Водоро́дный показа́тель, pH (произносится «пэ аш», английское произношение англ. pH — piː’eɪtʃ «Пи эйч») — мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр:
Содержание
История
Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную −lgX, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H + ), или, точнее, термодинамическую активность гидроксоний-ионов.
Уравнения, связывающие pH и pOH
Вывод значения pH
В чистой воде при 25 °C концентрации ионов водорода ([H + ]) и гидроксид-ионов ([OH − ]) одинаковы и составляют 10 −7 моль/л, это напрямую следует из определения ионного произведения воды, которое равно [H + ] · [OH − ] и составляет 10 −14 моль²/л² (при 25 °C).
Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксид-ионов соответственно уменьшается, при добавлении основания — наоборот, повышается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда [H + ] > [OH − ] говорят, что раствор является кислым, а при [OH − ] > [H + ] — щелочным.
Для удобства представления, чтобы избавиться от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который собственно и является водородным показателем — pH.
Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина — показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH − :
как в любом водном растворе при 22 °C , очевидно, что при этой температуре:
Значения pH в растворах различной кислотности
Методы определения значения pH
Для определения значения pH растворов широко используют несколько методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением кислотно-основного титрования.
0.001 моль/Л HCl при 20 °C имеет pH=3, при 30 °C pH=3
0.001 моль/Л NaOH при 20 °C имеет pH=11.73, при 30 °C pH=10.83
Влияние температуры на значения pH объясняется различной диссоциацией ионов водорода (H + ) и не является ошибкой эксперимента. Температурный эффект невозможно компенсировать за счет электроники pH-метра.
Роль pH в химии и биологии
Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.
Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.
Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма.
См. также
Комментарии
Об источнике
В переводе по сравнению с оригиналом внесены некоторые исправления, сделанные автором для русского издания, и выпущено описание приборов, производимых американскими фирмами.
Кроме того, мы сочли полезным сделать два добавления, помещённые после X главы. Первое дополнение — о современном состоянии теории стеклянного электрода — написано Б. П. Никольским, М. М. Шульцем и А. А. Белюстиным, и второе — о разработке, исследовании и применении стеклянных электродов с металлическими функциями — М. М. Шульцем и А. А. Белюстиным. В этих дополнениях изложены результаты последних работ советских авторов в области теории стеклянного электрода и, в частности, описываются стеклянные электроды с металлическими функциями, пригодные для определения концентрации (активности) ионов натрия, калия, лития и др.
В книге дается очень краткое изложение вопроса об абсолютных потенциалах электродов. Мы считали необходимым отослать читателя к классическим работам школы А. Н. Фрумкина, в которых наиболее исчерпывающим образом разработана эта проблема.
. Некоторые трудности представлял перевод терминов. Так, например, выражения: «operational pH scale» (англ. операционная шкала pH ), «operational definition of the measured pH» (англ. рабочее определение величины pH ) мы перевели: «инструментальная шкала pH» и «инструментальное определение величины pH», поскольку термин «инструментальный» в этом смысле уже получил распространение среди русских специалистов по pH-метрии.
В 1965 году Роджер Бейтс пишет проф. Б. П. Никольскому и проф. М. М. Шульцу:
Глубокоуважаемые профессора Никольский и Шульц!
Занимаясь стандартизацией измерений pH, я смог по достоинству оценить ваши превосходные работы по стеклянному электроду, которые значительно расширили понимание механизма действия иона водорода. Я надеюсь в скором времени получить возможность побывать в вашей стране в связи с Московским конгрессом Международного союза общей и прикладной химии. Я был бы очень признателен вам, если бы смог посетить ваш институт и познакомиться с вами. Предполагая, что сессия конгресса закончится 18 июля, я надеюсь быть в Ленинграде 19 июля. Возможно ли моё посещение Вашего института 20 или 21 июля? Я хорошо знаком также с некоторыми работами доктора Л. Л. Макарова и, если это удобно, хотел бы встретиться и с ним.
