ในวิชาเคมี pH คือมาตราส่วนลอการิทึมที่ใช้กำหนดความเป็นกรดของตัวกลาง นี่คือค่าลอการิทึมฐานลบ 10 โดยประมาณของความเข้มข้นของโมลาร์ ซึ่งวัดเป็นหน่วยโมลต่อลิตรของไฮโดรเจนไอออน นอกจากนี้ยังสามารถเรียกได้ว่าเป็นตัวบ่งชี้ความเป็นกรดของสิ่งแวดล้อม ที่แม่นยำกว่านั้น มันคือลอการิทึมฐาน 10 ลบของกิจกรรมไฮโดรเจนไอออน ที่ 25°C สารละลายที่มีค่า pH น้อยกว่า 7 จะเป็นกรด และสารละลายที่มีค่า pH มากกว่า 7 จะเป็นเบสิก ค่า pH เป็นกลางขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและน้อยกว่า 7 เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น น้ำบริสุทธิ์เป็นกลาง pH=7 (ที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส) ไม่เป็นกรดหรือด่าง ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่นิยม ค่า pH อาจน้อยกว่า 0 หรือมากกว่า 14 สำหรับกรดและเบสที่แรงมาก ตามลำดับ
แอปพลิเคชัน
การวัดค่า pH มีความสำคัญในด้านพืชไร่ ยา เคมี การบำบัดน้ำ และอีกมากมาย
มาตราส่วน pH นั้นสัมพันธ์กับชุดของสารละลายมาตรฐานซึ่งความเป็นกรดกำหนดโดยนานาชาติข้อตกลง. มาตรฐาน pH ปฐมภูมิถูกกำหนดโดยใช้เซลล์ความเข้มข้นของการถ่ายโอนโดยการวัดความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดไฮโดรเจนกับอิเล็กโทรดมาตรฐาน เช่น ซิลเวอร์คลอไรด์ สามารถวัดค่า pH ของสารละลายในน้ำได้ด้วยอิเล็กโทรดแก้วและเครื่องวัดค่า pH หรือตัวบ่งชี้
เปิด
แนวคิด pH เปิดตัวครั้งแรกโดยนักเคมีชาวเดนมาร์ก Søren Peter Laurits Sørensen ที่ห้องปฏิบัติการของ Carlsberg ในปี 1909 และแก้ไขเป็นระดับ pH ปัจจุบันในปี 1924 เพื่อรองรับคำจำกัดความและการวัดในแง่ของเซลล์ไฟฟ้าเคมี ในงานแรกๆ สัญกรณ์มีตัวอักษร H เป็นตัวพิมพ์เล็ก p ซึ่งหมายความว่า pH
ที่มาของชื่อ
ความหมายที่แท้จริงของ p นั้นขัดแย้งกัน แต่ตามที่มูลนิธิ Carlsberg ระบุ pH หมายถึง "พลังของไฮโดรเจน" นอกจากนี้ยังมีการแนะนำว่า p มาจากภาษาเยอรมันว่า potenz ("power") ส่วนคำอื่นๆ อ้างถึงภาษาฝรั่งเศส puisance (ซึ่งหมายถึง "อำนาจ" ด้วย โดยอิงจากข้อเท็จจริงที่ว่าห้องทดลองของ Carlsberg เป็นภาษาฝรั่งเศส) ข้อเสนอแนะอีกประการหนึ่งคือ p หมายถึงคำภาษาละติน Pondus hydroii (ปริมาณไฮโดรเจน), potentio hydroii (ความจุของไฮโดรเจน) หรือ hydroli ที่มีศักยภาพ (ศักยภาพของไฮโดรเจน) นอกจากนี้ยังแนะนำว่า Sørensen ใช้ตัวอักษร p และ q (โดยปกติจะเป็นตัวอักษรผันกันในวิชาคณิตศาสตร์) เพื่อแสดงวิธีแก้ปัญหาทดสอบ (p) และวิธีแก้ปัญหาอ้างอิง (q) ในวิชาเคมี p หมายถึงลอการิทึมทศนิยม และยังใช้ในคำว่า pKa ซึ่งใช้สำหรับค่าคงที่การแยกตัวของความเป็นกรดของตัวกลาง
เงินสมทบอเมริกัน
