In chimica, il pH è una scala logaritmica utilizzata per determinare l'acidità di un mezzo. Questo è approssimativamente il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione molare, misurato in unità di moli per litro di ioni idrogeno. Può anche essere definito un indicatore dell'acidità dell'ambiente. Più precisamente, è il logaritmo negativo in base 10 dell'attività degli ioni idrogeno. A 25°C, le soluzioni con pH inferiore a 7 sono acide e le soluzioni con pH superiore a 7 sono basiche. Il valore di pH neutro dipende dalla temperatura ed è inferiore a 7 all'aumentare della temperatura. L'acqua pura è neutra, pH=7 (a 25°C), né acida né alcalina. Contrariamente alla credenza popolare, il valore del pH può essere inferiore a 0 o maggiore di 14 rispettivamente per acidi e basi molto forti.
Applicazione
Le misurazioni del pH sono importanti in agronomia, medicina, chimica, trattamento delle acque e molte altre aree.
La scala del pH è rilevante per un insieme di soluzioni standard, la cui acidità è stabilita dalla normativa internazionaleaccordo. Gli standard di pH primari vengono determinati utilizzando una cella di concentrazione di trasferimento misurando la differenza di potenziale tra un elettrodo a idrogeno e un elettrodo standard come il cloruro d'argento. Il pH delle soluzioni acquose può essere misurato con un elettrodo di vetro e un pHmetro o indicatore.
Apertura
Il concetto di pH fu introdotto per la prima volta dal chimico danese Søren Peter Laurits Sørensen nel laboratorio di Carlsberg nel 1909 e rivisto all'attuale livello di pH nel 1924 per accogliere definizioni e misurazioni in termini di celle elettrochimiche. Nei primi lavori, la notazione aveva la lettera H in p minuscola, che significa: pH.
Origine del nome
Il significato esatto della p è controverso, ma secondo la Carlsberg Foundation, pH significa "il potere dell'idrogeno". È stato anche suggerito che la p sta per la parola tedesca potenz ("potere"), altri si riferiscono al francese puisance (che significa anche "potere", basato sul fatto che il laboratorio Carlsberg era francese). Un altro suggerimento è che p si riferisca al termine latino pondus hydroii (quantità di idrogeno), potentio hydroii (capacità di idrogeno) o potenziale idroli (potenziale di idrogeno). Si suggerisce anche che Sørensen abbia usato le lettere p e q (di solito lettere coniugate in matematica) semplicemente per denotare la soluzione di prova (p) e la soluzione di riferimento (q). Attualmente, in chimica, p sta per logaritmo decimale, ed è anche usato nel termine pKa, usato per le costanti di dissociazione dell'acidità di un mezzo.
Contributi americani
La batteriologa Alice Evans, nota per l'influenza del suo lavoro sui prodotti lattiero-caseari e sulla sicurezza alimentare, ha accreditato William Mansfield Clark e i suoi colleghi per lo sviluppo di metodi per misurare il pH negli anni '10, che successivamente hanno avuto un ampio impatto sui laboratori e sull'industria utilizzo. Nelle sue memorie, non menziona quanto o quanto poco Clarke ei suoi colleghi sapessero del lavoro di Sorensen negli anni precedenti. Già a quel tempo, gli scienziati stavano studiando attivamente il problema dell'acidità / alcalinità dell'ambiente.
Influenza dell'acido
L'attenzione del dottor Clark era diretta all'effetto dell'acido sulla crescita batterica. E grazie a ciò, ha integrato l'idea dell'allora scienza dell'indice di idrogeno dell'acidità dell'ambiente. Scoprì che era l'intensità dell'acido in termini di concentrazione di ioni idrogeno a influenzare la loro crescita. Ma i metodi esistenti per misurare l'acidità di un mezzo determinavano la quantità, non l'intensità dell'acido. Poi, con i suoi colleghi, il Dr. Clark ha sviluppato metodi precisi per misurare la concentrazione di ioni idrogeno. Questi metodi hanno sostituito il metodo di titolazione impreciso per la determinazione dell'acido nei laboratori biologici di tutto il mondo. È stato anche riscontrato che possono essere utilizzati in molti processi industriali e di altro tipo in cui sono ampiamente utilizzati.
Aspetto pratico
Il primo metodo di misurazione del pH elettronico è stato inventato da Arnold Orville Beckman, professore al California Institute of Technology, nel 1934. Fu a questo punto che nacque l'agrumeto localeSunkist voleva un metodo migliore per testare rapidamente il pH dei limoni raccolti dai frutteti vicini. L'influenza dell'acidità del mezzo è stata sempre presa in considerazione.
Ad esempio, per una soluzione con un'attività degli ioni idrogeno di 5 × 10–6 (a questo livello, questo è, infatti, il numero di moli di ioni idrogeno per litro di soluzione), otteniamo 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Pertanto, tale soluzione ha un pH di 5,3. Si ritiene che le masse di una mole di acqua, una mole di ioni idrogeno e una mole di ioni idrossido sono rispettivamente 18 g, 1 g e 17 g, la quantità di 107 moli pure (pH 7) di acqua contiene circa 1 g di ioni idrogeno dissociati (o, più precisamente, 19 g di H3O + ioni idronio) e 17 g di ioni idrossido.
Il ruolo della temperatura
Nota che il pH dipende dalla temperatura. Ad esempio, a 0 °C il pH dell'acqua pura è 7,47, a 25 °C è 7 e a 100 °C è 6,14.
Il potenziale dell'elettrodo è proporzionale al pH quando il pH è definito in termini di attività. La misurazione accurata del pH è presentata nello standard internazionale ISO 31-8.
Una cella galvanica è configurata per misurare la forza elettromotrice (EMF) tra l'elettrodo di riferimento e l'elettrodo di rilevamento dell'attività degli ioni idrogeno quando entrambi sono immersi nella stessa soluzione acquosa. L'elettrodo di riferimento può essere un oggetto di cloruro d'argento o un elettrodo al calomelano. Un elettrodo selettivo agli ioni di idrogeno è standard per queste applicazioni.
Per mettere in pratica questo processo, viene utilizzato un elettrodo di vetro invece di un ingombrante elettrodo a idrogeno. Luiha un elettrodo di riferimento integrato. È anche calibrato contro soluzioni tampone con attività nota di ioni idrogeno. IUPAC ha suggerito di utilizzare una serie di soluzioni tampone con attività H+ nota. Vengono utilizzate due o più soluzioni tampone per tenere conto del fatto che la pendenza potrebbe essere leggermente inferiore all'ideale. Per implementare questo approccio di calibrazione, l'elettrodo viene prima immerso in una soluzione standard e la lettura del pHmetro viene impostata sul valore del tampone standard.
Quali sono le prospettive?
La lettura della seconda soluzione tampone standard viene quindi corretta utilizzando il controllo della pendenza in modo che sia uguale al livello di pH per quella soluzione. Quando vengono utilizzate più di due soluzioni tampone, l'elettrodo viene calibrato adattando i valori di pH osservati su una linea retta rispetto ai valori tampone standard. Le soluzioni tampone standard commerciali vengono solitamente fornite con informazioni sul valore a 25 °C e sul fattore di correzione da applicare per le altre temperature.
Definizione caratteristica
La scala del pH è logaritmica e, quindi, il pH è una quantità adimensionale, spesso utilizzata, tra l' altro, per misurare l'acidità dell'ambiente interno della cellula. Questa era la definizione originale di Sorensen, che fu sostituita nel 1909.
Tuttavia, è possibile misurare direttamente la concentrazione di ioni idrogeno se l'elettrodo è calibrato in termini di concentrazioni di ioni idrogeno. Un modo per farlo, che è stato ampiamente utilizzato, è titolare una soluzione di concentrazione notaacido forte con una soluzione di una concentrazione nota di un alcali forte in presenza di una concentrazione relativamente alta di un elettrolita di supporto. Poiché le concentrazioni di acido e alcali sono note, è facile calcolare la concentrazione di ioni idrogeno in modo che il potenziale possa essere correlato al valore misurato.
Gli indicatori possono essere usati per misurare il pH sfruttando il fatto che il loro colore cambia. Il confronto visivo del colore della soluzione in esame con una scala cromatica standard consente di misurare il pH con una precisione intera. Sono possibili misurazioni più accurate se il colore viene misurato spettrofotometricamente utilizzando un colorimetro o uno spettrofotometro. L'indicatore universale è costituito da una miscela di indicatori in modo che vi sia un cambiamento di colore permanente da circa pH 2 a pH 10. La carta indicatrice universale è composta da carta assorbente che è stata impregnata con un indicatore universale. Un altro metodo per misurare il pH è utilizzare un pHmetro elettronico.
Livelli di misurazione
La misurazione del pH al di sotto di circa 2,5 (circa 0,003 moli di acido) e al di sopra di circa 10,5 (circa 0,0003 moli di alcali) richiede procedure speciali perché la legge di Nernst viene violata a tali valori quando si utilizza un elettrodo di vetro. Vari fattori contribuiscono a questo. Non si può presumere che i potenziali di transizione del liquido siano indipendenti dal pH. Inoltre, pH estremo significa che la soluzione è concentrata, quindi i potenziali degli elettrodi sono influenzati dalla variazione della forza ionica. Ad alto pH, l'elettrodo di vetro potrebbe esserlosoggetto ad errore alcalino in quanto l'elettrodo diventa sensibile alla concentrazione di cationi come Na+ e K+ in soluzione. Sono disponibili elettrodi appositamente progettati che risolvono parzialmente questi problemi.
Il deflusso delle miniere o dei rifiuti minerari può causare valori di pH molto bassi.
L'acqua pura è neutra. Non è acido. Quando l'acido si dissolve in acqua, il pH sarà inferiore a 7 (25°C). Quando un alcali si dissolve in acqua, il pH sarà maggiore di 7. Una soluzione da 1 mol di un acido forte come l'acido cloridrico ha un pH pari a zero. Una soluzione di un alcali forte come l'idrossido di sodio a una concentrazione di 1 mol ha un pH di 14. Pertanto, i valori di pH misurati saranno generalmente compresi nell'intervallo da 0 a 14, sebbene valori e valori di pH negativi sopra 14 sono del tutto possibili.
Molto dipende dall'acidità del mezzo di soluzione. Poiché il pH è una scala logaritmica, una differenza di un'unità di pH equivale a dieci volte la differenza nella concentrazione di ioni idrogeno. La neutralità PH non raggiunge del tutto 7 (a 25 °C), sebbene nella maggior parte dei casi questa sia una buona approssimazione. La neutralità è definita come la condizione in cui [H+]=[OH-]. Poiché l'autoionizzazione dell'acqua mantiene il prodotto di queste concentrazioni [H+] × [OH-]=Kw, si può notare che a neutralità [H+]=[OH-]=√Kw o pH=pKw / 2.
PKw è circa 14, ma dipende dalla forza ionica e dalla temperatura, quindi anche il valore del pH del mezzo è importante, che dovrebbe essere neutrolivello. L'acqua pura e una soluzione di NaCl in acqua pura sono neutre perché la dissociazione dell'acqua produce la stessa quantità di entrambi gli ioni. Tuttavia, il pH di una soluzione neutra di NaCl sarà leggermente diverso dal pH dell'acqua pura neutra, poiché l'attività degli ioni idrogeno e idrossido dipende dalla forza ionica, quindi Kw varia con la forza ionica.
Piante
Pigmenti vegetali dipendenti che possono essere utilizzati come indicatori di pH si trovano in molte piante, tra cui l'ibisco, il cavolo rosso (antocianina) e il vino rosso. Il succo di agrumi è acido perché contiene acido citrico. Altri acidi carbossilici si trovano in molti sistemi viventi. Ad esempio, l'acido lattico è prodotto dall'attività muscolare. Lo stato di protonazione dei derivati del fosfato, come l'ATP, dipende dall'acidità del mezzo pH. Il funzionamento dell'enzima di trasferimento dell'ossigeno dell'emoglobina è influenzato dal pH in un processo noto come effetto radice.
Acqua di mare
Nell'acqua di mare, il pH è generalmente limitato tra 7,5 e 8,4. Svolge un ruolo importante nel ciclo del carbonio nell'oceano e ci sono prove dell'acidificazione degli oceani in corso causata dalle emissioni di anidride carbonica. Tuttavia, la misurazione del pH è complicata dalle proprietà chimiche dell'acqua di mare e ci sono diverse scale di pH nell'oceanografia chimica.
Soluzioni speciali
Come parte della definizione operativa della scala di acidità (pH), IUPAC definisce una serie di soluzioni tampone nell'intervallo di pH (spesso indicato comeNBS o NIST). Queste soluzioni hanno una forza ionica relativamente bassa (≈0,1) rispetto all'acqua di mare (≈0,7) e di conseguenza non sono raccomandate per l'uso nella caratterizzazione del pH dell'acqua di mare perché le differenze di forza ionica causano variazioni nel potenziale dell'elettrodo. Per risolvere questo problema è stata sviluppata una serie alternativa di tamponi basati sull'acqua di mare artificiale.
Questa nuova serie risolve il problema delle differenze di forza ionica tra campioni e tamponi e la nuova scala del pH per l'acidità media è chiamata scala comune, spesso indicata come pH. La scala complessiva è stata determinata utilizzando un mezzo contenente ioni solfato. Questi ioni sperimentano la protonazione, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, quindi la scala totale include l'influenza sia dei protoni (ioni di idrogeno liberi) che degli ioni di idrogeno solforato:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
La scala libera alternativa, spesso indicata come pHF, omette questa considerazione e si concentra esclusivamente su [H+]F, rendendola in linea di principio una rappresentazione più semplice della concentrazione di ioni idrogeno. È possibile determinare solo [H+] T, quindi [H+] F dovrebbe essere stimato utilizzando [SO2-4] e la costante di stabilità HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Tuttavia, è difficile stimare KS nell'acqua di mare, limitando l'utilità di una scala libera più semplice.
Un' altra scala, nota come scala dell'acqua di mare, spesso indicata come pHSWS, tiene conto dell'ulteriore legame protonico tra ioni idrogeno e ioni fluoruro, H+ + F- ⇌HF. Il risultato è la seguente espressione per [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Tuttavia, il vantaggio di considerare questa complessità aggiuntiva dipende dal contenuto di fluoro del mezzo. Ad esempio, nell'acqua di mare, gli ioni solfato si trovano in concentrazioni molto più elevate (> 400 volte) rispetto alle concentrazioni di fluoro. Di conseguenza, per la maggior parte degli scopi pratici, la differenza tra la scala comune e la scala dell'acqua di mare è molto piccola.
Le tre equazioni seguenti riassumono le tre scale del pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Da un punto di vista pratico, le tre scale di pH di un ambiente acido (o acqua di mare) differiscono nei loro valori fino a 0,12 unità di pH e le differenze sono molto maggiori di quanto normalmente richiesto per l'accuratezza di Misurazioni del pH, in particolare in relazione al sistema carbonatico oceanico.