С наилучшими пожеланиями искренне Ваш Роджер Г.Бейтс, руководитель отдела электрохимического анализа Национального бюро стандартов. [4]
Уровень активности ионов водорода в воде является одним из важнейших факторов, влияющих на оценку качества жидкости. Именно от данного критерия зависит уровень кислотно-щелочного баланса и направленность биохимических реакций, которые будут происходить в организме после употребления этой жидкости. В данной статье мы подробнее остановимся на вопросе, что такое pН воды, каким образом его определяют, а также же как повысить или понизить pН воды.
Из этой статьи вы узнаете:
Какова норма pН воды
Чем грозит низкий уровень pH воды
Как измерить pН воды
Что такое pН воды
Показатель pH является единицей активности иона водорода, которая равна обратному логарифму активности водородных ионов. Так, например, вода, pH которой составляет 7, обладает 10–7 моль на один литр ионов водорода. Следовательно, жидкость с pH равном 6 – 10–6 моль на один литр. Шкала показателей pH при этом варьирует в диапазоне от 0 до 14. Если pH воды менее 7, то она является кислой, а если более 7 – тогда щелочной. Норма pH для поверхностных водных систем составляет 6,5–8,5, для подземных – 6–8,5.
Показатель pH воды равняется 7 при 25 °С, но при взаимодействии с диоксидом углерода в атмосфере данное значение будет составлять 5,2. Уровень pH тесно связан с атмосферным газом и температурой, поэтому воду следует проверить в самые короткие сроки. pH воды не сможет дать полной характеристики и повода для ограничения подачи воды.
Когда в воде растворяются различные химические вещества, то данный баланс подлежит изменению, что, в свою очередь, провоцирует изменение показателя pH. Если в воду добавить кислоту, концентрация ионов водорода возрастает, и концентрация гидроксид-ионов, в свою очередь, понижается. Если в жидкость добавить щелочь, тогда концентрация гидроксид-ионов возрастает, а содержание ионов водорода понижается.
Статьи, рекомендуемые к прочтению:
Уровень pН воды показывает уровень кислотности или щелочности среды, а кислотность и щелочность характеризуется количественным содержанием в воде элементов, нейтрализующих щелочь и кислоту. Так, например, температура отражает уровень нагрева вещества, но не количественный показатель тепла. Если мы коснемся воды рукой, то мы определим, теплая она или холодная, но мы не сможем сказать, какое количество тепла в ней содержится (другими словами, сколько потребуется времени для того, чтобы вода остыла).
Показатель pH – один из основных качественных характеристик воды. Он отражает кислотно-щелочной баланс и определяет, каким образом будут происходить те или иные биологические и химические процессы. Величиной pH воды определяется скорость протекания той или иной химической реакции, уровень коррозионной агрессивности жидкости, степень токсичности загрязняющего вещества и многие другие факторы. Более того, кислотно-щелочной баланс среды организма определяет наше состояние здоровья, настроение и самочувствие.
Различают следующие группы воды, в зависимости от показателя pH:
Контролировать уровень pН воды необходимо на каждом этапе очистки жидкости, поскольку смещение баланса может негативно отразиться на вкусовых качествах, запахе и оттенке воды, а также снизить эффективность ее очистки.
Каков нормальный pН воды
Из-за стремительного темпа современной жизни, неправильного питания, нарушения пищевого и питьевого режимов уровень pН в организме человека падает. Так, кислотно-щелочной баланс смещается в сторону повышенной кислотности (pН до значения 7 подразумевает кислую среду, и до 14 – щелочную, соответственно, чем ниже данный уровень, тем выше кислотность), что может привести к серьезным заболеваниям. Решать эту проблему можно с помощью ежедневного употребления минеральной воды с оптимальным уровнем активности ионов водорода. Именно поэтому важно знать, какая величина pН является нормой для воды, которую вы регулярно употребляете в пищу.
Итак, какой должен быть pН воды? Профессионалы утверждают, что эта величина должна ориентировочно соответствовать нормальному показателю pН крови человека (7,5). Именно поэтому для питьевой воды норму pН рассчитывают от 7 до 7,5. Благодаря чистой питьевой воде с нормальным показателем активности ионов водорода улучшаются обменные процессы в организме, увеличивается общая продолжительность жизни и оптимизируется обмен кислорода. И наоборот, из-за сладких, газированных и содержащих красители напитков уменьшается pН человеческой крови, что можно сразу заметить по неприятной сухости во рту.
Поэтому лучше всего отдавать предпочтение воде с «правильным» показателем pН. Вы всегда сможете найти эту информацию на этикетке любой бутылки. Никакой фильтр с наполнителями и абсорбентами не сможет заменить настоящую природную воду с оптимальным уровнем pН. Некоторые пытаются понизить кислотность воды pН и придать жидкости полезные свойства, добавляя лимонный или огуречный сок, тем не менее это далеко не всегда оказывает должный эффект. Еще один известный способ изменения pН воды – это электролиз, который позволяет получить в двух емкостях щелочную и кислую воду. Щелочная вода с высоким pН считается «живой», ее используют для лечения, а кислая – «мертвой», которую чаще всего используют для умывания.
Тем не менее такие способы не подойдут для ежедневного использования. В этой ситуации остается только одно рациональное решение – отдать предпочтение слабоминеральной природной воде с необходимым для здоровья уровнем кислотности.
Измерение pН воды
Не стоит забывать о том, что человеческий организм на целых 70 % состоит из воды! Продукты обмена веществ в клетках представляют собой кислоты, в то время как основная масса внутренних жидкостей организма, за исключением желудочной кислоты, слабощелочные. Особое значение при этом имеют показатели крови. Организм человека нормально функционирует, если его кровь слабощелочная, и величина ее pН составляет от 7,35 до 7,45.
В том случае, когда в кровь и межклеточную жидкость попадает большое количество кислот, происходит нарушение кислотно-щелочного баланса. Даже небольшое отклонение уровня pН от данных показателей (от 7,35 до 7,45) может привести к серьезному нарушению здоровья. Если продолжается процесс повышения кислотности крови и дальнейшее понижение значения pН до 6,95, то наступает кома и возникает настоящий риск для жизни человека! Именно по этой причине необходимо отслеживать величину pН питьевой воды, которая является одной из важнейших показателей ее качества!
Уровень pН воды вы сможете определить самостоятельно, в домашних условиях. В качестве прибора для измерения pН воды вы можете использовать лакмусовую (индикаторную) бумагу, которая меняет свой оттенок при кратковременном погружении в изучаемую среду. Так, при погружении в кислотную среду лакмусовая полоска приобретает красный оттенок, а в щелочную – синий. Далее следует сравнить получившийся цвет с цветной шкалой, в которой для каждого оттенка соответствует конкретный уровень pН, чтобы определить данный показатель у исследуемой жидкости. Данный метод определения pН является самым простым и дешевым.
Для наиболее точного определения уровня pН используют pН-метр для воды. Данный прибор для определения pН воды более дорогостоящий, чем лакмусовая бумага, тем не менее он определяет уровень pН жидкости в точности до сотых!
РН-метры для воды бывают бытовыми (портативными) и лабораторными. Чаще всего используют первый вариант, мы остановимся на них подробнее. Они различаются:
Степенью защиты от воды.
Наличием (или отсутствием) автоматической калибровки.
Последний параметр определяется количеством калибруемых точек (1 или 2). Точками называют буферные растворы, с помощью которых и производят калибровку РН-метра. Рекомендуем приобрести прибор с автоматической калибровкой.
Существуют специальные тест-полоски, определяющие уровень pН-среды. Такие полоски очень удобны в использовании. Их упаковка оснащена шкалой, с помощью которой определяют концентрацию водородных ионов. Но такие тест-полоски не так часто появляются в продаже, при этом они довольно дорогостоящие.
При всех своих преимуществах pН-метры для воды также отличаются сравнительно высокой ценой.
Вы можете воспользоваться самодельными тест-полосками, чтобы определить pН воды.
Существуют различные вещества, которые меняют свой цвет в зависимости от содержания водородных ионов в жидкости. Например, чай вместо коричневого оттенка приобретает желтый, если в него добавить ломтик лимона.
Таким же образом меняют свой цвет, в зависимости от содержания водородных ионов, вишневый, смородинный соки и т. д. В природе существует огромное количество таких органических индикаторов. И на основе таких индикаторов создают самодельные тест-полоски, которые позволяют определить pН воды.
Мы воспользуемся веществом, входящим в состав красной цветной капусты. Данный овощ содержит пигмент anthocyanin, относящийся к категории флавоноидов. Именно он отвечает за оттенок сока капусты и меняет его, в зависимости от уровня кислотности.
Антоцианы в кислой среде приобретают красный оттенок, а в щелочной – синий, в фиолетовый они окрашиваются, находясь в нейтральной среде. Аналогичными свойствами обладает и пигмент свеклы.
Для проведения эксперимента вам потребуется половина качана красной цветной капусты среднего размера, который следует мелко нарезать. Затем нарезанную капусту необходимо положить в емкость и залить литром воды. Затем вскипятите воду и оставьте данное зелье вариться в течение 20–30 минут.
За это время часть жидкости испарится, и вы получите отвар насыщенного фиолетового оттенка. Затем остудите зелье и приготовьте основу для теста.
Идеальным вариантом в этом случае послужит белая принтерная бумага, которая не будет вносить погрешности в цвет жидкости. Также ее преимущество заключается в том, что она хорошо впитывает отвар индикатора. Бумага должна быть нарезана полосками ориентировочно 1×5 см.
Перед тем как вы будете определять уровень pН воды, необходимо пропитать тест-полоски индикаторным раствором. Для этого процедите остывший отвар сквозь марлю и опустите в него бумагу. Следите за тем, чтобы тест-полоски пропитались равномерно. Пропитывать бумагу следует в течение 10 минут. В результате бумага должна приобрести бледно-сиреневый оттенок.
Далее просушите тест-полоски, разложив их на чистой бумаге или развесив на бельевой веревке.
Когда бумага, пропитанная отваром, высохнет, вы можете приступать к определению уровня pН воды. Затем сложите тест-полоски в коробку или полиэтиленовый пакетик, чтобы уберечь их от влаги.
Использовать данный метод определения уровня pН очень легко. Возьмите пипетку и капните одну-две капли испытуемого раствора на тест-полоску. Подождите одну-две минуты, чтобы индикатор вступил в реакцию с бумагой. В зависимости от показателя pН воды бумага приобретет определенный оттенок, который следует сравнить с цветной шкалой, имеющей следующий вид:
Вода является средой, в которой растворяются органические и неорганические химические вещества, и обладает способностью распадаться на ионы. Одна молекула отдает свой протон другой, поэтому в воде постоянно находится некоторое количество положительно заряженных ионов водорода H и отрицательно заряженных гидроксид-ионов OH. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.
Говоря об ионе водорода, делается упрощение, так как на самом деле положительно заряженный ион в воде — это ион гидроксония H3O. Он образуется из целой молекулы воды и протона, оторванного от другой молекулы. Чем больше таких ионов в воде, тем больше и ее кислотность.
Ионы очень подвижны и постоянно переходят от одной молекулы к другой. Таким образом, процесс распада и процесс соединения в новую молекулу идут постоянно и уравновешивают друг друга, т. е. диссоциация воды находится в равновесии.