นักแบคทีเรียวิทยา อลิซ อีแวนส์ ซึ่งเป็นที่รู้จักจากอิทธิพลของงานของเธอเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์นมและความปลอดภัยของอาหาร ให้เครดิตวิลเลียม แมนส์ฟิลด์ คลาร์กและเพื่อนร่วมงานของเขาในการพัฒนาวิธีการวัดค่า pH ในปี 1910 ซึ่งต่อมามีผลกระทบในวงกว้างต่อห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม ใช้. ในบันทึกความทรงจำของเธอ เธอไม่ได้พูดถึงว่าคลาร์กและเพื่อนร่วมงานของเขารู้งานของโซเรนเซ่นมากน้อยเพียงใดในปีก่อนๆ ในช่วงเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษาปัญหาความเป็นกรด/ความเป็นด่างของสิ่งแวดล้อมอย่างแข็งขัน
อิทธิพลของกรด
ดร.คลาร์กสนใจผลของกรดต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย และด้วยเหตุนี้ เขาได้เสริมแนวคิดของวิทยาศาสตร์ในขณะนั้นเกี่ยวกับดัชนีไฮโดรเจนของความเป็นกรดของสิ่งแวดล้อม เขาพบว่าความเข้มข้นของกรดในแง่ของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนที่ส่งผลต่อการเจริญเติบโต แต่วิธีการที่มีอยู่สำหรับการวัดความเป็นกรดของตัวกลางเป็นตัวกำหนดปริมาณ ไม่ใช่ความเข้มข้นของกรด จากนั้นร่วมกับเพื่อนร่วมงาน ดร. คลาร์กได้พัฒนาวิธีการที่แม่นยำในการวัดความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน วิธีการเหล่านี้ได้เข้ามาแทนที่วิธีการไทเทรตที่ไม่ชัดเจนสำหรับการวัดค่ากรดในห้องปฏิบัติการทางชีววิทยาทั่วโลก นอกจากนี้ยังพบว่าสามารถนำมาใช้ในอุตสาหกรรมและกระบวนการอื่น ๆ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย
การปฏิบัติ
วิธีการวัดค่า pH แบบอิเล็กทรอนิกส์วิธีแรกคิดค้นโดย Arnold Orville Beckman ศาสตราจารย์ที่ California Institute of Technology ในปี 1934 ณ จุดนี้เองที่คนปลูกส้มในท้องถิ่นSunkist ต้องการวิธีที่ดีกว่าในการทดสอบค่า pH ของมะนาวที่เก็บเกี่ยวจากสวนใกล้เคียงอย่างรวดเร็ว คำนึงถึงอิทธิพลของความเป็นกรดของตัวกลางเสมอ
ตัวอย่างเช่น สำหรับสารละลายที่มีกิจกรรมของไฮโดรเจนไอออน 5 × 10–6 (ที่ระดับนี้ คือ จำนวนโมลของไฮโดรเจนไอออน ต่อลิตรของสารละลาย) เราจะได้ 1 / (5 × 10-6)=2 × 105 ดังนั้น สารละลายดังกล่าวจะมี pH เท่ากับ 5.3 เชื่อกันว่ามวลของ โมลของน้ำ โมลของไฮโดรเจนไอออน และโมลของไฮดรอกไซด์ไอออนมีค่าเท่ากับ 18 g, 1 g และ 17 g ตามลำดับ ปริมาณน้ำบริสุทธิ์ 107 โมล (pH 7) ประกอบด้วยไฮโดรเจนไอออนที่แยกตัวออกจากกันประมาณ 1 กรัม (หรือ แม่นยำยิ่งขึ้น H3O + ไฮโดรเนียมไอออน 19 กรัม) และไฮดรอกไซด์ไอออน 17 กรัม
บทบาทของอุณหภูมิ
โปรดทราบว่าค่า pH ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น ที่ 0 °C ค่า pH ของน้ำบริสุทธิ์คือ 7.47 ที่ 25 °C เท่ากับ 7 และที่ 100 °C เท่ากับ 6.14
ศักย์ไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับ pH เมื่อ pH ถูกกำหนดในแง่ของกิจกรรม การวัดค่า pH ที่แม่นยำถูกนำเสนอในมาตรฐานสากล ISO 31-8
เซลล์กัลวานิกได้รับการกำหนดค่าให้วัดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ระหว่างอิเล็กโทรดอ้างอิงและอิเล็กโทรดสำหรับตรวจจับกิจกรรมไฮโดรเจนไอออนเมื่อทั้งคู่ถูกแช่ในสารละลายที่เป็นน้ำเดียวกัน อิเล็กโทรดอ้างอิงอาจเป็นวัตถุซิลเวอร์คลอไรด์หรืออิเล็กโทรดคาโลเมล อิเล็กโทรดคัดเลือกไฮโดรเจนไอออนเป็นมาตรฐานสำหรับการใช้งานเหล่านี้
เพื่อนำกระบวนการนี้ไปปฏิบัติ ใช้อิเล็กโทรดแก้วแทนอิเล็กโทรดไฮโดรเจนขนาดใหญ่ เขามีอิเล็กโทรดอ้างอิงในตัว นอกจากนี้ยังสอบเทียบกับสารละลายบัฟเฟอร์ที่ทราบการทำงานของไฮโดรเจนไอออน IUPAC แนะนำให้ใช้ชุดโซลูชันบัฟเฟอร์ที่มีกิจกรรม H+ ที่ทราบ สารละลายบัฟเฟอร์ตั้งแต่สองตัวขึ้นไปใช้เพื่อพิจารณาว่าความชันอาจน้อยกว่าอุดมคติเล็กน้อย ในการใช้วิธีการสอบเทียบนี้ อิเล็กโทรดจะถูกจุ่มลงในสารละลายมาตรฐานก่อน และการอ่านมิเตอร์ pH จะถูกตั้งค่าเป็นบัฟเฟอร์มาตรฐาน
ต่อไป
การอ่านจากสารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐานที่สองจะได้รับการแก้ไขโดยใช้การควบคุมความชันให้เท่ากับระดับ pH สำหรับสารละลายนั้น เมื่อใช้สารละลายบัฟเฟอร์มากกว่าสองรายการ อิเล็กโทรดจะถูกปรับเทียบโดยปรับค่า pH ที่สังเกตพบให้เป็นเส้นตรงเทียบกับค่าบัฟเฟอร์มาตรฐาน สารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐานเชิงพาณิชย์มักจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับค่าที่ 25 °C และปัจจัยการแก้ไขที่จะนำไปใช้กับอุณหภูมิอื่นๆ
ลักษณะเฉพาะ
มาตราส่วน pH เป็นลอการิทึม ดังนั้น pH จึงเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ ซึ่งมักใช้ในการวัดความเป็นกรดของสภาพแวดล้อมภายในเซลล์ นี่คือคำจำกัดความดั้งเดิมของ Sorensen ซึ่งถูกแทนที่ในปี 1909
อย่างไรก็ตาม สามารถวัดความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนได้โดยตรง หากปรับเทียบอิเล็กโทรดในแง่ของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน วิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายคือ การไทเทรตสารละลายที่มีความเข้มข้นที่ทราบกรดแก่ด้วยสารละลายของความเข้มข้นที่ทราบของด่างแก่ในที่ที่มีอิเล็กโทรไลต์รองรับที่มีความเข้มข้นค่อนข้างสูง เนื่องจากทราบความเข้มข้นของกรดและด่าง จึงง่ายต่อการคำนวณความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนเพื่อให้ศักย์ไฟฟ้าสัมพันธ์กับค่าที่วัดได้
ตัวชี้วัดสามารถใช้วัดค่า pH ได้โดยใช้ข้อเท็จจริงที่ว่าสีของมันเปลี่ยนไป การเปรียบเทียบสีของสารละลายทดสอบด้วยสเกลสีมาตรฐานด้วยสายตาช่วยให้วัดค่า pH ได้อย่างแม่นยำด้วยจำนวนเต็ม การวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นสามารถทำได้หากวัดสีด้วยเครื่องสเปกโตรโฟโตเมตริกโดยใช้คัลเลอริมิเตอร์หรือสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ ตัวบ่งชี้สากลประกอบด้วยส่วนผสมของตัวบ่งชี้เพื่อให้มีการเปลี่ยนสีถาวรจากประมาณ pH 2 เป็น pH 10 กระดาษตัวบ่งชี้สากลทำจากกระดาษดูดซับที่ชุบด้วยตัวบ่งชี้สากล อีกวิธีหนึ่งในการวัดค่า pH คือการใช้เครื่องวัดค่า pH แบบอิเล็กทรอนิกส์
ระดับการวัด
การวัดค่า pH ต่ำกว่า 2.5 (ประมาณ 0.003 โมลของกรด) และสูงกว่า 10.5 (ประมาณ 0.0003 โมลของด่าง) ต้องใช้ขั้นตอนพิเศษเนื่องจากกฎของ Nernst ละเมิดค่าดังกล่าวเมื่อใช้อิเล็กโทรดแก้ว ปัจจัยต่าง ๆ มีส่วนทำให้เกิดสิ่งนี้ ไม่สามารถสรุปได้ว่าศักยภาพในการเปลี่ยนสถานะของเหลวไม่ขึ้นกับค่า pH นอกจากนี้ ค่า pH ที่สูงเกินไปหมายความว่าสารละลายมีความเข้มข้น ดังนั้นศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดจึงได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความแรงของอิออน ที่ pH สูง อิเล็กโทรดแก้วอาจจะอาจมีค่าอัลคาไลน์ผิดพลาดเนื่องจากอิเล็กโทรดจะไวต่อความเข้มข้นของไอออนบวก เช่น Na+ และ K+ ในสารละลาย มีอิเล็กโทรดที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งสามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้บางส่วน
การไหลบ่าจากเหมืองหรือของเสียจากเหมืองอาจส่งผลให้ค่า pH ต่ำมาก
น้ำบริสุทธิ์เป็นกลาง ไม่เป็นกรด เมื่อกรดละลายในน้ำ ค่า pH จะต่ำกว่า 7 (25°C) เมื่อด่างละลายในน้ำ ค่า pH จะมากกว่า 7 สารละลาย 1 โมลของกรดแก่ เช่น กรดไฮโดรคลอริก มีค่า pH เป็นศูนย์ สารละลายของด่างเข้มข้นเช่นโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ความเข้มข้น 1 โมลมีค่า pH เท่ากับ 14 ดังนั้นค่า pH ที่วัดได้โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0 ถึง 14 แม้ว่าค่า pH เชิงลบและค่าต่างๆ สูงกว่า 14 ค่อนข้างเป็นไปได้
ขึ้นอยู่กับความเป็นกรดของสารละลาย เนื่องจาก pH เป็นมาตราส่วนลอการิทึม ความแตกต่างของหน่วย pH หนึ่งหน่วยจึงเท่ากับความแตกต่างของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนถึงสิบเท่า ค่าความเป็นกลาง PH ไม่ถึง 7 (ที่ 25 °C) แม้ว่าในกรณีส่วนใหญ่จะเป็นการประมาณที่ดี ความเป็นกลางถูกกำหนดให้เป็นเงื่อนไขที่ [H+]=[OH-] เนื่องจากการแยกตัวเป็นไอออนของน้ำทำให้ผลคูณของความเข้มข้นเหล่านี้ [H+] × [OH-]=Kw จะเห็นได้ว่าที่ความเป็นกลาง [H+]=[OH-]=√Kw หรือ pH=pKw / 2.
PKw อยู่ที่ประมาณ 14 แต่ขึ้นอยู่กับความแรงของไอออนและอุณหภูมิ ดังนั้นค่า pH ของตัวกลางก็มีความสำคัญเช่นกัน ซึ่งควรจะเป็นกลางระดับ. น้ำบริสุทธิ์และสารละลายของ NaCl ในน้ำบริสุทธิ์จะเป็นกลางเนื่องจากการแยกตัวของน้ำทำให้เกิดไอออนทั้งสองในปริมาณเท่ากัน อย่างไรก็ตาม pH ของสารละลาย NaCl ที่เป็นกลางจะแตกต่างจาก pH ของน้ำบริสุทธิ์ที่เป็นกลางเล็กน้อย เนื่องจากกิจกรรมของไฮโดรเจนและไฮดรอกไซด์ไอออนขึ้นอยู่กับความแรงของไอออน ดังนั้น Kw จึงแปรผันตามความแรงของไอออน
พืช
รงควัตถุของพืชที่สามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ค่า pH พบได้ในพืชหลายชนิด รวมทั้งชบา กะหล่ำปลีแดง (แอนโธไซยานิน) และไวน์แดง น้ำส้มเป็นกรดเพราะมีกรดซิตริก กรดคาร์บอกซิลิกอื่น ๆ พบได้ในหลายระบบของสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่น กรดแลคติกเกิดจากการทำงานของกล้ามเนื้อ สถานะของโปรตอนของอนุพันธ์ฟอสเฟต เช่น ATP ขึ้นอยู่กับความเป็นกรดของตัวกลาง pH การทำงานของเอนไซม์ถ่ายโอนออกซิเจนของเฮโมโกลบินได้รับผลกระทบจาก pH ในกระบวนการที่เรียกว่าผลกระทบของราก
น้ำทะเล
ในน้ำทะเล ค่า pH ปกติจะจำกัดอยู่ที่ 7.5 ถึง 8.4 ซึ่งมีบทบาทสำคัญในวัฏจักรคาร์บอนในมหาสมุทร อย่างไรก็ตาม การวัดค่า pH นั้นซับซ้อนโดยคุณสมบัติทางเคมีของน้ำทะเล และมีระดับ pH ที่แตกต่างกันหลายระดับในสมุทรศาสตร์เคมี
โซลูชั่นพิเศษ
ในฐานะส่วนหนึ่งของคำจำกัดความการปฏิบัติงานของมาตราส่วนความเป็นกรด (pH) IUPAC กำหนดชุดของสารละลายบัฟเฟอร์ในช่วง pH (มักเรียกว่าNBS หรือ NIST) สารละลายเหล่านี้มีความแรงไอออนิกค่อนข้างต่ำ (≈0.1) เมื่อเทียบกับน้ำทะเล (≈0.7) จึงไม่แนะนำให้ใช้ในการระบุค่า pH ของน้ำทะเล เนื่องจากความแตกต่างของความแข็งแรงของไอออนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรด เพื่อแก้ปัญหานี้ จึงได้พัฒนาชุดบัฟเฟอร์ทางเลือกตามน้ำทะเลเทียม
ชุดใหม่นี้แก้ปัญหาความแตกต่างของกำลังอิออนิกระหว่างตัวอย่างและบัฟเฟอร์ และมาตราส่วน pH ใหม่สำหรับความเป็นกรดปานกลางเรียกว่ามาตราส่วนทั่วไป ซึ่งมักเรียกกันว่า pH กำหนดขนาดโดยรวมโดยใช้สื่อที่มีซัลเฟตไอออน ไอออนเหล่านี้สัมผัสกับโปรตอน H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4 ดังนั้นสเกลทั้งหมดจึงรวมถึงอิทธิพลของโปรตอนทั้งสอง (ไอออนไฮโดรเจนอิสระ) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ไอออน:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
มาตราส่วนอิสระทางเลือก ซึ่งมักเรียกว่า pHF ละเว้นการพิจารณานี้และเน้นเฉพาะที่ [H+]F เท่านั้น ทำให้ตามหลักการแล้วจะแสดงความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนได้ง่ายขึ้น สามารถกำหนดได้เฉพาะ [H+] T ดังนั้น [H+] F ควรประมาณโดยใช้ [SO2-4] และค่าคงที่ความเสถียร HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
อย่างไรก็ตาม มันยากที่จะประมาณค่า KS ในน้ำทะเล ซึ่งจำกัดประโยชน์ของมาตราส่วนฟรีที่ง่ายกว่า
มาตราส่วนอื่นที่เรียกว่ามาตราส่วนน้ำทะเล ซึ่งมักเรียกกันว่า pHSWS จะพิจารณาถึงพันธะโปรตอนเพิ่มเติมระหว่างไฮโดรเจนไอออนและฟลูออไรด์ไอออน H+ + F- ⇌เอช.เอฟ. ผลลัพธ์คือนิพจน์ต่อไปนี้สำหรับ [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
อย่างไรก็ตาม ประโยชน์ของการพิจารณาความซับซ้อนเพิ่มเติมนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณฟลูออรีนของสื่อ ตัวอย่างเช่น ในน้ำทะเล ซัลเฟตไอออนมีความเข้มข้นสูงกว่ามาก (> 400 เท่า) มากกว่าความเข้มข้นของฟลูออรีน ด้วยเหตุนี้ ในทางปฏิบัติส่วนใหญ่ ความแตกต่างระหว่างมาตราส่วนทั่วไปกับมาตราส่วนน้ำทะเลจึงมีขนาดเล็กมาก
สมการสามสมการต่อไปนี้สรุปมาตราส่วน pH ทั้งสาม:
pHF=- บันทึก [H+] FpHT=- บันทึก ([H+] F + [HSO-4])=- บันทึก [H+] TpHSWS=- บันทึก ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- บันทึก [H+]
จากมุมมองเชิงปฏิบัติ ระดับ pH สามระดับของสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด (หรือน้ำทะเล) มีค่าต่างกันมากถึง 0.12 หน่วย pH และความแตกต่างนั้นมากกว่าปกติมากสำหรับความแม่นยำของ การวัดค่า pH โดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับมหาสมุทรของระบบคาร์บอเนต
