مقدمه

pH واحد اندازه گیری است که اغلب در مفاهیم شیمی بنیادی استفاده می‌شود. با یادگیری “نحوه محاسبه pH” نقش آن را زندگی و علم می‌آموزیم. بازه pH، اسیدها و بازها را به اسیدها و بازهای قوی و ضعیف دسته بندی می‌کند. در ادامه با مفهوم انواع محلول‌های اسیدی و بازی آشنا خواهید شد.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

مقیاس pH

مقیاس pH اسیدیته محلول را توصیف می‌کند: محلول اسیدی، خنثی یا بازی. یک محلول با pH کمتر از ۷ اسید، دقیقاً ۷ محلول خنثی و بالاتر از ۷ باز است. بازها یون‌های هیدروژن کمتری دارند اما یون‌های هیدروکسید بیشتری دارند که توسط pOH یا “پتانسیل یون‌های هیدروکسید” نشان داده می‌شوند.

تصویر زیر مقیاس pH را نشان می‌دهد.

با توجه به تصویر بالا می‌توان اسیدهای ضعیف و قوی، بازهای قوی و ضعیف و همچنین محلول‌های خنثی را شناسایی کرد. جدول زیر این تقسیم بندی را مشخص کرده است. این رنگ‌ها شناساگرهای جهانی هستند.

محدوده pH

شرح

رنگ

کمتر از ۳

اسید قوی

قرمز

۳ تا ۶

اسید ضعیف

زرد

۷

خنثی

سبز

۸ تا ۱۱

بازی ضعیف

آبی

بیشتر از ۱۱

باز قوی

بنفش

مدل آرنیوس

اولین تعریف مدرن اسیدها و بازها از نظر مولکولی توسط سوانت آرنیوس Svante Arrhenius ابداع شد. این تئوری هیدروژن اسیدها بود و از سال ۱۸۸۴ با همکاری فردریش ویلهلم استوالد برای ایجاد حضور یون‌ها در محلول آبی به وجود آمد و منجر به دریافت جایزه نوبل شیمی در سال ۱۹۰۳ توسط آرنیوس شد.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

اسید آرنیوس ماده‌ای است که در آب حل می‌شود و یون‌های هیدروژن H+ تشکیل می‌دهد؛ یعنی اسید غلظت یون‌های H+ را در یک محلول آبی افزایش می‌دهد.

باز آرنیوس ماده‌ای است که در آب حل شده و یون‌های هیدروکسیدOH–  تشکیل می‌دهد. یعنی یک باز غلظت یون‌های –OH را در یک محلول آبی افزایش می‌دهد.

بسیاری از دانشمندان دیگر خصوصیات اسیدها و بازها را از ایده‌های سورنسن و آرنیوس بررسی کردند و تعاریف خود را ارائه دادند. نظریه برجسته‌ای به نظریه برونستد-لوری معروف است. مفهوم نظریه Bronsted-Lowry شامل اسید و بازها است که نشان می‌دهد اسیدها به عنوان اهدا کننده پروتون عمل می‌کنند. از آنجا که اتم‌های هیدروژن خنثی معمولاً از یک پروتون و یک الکترون ساخته می‌شوند، یون هیدروژن مثبت اغلب به عنوان پروتون شناخته می‌شود. این پروتون‌ها بار مثبت دارند و به بازها داده می‌شوند. با این منطق بازها، گیرنده‌های پروتون هستند. بازهای حامل جفت الکترون‌های منفرد، یون‌های هیدروژن مثبت (پروتون‌ها) را جذب می‌کنند.

محلول‌های اسیدی

همانطور که مقیاس pH گفته شد، اگر pH پایین تر از عدد ۷ باشد با یک اسید سر و کار داریم. پی اچ پایین‌تر به معنی اسیدی بودن بیشتر و بالاتر بودن غلظت یون‌های هیدروژن است. محلول‌های شیمیایی که ویژگی‌های اسیدها را داشته باشند، اسیدی می‌نامند و پی اچ آنها کمتر از ۷ می‌باشد.