С. Сёренсен руководил химико-физиологической лабораторией при пивоваренном заводе Carlsberg, где разработал шкалу для измерения показателя pH. На ее основе были созданы специальные приборы: pH-метры, которые применяются для измерения кислотности растворов и жидкостей в промышленности, и ацидогастрометры для диагностики желудочно-кишечных заболеваний в медицине.
Важно не путать pH с понятиями кислотности и щелочности. Главное различие заключается в том, что pH — это показатель не количества, а активности.
Он отражает степень кислотности или щелочности среды, а не количественное содержание в воде химических веществ. В разбавленных растворах мера активности эквивалентна концентрации, поэтому при определенном допущении один термин заменяют другим.
Влияние pH на свойства среды
При попадании в воду многих химических соединений происходит их гидролиз. Растворяемое вещество распадается на катионы и анионы, которые могут соединяться с ионами, получившимися в результате диссоциации воды. При этом получается смещение равновесия диссоциации воды. Показатель pH определяет, в какую сторону оно произошло. Если pH 7 — щелочная.
Показатель pH влияет на протекание химических реакций как на производстве, так и в природе и является универсальным показателем состояния среды. С помощью его контроля производят все виды горючего, краски, удобрения, средства личной гигиены и косметику. В пищевой промышленности проверяется качество изготовления напитков, молокопродуктов, изделий из злаков. Все живые обитатели природных почв и вод могут жить только при определенных значениях водородного показателя, от него же зависит и урожайность многих растений, поэтому ведется наблюдение за pH в почвоведении и земледелии, особенно в гидропонике.
При этом обычно необходимо поддерживать постоянное значение pH в течение длительного времени. Для этого используют так называемые буферные растворы. Они представляют собой смеси слабого основания и его соли или слабой кислоты и ее соли, в которых мера активности ионов водорода постоянна и устойчива.
Измерение водородного показателя
Формулы для расчета pH зависят от того, к какому классу относится химическое вещество, входящее в исследуемый раствор, и приведены в специальных справочниках. Более точное значение получают другими методами. Цели и условия проведения исследований определяют, как будет измеряться водородный показатель.
Индикаторные способы
Приблизительно оценить меру активности ионов водорода можно с помощью кислотно-основных индикаторов. Такие вещества обычно относятся к органическим соединениям и имеют свойство изменять свой цвет в разных средах:
Изменение происходит для каждого индикатора в своём диапазоне кислотности, обычно составляющем 1—2 единицы. При этом методе результат можно получить быстрый и наглядный при небольших затратах, но недостаточно точный, с большой погрешностью при исследовании очень слабых растворов, окрашенных или мутных вод. Используется, когда нужно найти предварительное определение pH.
Более широкий диапазон и выше точность у универсального индикатора. Он соединяет в себе несколько индикаторов и градуируется в соответствии со значениями pH от единицы до десяти. Соответствие значения водородного показателя и цвета:
Аналитический объемный метод
Кислотно-основное титрирование — метод определения водородного показателя среды с помощью так называемых титрантов. В основном для этого используются сильные кислоты (серная, соляная) и сильные щелочи (едкий калий, каустическая сода).
Раствор-титрант добавляют в исследуемую жидкость по каплям. При этом они вступают в химическую реакцию. Когда она завершается, наступает точка эквивалентности, т. е. момент отчетливого изменения окраски исследуемого раствора. По установленному в результате опыта объему титранта, необходимому для получения точки эквивалентности, и известному значению его концентрации можно рассчитать pH с высокой точностью.
Измерительный прибор pH-метр
Ионометрический метод, при котором кислотный показатель можно измерить с помощью специализированного прибора — pH-метра, является наиболее точным (до сотых от единицы pH), удобным и имеет широкий диапазон измерения. PH-метр представляет собой милливольтметр, способный измерять разность потенциалов со стеклянных электродов. У него также есть система пересчета напряжения в pH.
В исследуемый раствор погружают индикаторный электрод и электрод сравнения, замыкая таким образом гальваническую цепь. Величина электродвижущей силы в ней зависит от активности ионов H+ в растворе, т. е. является функцией только его pH. Индикаторный электрод состоит из стеклянной трубки, заполненной специальной суспензией в растворе соляной кислоты, и погруженной в нее серебряной проволоки.
Полезный сигнал возникает на границе соприкосновения раствора и индикаторного электрода и передается через металлический проводник на вход pH-метра. Таким способом можно измерять pH любых жидкостей, в том числе непрозрачных и цветных.
Специализированный прибор, применяемый в медицине для исследований pH жидкостей желудочно-кишечного тракта, называется ацидогастрометром. Включает в себя регистрирующий блок и один или несколько зондов. Для измерения уровня pH таких биологических жидкостей, как слюна и моча, применяются электронные pH-метры.
Кислотно-щелочной баланс человека
Организмом человека вырабатываются разные жидкости, каждая из которых должна иметь определенное значение pH. Отклонение в ту или иную сторону может привести к развитию множества серьезных заболеваний. Вовремя обнаруженные изменения можно исправить, если повысить или понизить кислотность потребляемых продуктов и питьевой воды. Механизм регулирования пропорционального соотношения кислот и щелочей в клеточных и межклеточных жидкостях называют кислотно-щелочным балансом (равновесием). По значению pH можно определить, в каком состоянии находятся многие органы человека.
На pH почек и печени оказывают влияние не только метаболические процессы в самом организме, но также пища и вода. Излишнюю кислотность потребленных продуктов организм выводит через мочу. Низкий уровень pH мочи говорит о том, что почки работают на пределе. Когда излишняя кислота не может быть выведена из организма естественным путем, она скапливается в подкожной жировой прослойке, имеющей кислотный pH. Это приводит к излишнему весу. В борьбе с этим явлением помогает щелочная вода, снижая нагрузку на почки.
В желудке среда резко кислая, в момент пищеварения pH равен 1,8−3. Вопреки распространненому мнению, причиной таких неприятных симптомов, как изжога и дискомфорт в желудке, является пониженная, а не повышенная кислотность желудочного сока. Нормальный уровень pH создает благоприятные условия для развития правильных бактерий и запускает механизм переваривания пищи, а болезнетворные микроорганизмы и гельминты расщепляются пищеварительными ферментами.
pH крови организм поддерживает в постоянном состоянии на уровне 7,4—7,45. Малейшее отклонение его от нормы может привести к тяжелым последствиям для человека. При понижении pH ниже 7,35 возникает ацидоз. При превышении нормы — алкалоз. Это не самостоятельные заболевания, они свидетельствуют о нарушениях в работе легких, почек, печении. Такие состояния сопровождаются очень опасными для здоровья симптомами, приводящими иногда даже к коме. По мнению врачей, ацидоз переносится легче алкалоза.
Кровеносные сосуды питают слюнные железы, поэтому за уровнем pH крови можно следить по pH слюны. Поддержание кислотно-щелочного баланса в кровеносной системе — это важнейшая функция организма человека. Внешние факторы не оказывают влияния на pH крови, он регулируется только внутренними механизмами тела человека:
Таким образом, хотя кислотный показатель крови совершенно не подвержен внешнему влиянию, механизмы его поддержания на нужном уровне имеют зависимость от того, чем человек питается и какую воду пьет. Мясо и молоко повышают общую кислотность организма, а зелень и зеленые овощи лучше всего нейтрализуют ее. Кислотность и щелочность различных пищевых продуктов можно узнать из специальных таблиц. Оптимальное значение pH для воды находится в пределах от 6 до 9.
Придерживаясь принципов правильного питания для поддержания кислотно-щелочного равновесия в своем организме, человек надолго сохранит молодость, красоту и здоровье.
, очевидно, что при этой температуре:
