نمونه‌هایی از مواد رایج مانند غذا و مواد شیمیایی و موقعیت آن‌ها در مقیاس pH در شکل زیر نشان داده شده است. رنگ‌های سبز تا قرمز نشان‌دهنده محلول اسیدی، سبز تا بنفش محلول قلیایی و سبزِ خالص نشان‌دهنده خنثی بودن محلول است.