ویژگی‌های اسیدها: اغلب مواد ترش مزه‌ای هستند که خاصیت خورندگی دارند. اسیدها نقطه مقابل بازها هستند و می‌توانند آنها را خنثی کنند. واکنش اسیدها به طور کلی به این صورت نوشته می‌شود:

\large HA\leftrightarrow H^++A^-

که در آن HA اسید و A–  باز مزدوج است و رابطه دو طرفه به معنی تعادلی بودن آن است. در واقع در انحلال تعادلی بین اسیدها و بازها برقرار است که از طریق ثابت تعادل بیان می‌شود. عبارت است از غلظت تعادل مولکول‎‌ها یا یون‌ها واکنشو به صورت زیر نوشته می‌شود:

\large ka=\frac{[H+][A-]}{[HA]}

نکته: هر چه اسید قوی تر باشد ثابت تفکیک بالاتری دارد.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

محلول های بازی

بازها در آب تجزیه می‌شوند و در محلول آبی آن یون‌های هیدروکسید آزاد می‌شود. در نتیجه بازها غلظت یون‌های هیدروکسید را در محلول آبی افزایش می‌دهند. به این محلول‌ها، محلول‌های قلیایی نیز گفته می‌شود. به طور عمومی دارای مزه تلخ هستند و در واکنش با اسیدها نمک تولید می‌کنند.

از انواع بازهای خوراکی می‌توان به اسفناج، خیار و کلم بروکلی اشاره کرد.

خنثی سازی

واکنش اسید با باز را واکنش خنثی سازی می‌نامند. فرآورده‌های این واکنش نمک و آب است.

آب + نمک → باز + اسید

رسانایی الکتریکی محلول‌ها

خوراكی‌ها، شوینده‌ها، داروها، مواد آرایشی و بهداشتی شامل مقادیر متفاوتی از یون هیدرونیوم هستند. غلظت این یون بر روی ماندگاری این مواد و در نتیجه سلامتی تأثیر شایانی دارد. برای نمونه شیر سالم با افزایش غلظت یون هیدرونیوم، ترش شده به طوری كه دیگر قابل نوشیدن نیست. این نمونه نشان می‌دهد كه در فرایند تولید مواد گوناگون اغلب تعیین و كنترل غلظت یون هیدرونیوم نقش مهمی دارد.

در محلول‌های الكترولیت به دلیل وجود یون‌ها و حركت آنها، بارهای الكتریكی جابه‌جا می‌شوند. به طوری كه اگر این محلول‌ها در یك مدار الكتریكی قرار گیرند با حركت یون‌ها به سوی قطب‌های ناهمنام، جریان الكتریكی برقرار می‌شود.

به نظر شما اگر محلول الكترولیت‌های گوناگون در چنین مداری قرار گیرند آیا روشنایی یكسانی در لامپ ایجاد می‌کنند؟ پاسخ منفی به این پرسش نشان می‌دهد كه رسانایی الكتریكی محلول‌های الكترولیت یكسان نیست. در تصویر زیر سه محلول مختلف از لحاظ رسانایی با یکدیگر مقایسه شده اند. همانطور که می بینید اتانول رسانایی ندارد. پتاسیم کلرید درای رسانایی بالایی است و محلول اسید استیک دارای رسانایی پایینی است.

بنابراین طبق مدل آرنیوس، اسید استیک یک اسید ضعیف است.

درجه یونش

فرایندی که در آن یک ترکیب مولکولی به یون‌های مثبت و منفی تجزیه می‌شود، یونش نامیده می‌شود. برای بررسی میزان یونش اسیدها شیمیدان‌ها از درجه یونش استفاده می‌کنند که در واقع شمار مولکل‌های یونش یافته به شمار کل مولکل‌های حل شده است می‌توان به جای شمار مولکول‌ها، غلظت آنها را قرار داد و اینکه به جای درجه یونش از درصد یونش استفاده نمود. اگر اسیدی دارای درصد یونش تقریبا ۱۰۰ باشد، اسید قوی به شمار می‌رود و اگر درصد یونش پایین‌تر از۰۳ درصد باشد اسید ضعیف به شمار می‌رود زیرا درصد کمی از مولکول‌های آن یونش یافته است. اگر درصد یونش بین این دو عدد باشد اسید متوسط محسوب می‌شوند.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

روش‌های اندازه گیری pH در آزمایشگاه

  • با استفاده از شناساگرها
  • با استفاده از دستگاه ph متر یا ph سنج

در آزمایشگاه، pH را می‌توان با یک نشانگر pH مانند کاغذ pH یا کاغذهای قرمز و آبی لیتموس و… تعیین کرد. کاغذ pH معمولاً دارای یک اسید ضعیف یا یک باز ضعیف است که با تغییر رنگ در یک pH خاص پاسخ می‌دهد و دقیق‌تر از کاغذهای لیتموس است. این روش اغلب به عنوان یک روش ارزان و سریع برای تعیین pH استفاده می‌شود.

شناساگر pH یک ترکیب شیمیایی هالوکرومیک است که به مقدار کم به یک محلول اضافه می‌شود بنابراین می‌توان pH  اسیدیته یا بازی بودن محلول را از نظر بصری تعیین کرد. از این رو یک نشانگر pH یک ردیاب شیمیایی برای یون‌های هیدرونیوم یا یون‌های هیدروژن در مدل آرنیوس است. به طور معمول، نشانگر بسته به pH باعث تغییر رنگ محلول می‌شود. شاخص‌ها همچنین می‌توانند تغییر در سایر خصوصیات فیزیکی را نشان دهند. به عنوان مثال، شاخص های بویایی تغییر در بوی آنها را نشان می‌دهد.

تصویر زیر محلول شناساگر جهانی pH را نشان می‌دهد.

 به طور مثال جدول زیر را مشاهده کنید: در این جدول چند نوع شناساگر آورده شده و تغییر رنگ آنها برای محیط بازی و اسیدی نوشته شده است.

شناساگر

در محیط اسیدی

در محیط بازی

تورنسول یا لیتموس

قرمز

آبی

برموتیمول آبی

زرد

آبی

متیل اوانژ

قرمز

زرد

فنول فتالئین

بی رنگ

ارغوانی

برای اندازه گیری دقیق میزان ph محلول‌ها می‌توان از دستگاه ph سنج استفاده نمود. این دستگاه دارای یک الکترود است که با قرار دادن آن در محلول مورد نظر و گذشتن زمان کافی ph محلول را نشان می‌دهد. البته قبل و بعد از استفاده از آن باید با استفاده از آب مقطر شسته شود تا خنثی شود. همچنین الکترود آن باید در محلول KCl قرار بگیرید تا عمر طولانی تر داشته باشد از خشک شدن الکترود جلوگیری شود. دستگاه با استفاده از تبدیل mv به ph، میزان ph را نمایش می‌دهد.

نکته: دستگاه ph متر نیاز به کالیبراسیون و مراقب دوره‌ای دارد و به همین دلیل نسبت به شناساگرها هزینه نگهداری بیشتری دارد.

نکته: به خاطر داشته باشید که محلول‌های با مقدار pH بسیار کم یا بسیار زیاد می‌توانند بسیار سوزاننده باشند و باید با احتیاط کنترل شوند.

در زیر می‌توانید با ph چند محلول که ممکن است روزانه با آنها سر وکار داشته باشیم را آشنا شوید.

آب پرتقال – ۳.۵

چای – ۵.۵

قهوه – ۵

سرکه ۲.۹

اسید معده – ۲

پاک کننده فاضلاب – ۱۳

رقیق سازی محلول‌ها

pH اسیدها و بازهای قوی با اضافه کردن آب مقطر می‌تواند به ترتیب افزایش و کاهش پیدا کند. به این کار رقیق سازی می‌گویند. رقیق سازی باعث می‌شود  pH اسید و باز به سمت pH آب خالص میل پیدا کند.

مثال: اگر pH محلولی از نیتریک اسید را از یک به چهار برسانیم باید سه درجه  pH را افزایش دهیم یعنی آن را به ۱۰۳  مرتبه رقیق کنیم. پس باید آنقدر آب مقطر روی این محلول بریزیم تا حجم آن ۱۰۰۰ برابر شود.

فرمول‌ها و روابط

روابط بین یون‌ها هیدروکسید و هیدروژن بر حسب مقیاس جهانی pH است که در واقع بین ۰ تا ۱۴ متغییر است. در ph=7 غلظت یون هیدروکسید و هیدروژن با هم برابر است و محلول خنثی است. در مورد سایر محلول‌ها روابط زیر صادق است.

\large pH=-log[H_3O^+]

\large pOH=-log[OH^-]

\large [H_3O^-][OH^-]=10^{-14}

\large pH+pOH=14

همچنین غلظت مولار M یک محلول با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:

\large M=C/m

که در آن C  غلظت معمولی (گرم حل شده تقسیم بر حجم) و m جرم مولی است. مثلا پتاسیم هیدروکسید یا KOH دارای جرم مولی ۵۶ است (۳۹+۱۶+۱).

همچنین اگر در مسئله‌ای خنثی شدن اسید و باز مطرح شد می‌توان از رابطه زیر استفاده نمود:

\large M_1\times V_1\times n_1=M_2\times V_2\times n_2

که در این فرمول M غلظت مولار، Vحجم و n ظرفیت اسید و باز می‌باشد و هر دو طرف باید یکای یکسان داشته باشند.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو