Что такое pH? Почему буква p в обозначении pH пишется строчной, а H — прописной?

Значение pH, также известное как показатель концентрации ионов водорода, представляет собой шкалу активности ионов водорода в растворе и служит мерой степени кислотности или щёлочности раствора в обычном понимании.

Ионизация воды


Концепция была впервые предложена в 1909 году датским биохимиком Сёреном Петером Лауритцем Сёренсеном. Буква p обозначает немецкое слово Potenz, означающее «степень» или «концентрацию», а H (hydrogen ion) — ион водорода (H+).


При нормальных условиях (25 °C, примерно 298 К) чем ближе значение pH к 0, тем более кислой является раствор; чем ближе оно к 14, тем более щелочной. Если pH < 7, раствор кислый; если pH > 7, раствор щелочной; если pH = 7, раствор нейтральный.




В расчётах [H+] обозначает молярную концентрацию вещества, содержащего ионы водорода в растворе (иногда также записывается как H3O+), — молярную концентрацию вещества, в котором ионы водорода находятся в гидратированной форме.


pH характеризует концентрацию ионов водорода в растворе c(H+), позволяя оценивать кислотность раствора; однако фактически концентрацию ионов водорода в растворе измерить невозможно. Поэтому Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) определяет pH как величину, вычисляемую по формуле pH ≈ −lg[c(H+)/моль/л], и устанавливает эталонные значения pH. Поскольку pH задаётся операционально, обычно считается, что он не имеет единиц измерения.


Математическое выражение pH — это −lg[H⁺], а в математике отрицательное значение натурального логарифма обозначается буквой p; ввиду специфики понятия pH и соответствующих норм и обозначений, общепринятое написание pH предполагает только строчную букву p и заглавную H, как это предусмотрено стандартом. Такие варианты, как ph, PH, Ph и т. п., являются некорректными!


Так вы знаете, почему буква p в обозначении pH пишется строчной, а H — прописной?



Несомненно, что буква H в обозначении pH означает ион водорода (H+), однако происхождение буквы p остаётся предметом дискуссий.


Первое из них называется «p», что означает по‑немецки «Potenz» — сила и интенсивность, а также «P», что по‑французски — «puissance», также обозначающее «силу и интенсивность».


Второе — это pH, что означает pondus hydrogenii, по‑латыни — «количество водорода». Первое — латинское potentia hydrogenii («способность водорода»), соответствующее английскому потенциалу водорода.


В‑третьих, p — всего лишь случайный символ, выбранный Соренсеном, который также использовал q.


В современной химии перед безразмерной величиной ставят букву p, чтобы обозначить отрицательный логарифм этой величины; при этом p пишется строчной. H обозначает ион водорода, поскольку символ элемента водород — H, поэтому его следует писать с заглавной буквы!

Расположение связанных знаний

1. Что такое стандартный буферный раствор pH? Каковы его свойства?


pH‑буфер — это раствор, поддерживающий стабильный уровень pH. Если в такой раствор добавить небольшое количество кислоты или щёлочи либо если в результате химической реакции в нём образуется небольшое количество кислоты или щёлочи, а сам раствор при этом надлежащим образом разбавлен, то значение pH этого раствора остаётся практически неизменным; способность сопротивляться воздействию небольших количеств кислоты или щёлочи, а также различным степеням разведения, при котором pH не изменяется, и называется буферными свойствами.


Стандартные буферные растворы для измерения pH обладают следующими свойствами:

1.1 Значение pH стандартного раствора известно и поддерживается с заданной точностью.

1.2 Значение pH стандартного раствора обладает высокой воспроизводимостью и стабильностью, а также большой буферной ёмкостью, низким значением разведения и малым температурным коэффициентом.

1.3 Метод приготовления раствора прост.

2. Как приготовить стандартный буферный раствор с заданным значением pH?


Для общих измерений pH можно использовать полный комплект буферных растворов (готовится объёмом 250 мл); при приготовлении раствора следует применять деионизированную воду, предварительно прокипячённую в течение 15–30 минут для удаления растворённого углекислого газа. Разрежьте пластиковый пакет и перелейте реагент в стакан; растворите его в соответствующем количестве деионизированной воды, ополосните пакет и затем перелейте содержимое в мерную колбу объёмом 250 мл, доведите до метки и тщательно встряхните.

3. Как правильно хранить и использовать буферы pH?


После приготовления буферного раствора его следует расфасовать в стеклянные или полиэтиленовые флаконы (щелочные буферы с pH 9,18, 10,01, 12,46 и др. необходимо хранить в полиэтиленовых флаконах). Флакон плотно закрывается крышкой и хранится в холодильнике при низкой температуре (5–10 °C), как правило, около шести месяцев; если обнаружены помутнение, плесень или выпадение осадка, дальнейшее использование запрещено. При использовании следует подготовить несколько полиэтиленовых флаконов объёмом 50 мл, перелить содержимое большой бутылки в малые флаконы и выдержать при комнатной температуре 1–2 часа; после установления термического равновесия раствор готов к применению. После вскрытия буферный раствор можно хранить в условиях окружающей среды с температурой выше 10 °C в течение 2–3 дней; растворы с pH 7,00, 6,86 и 14,00 обычно сохраняют свои свойства дольше. Растворы с pH 9,18 и 10,01 более подвержены изменениям pH, поскольку поглощают углекислый газ из воздуха.

4. Каковы области применения буферов pH?


4.1 Перед измерением pH выполните калибровку прибора для измерения pH.

4.2 применяется для проверки точности pH‑метра. Например, после калибровки pH‑метра с использованием растворов с pH 6,86 и pH 14,00 введите pH‑электрод в раствор с pH 9,18, чтобы убедиться, что показанное значение прибора соответствует значению pH стандартного раствора.

4.3 При проведении общего измерения точности проверяют, требуется ли повторная калибровка pH‑метра. После калибровки и эксплуатации pH‑метр может дрейфовать или изменять свои показания; поэтому перед измерением электрод погружают в стандартный буферный раствор, близкий по значению к исследуемому раствору, и определяют необходимость повторной калибровки на основе величины отклонения.

4.4 Проверка работоспособности электрода измерения pH.

5. Почему электрод pH‑метра необходимо вымачивать? Как правильно вымачивать композитный pH‑электрод?


Перед использованием электрод pH необходимо выдержать в растворе, поскольку стеклянная оболочка электрода представляет собой особую стеклянную мембрану, на поверхности которой образуется крайне тонкий гелевый слой; только при полностью влажных условиях этот слой способен эффективно взаимодействовать с ионами водорода в растворе. Одновременно после вымачивания стеклянного электрода асимметричный потенциал значительно снижается и приобретает стабильность. Обычно стеклянный электрод pH выдерживают в дистиллированной воде или в буферном растворе с pH 4,00. Лучше всего использовать буферный раствор pH 4,00; время вымачивания — 24 часа и более, в зависимости от толщины стеклянной мембраны и степени старения электрода. Кроме того, необходимо также вымочить жидкий переходник ссылочного электрода. Если жидкий переходник пересыхает, потенциал переходника возрастает или становится нестабильным; поэтому раствор для вымачивания ссылочного электрода должен соответствовать внешнему ссылочному раствору, то есть быть 3,3 мольным раствором KCl или насыщенным раствором KCl, а время вымачивания обычно составляет несколько часов.


Поэтому для композитного pH‑электрода необходимо выдерживать его в буфере с pH 4,00, содержащем KCl, чтобы стеклянный электродный пузырь и жидкий переходный узел функционировали одновременно. Здесь следует проявлять особую осторожность: ранее обычной практикой было замачивание однокомпонентного стеклянного pH‑электрода в деионизированной воде или в буфере pH 4; позднее такие методы стали применять и при использовании композитных pH‑электродов, причём даже в некоторых некорректных инструкциях к таким электродам встречается именно это ошибочное указание. Прямым следствием такого неправильного способа выдерживания становится то, что композитный pH‑электрод, обладавший хорошими характеристиками, превращается в электрод с медленной реакцией и низкой точностью; при этом чем дольше продолжается вымачивание, тем хуже становятся эксплуатационные свойства, поскольку после длительного воздействия концентрация KCl внутри жидкого переходного узла (например, в песчаном сердечнике) существенно снижается, вследствие чего потенциал переходного узла возрастает и становится нестабильным. Разумеется, достаточно повторно выдержать электрод в правильном растворе в течение нескольких часов — и его характеристики восстановятся.


Кроме того, электрод pH‑метра нельзя выдерживать в нейтральных или щелочных буферных растворах; длительное погружение в такие растворы приводит к снижению чувствительности стеклянной мембраны.


Правильная подготовка раствора для выдерживания pH‑электрода: возьмите пакет буфера с pH 4,00 (250 мл), растворите его в 250 мл дистиллированной воды, затем добавьте 56 г аналитически чистого хлорида калия, нагрейте при необходимости и перемешивайте до полного растворения.

6. В чём заключается разница между многократно заправляемыми и одноразовыми pH‑композитными электродами?


Корпус композитного pH‑электрода различают по материалу: пластиковый и стеклянный. Перезаправляемый композитный pH‑электрод оснащён отверстием для заливки жидкости в оболочке электрода. При утрате внешнего эталонного раствора электрод открывают через это отверстие и доливают раствор KCl. Вместо этого в перезаправляемом композитном pH‑электроде используется гелеобразный раствор KCl, который трудно вытечет и не имеет жидкостного отверстия.


Характеристики многократно заправляемого pH‑композитного электрода заключаются в том, что раствор сравнения обладает более высокой скоростью проникновения, потенциал жидкой границы стабилен и воспроизводим, а точность измерений высока. При снижении уровня или загрязнении опорного электрода раствор KCl можно доливать или заменять; однако недостатком является большая трудоёмкость эксплуатации. При использовании многократно заправляемого pH‑композитного электрода следует открывать заливное отверстие, чтобы повысить давление жидкости и ускорить реакцию электрода. Когда уровень электролита опускается ниже 2 см от заливного отверстия, необходимо своевременно добавить новый электролит.


Неперезаряжаемый pH‑композитный электрод отличается простотой обслуживания и удобством эксплуатации, поэтому широко применяется. Однако при использовании в качестве лабораторного pH‑электрода в условиях длительной и непрерывной работы концентрация KCl на жидком соединении снижается, что влияет на точность измерений. Поэтому, когда неперезаряжаемый pH‑композитный электрод не используется, его следует хранить в растворе для пропитки электрода; таким образом, при следующем измерении его характеристики останутся на высоком уровне. Кроме того, некоторые лабораторные pH‑электроды не подвергаются длительным и непрерывным испытаниям, поэтому влияние этой конструкции на точность относительно невелико. Промышленные pH‑композитные электроды предъявляют невысокие требования к точности измерений, поэтому их основным преимуществом становится простота использования.

7. Как правильно использовать pH‑композитный электрод?


7.1 На передней части пузыря не должно быть пузырьков. При их наличии пузырьки следует удалить, приложив усилие.

7.2 После извлечения электрода из бутылки для вымачивания его следует промыть в деионизированной воде и аккуратно встряхнуть до высыхания; не протирайте шарик бумажными салфетками, поскольку перенос статического заряда на стеклянную мембрану может увеличить время достижения потенциальной стабильности; более эффективным является промывка электрода испытуемым раствором.

7.3 После введения pH‑композитного электрода в исследуемый раствор его следует несколько раз перемешать и встряхнуть, прежде чем оставить в стационарном положении; это ускорит установление равновесия электрода. Особенно при использовании pH‑композитного электрода в пластиковом корпусе перемешивание и встряхивание должны быть более интенсивными, поскольку между пузырьком газа и пластиковым корпусом образуется небольшая полость, а газ в этой полости успевает задержаться после погружения электрода в раствор, что затрудняет удаление пузырьков. В результате пузырек или жидкая солевая мембрана плохо соединяются с раствором, поэтому необходимо энергично перемешивать, чтобы полностью удалить пузырьки.

7.4 После проведения измерений в вязком образце электрод необходимо многократно промывать деионизированной водой, чтобы удалить адгезировавший к стеклянной мембране образец. Иногда предварительно требуется промыть образец другими реагентами, затем промыть растворителем с последующим погружением в раствор для активации.

7.5 Избегайте контакта с сильными кислотами и щелочами, а также с коррозионно‑агрессивными растворами. При испытании таких растворов время погружения следует максимально сократить, а после использования тщательно очистить изделие.

7.6 Избегайте использования в дегидрирующих средах, таких как безводный этанол и концентрированная серная кислота, поскольку они повреждают гидратированный гелевый слой на поверхности лампы.

7.7 Оболочка пластикового композитного pH‑электрода изготовлена из поликарбонатного пластика (PC). Пластик PC растворяется в некоторых растворителях, таких как тетрахлорид углерода, трихлорэтилен, тетрагидрофуран и др. Если исследуемый образец содержит указанные выше растворители, следует использовать электрод с оболочкой из стекла; в этом случае необходимо применять композитный pH‑электрод со стеклянной оболочкой.

8. Как очистить электрод pH?


После загрязнения сферической части и жидкой разделительной мембраны очистите их указанным растворителем, затем промойте дейонизированной водой для удаления остатков растворителя и погрузите электрод в раствор для активации.

(1) Загрязняющие вещества: ① неорганические оксиды металлов, ② органические жировые соединения, ③ смоляные полимерные вещества, ④ осадки белковых клеток крови, ⑤ пигментные вещества.

(2) Чистящее средство: ① разбавленная кислота концентрацией менее 1 моль/л, ② разбавленное моющее средство (слабая кислота), ③ разбавленный спирт, ④ ацетон, ⑤ эфир, ⑥ кислый ферментный раствор (таблетки «пищевая матка»), ⑦ разбавленный отбеливающий раствор, ⑧ перекись водорода.

9. Как ремонтировать pH‑электроды?


«Деградация» композитного pH‑электрода, проявляющаяся в снижении градиента чувствительности, замедленной реакции и низкой повторяемости показаний, может быть обусловлена следующими тремя факторами; при этом обычный пользователь может воспользоваться соответствующим методом для её устранения.


9.1 Электродная колба и жидкий переход загрязнены; загрязнения можно аккуратно удалить с помощью тонкой кисточки, ваты или зубочистки. Некоторые защитные крышки головки пластикового корпуса электрода можно отвернуть — это облегчает очистку; при серьёзном загрязнении их можно промыть моющим средством согласно методу, описанному в пункте 8.

9.2 Внешний эталонный раствор загрязнён, и на некоторых электродах возможно образование отложений. В этом случае внешний эталонный раствор можно извлечь шприцем, приготовить новый раствор KCl концентрацией 3,3 моль/л или насыщенный раствор KCl и добавить его. Обратите внимание: при первом и втором извлечении следует тщательно промыть внутреннюю полость электрода.

9.3 Старение стеклянной чувствительной мембраны: Погрузите электродный стеклянный наконечник на 24 часа в разбавленную соляную кислоту концентрацией 0,1 моль/л (9 мл соляной кислоты развести чистой водой до объёма 100 мл), затем промойте чистой водой и снова погрузите на 24 часа в раствор для промывки электрода. Если пассивация выражена более сильно, нижний конец электрода можно также на 3–5 секунд опустить в раствор фтористоводородной кислоты (приготовление раствора: 4 мл фтористоводородной кислоты развести чистой водой до объёма 100 мл), после чего промыть чистой водой и вновь поместить на 24 часа в раствор для промывки электрода для восстановления его характеристик.

10. Что такое точка калибровки pH‑метра?


Любой pH‑метр необходимо калибровать с использованием стандартного раствора, чтобы определить значение pH образца; для обеспечения точности измерений ниже 0,1 pH можно выбрать соответствующий метод калибровки и настроить прибор, обычно применяя стандартные буферные растворы с pH 6,86 или pH 7,00. Некоторые приборы имеют точность лишь 0,2 pH или 0,1 pH, поэтому они оснащены только регулировкой положения; конкретные шаги следующие:


10.1 Измерьте температуру стандартного буферного раствора, сверьтесь с таблицей для определения значения pH при данной температуре и установите регулятор поправки на температуру на соответствующее значение.

10.2 Промойте электрод чистой водой и встряхните, чтобы удалить избыток воды.

10.3 Погрузите электрод в буферный раствор и, после встряхивания, оставьте его неподвижным. После того как показания стабилизируются, отрегулируйте регулятор положения так, чтобы прибор отображал значение pH стандартного раствора.

10.4 Снимите электроды, промойте и встряхните до высыхания.

10.5 Измерьте температуру образца и отрегулируйте ручку компенсации температуры прибора для измерения pH в соответствии с этим значением температуры.

10.6 Опустите электрод в пробный раствор, после встряхивания оставьте его неподвижным и дождитесь установления стабильного показания.

11. Что такое двухточечная калибровка pH‑метра?


Для точных pH‑метров, помимо настроек «позиционирования» и «компенсации температуры», предусмотрена также регулировка «наклона» электрода, которая требует калибровки с использованием двух стандартных буферных растворов. Как правило, калибровку «позиционирования» проводят при значении pH 6,86 или 7,00, после чего выполняют «коррекцию наклона» с помощью буферного раствора с pH 4,00 (кислого) либо с pH 9,18 или 10,01 (щелочного), в зависимости от значения pH испытуемого раствора. Конкретные этапы следующие:


11.1 Промойте и высушите электрод, погрузите его в стандартный раствор с pH 6,86 или pH 7,00 и установите ручку температурной компенсации на температуру раствора. После того как показание стабилизируется, отрегулируйте ручку позиционирования так, чтобы прибор указывал значение pH стандартного раствора.

11.2 Снимите электрод, промойте его, встряхните до высыхания и погрузите в второй стандартный раствор. После того как показание стабилизируется, отрегулируйте ручку настройки наклона прибора так, чтобы его показание соответствовало значению pH второго стандартного раствора.

11.3 Промойте электрод, встряхните его до высыхания, после чего погрузите в стандартный раствор с pH 6,86 или pH 7,00. Если погрешность превышает 0,02 pH, повторите шаги (1) и (2), пока в обоих стандартных растворах не будет отображаться точное значение pH без необходимости регулировки ручек.

11.4 Извлеките электрод, промойте его и встряхните до высыхания, установите ручку компенсации температуры pH в соответствии с температурой образца, погрузите электрод в пробный раствор, слегка встряхните и оставьте в покое; после достижения стабильности отобразится показание.

12. Какое влияние температура оказывает на точность измерения pH?


Для pH‑электродов температура влияет на показания с коэффициентом 0,003 pH/°C; например, прибор класса 0,2, откалиброванный в pH‑буфере при 30 °C, и затем проверенный в растворе при 60 °C (при условии, что диапазон значений pH этого раствора находится в пределах 6–8, а значение pH 7,00 отличается на одну единицу) — максимальная погрешность, обусловленная температурой, составит 30 × 0,003 = 0,09 pH. Если же речь идёт о диапазоне 3 pH‑единицы (от 4 до 10), то максимальная погрешность достигнет 0,27 pH, что наглядно демонстрирует весьма значительное влияние температуры на измерения pH. Разумеется, можно сделать вывод: чтобы уменьшить влияние температуры на точность измерений pH, следует обратить внимание на следующие три аспекта:


12.1 Калибруйте pH‑метр с использованием буферного раствора, максимально приближённого по значению pH к значению pH исследуемого раствора.

12.2 Стараться поддерживать температуру калиброванного раствора на уровне, соответствующем или близком к температуре измеряемого раствора.

12.3 Следует выбрать pH‑метр с компенсацией температуры.


pH‑метры с точностью выше 0,1 pH оснащены компенсацией температуры, тогда как pH‑метры с точностью 0,2 pH такой компенсации не имеют. Некоторые приборы с точностью 0,2 pH ошибочно считаются имеющими точность 0,1; на самом деле это невозможно — у некоторых устройств разрешение составляет 0,1 pH, а понятия «разрешение» и «точность» 0,1 pH нередко путают. Даже в одном и том же pH‑приборе погрешность измерения при 60 °C составляет 0,003 × 60 = 0,18 pH, поэтому максимальная точность pH‑метра без компенсации температуры равна лишь 0,2 pH.

13. Может ли температурная компенсация устранить все погрешности, обусловленные температурой?


Следует особо отметить, что температурная компенсация, устанавливаемая на приборе для измерения pH, корректирует лишь наклонную составляющую характеристики электрода (2,303RT/F). Температура также влияет на стандартный потенциал стеклянного электрода, на потенциал жидкой солевой связи и другие параметры, причём эта зависимость не является строго линейной. В то же время электроду pH требуется определённое время для достижения равновесия при новой температуре. Поэтому как ручная, так и автоматическая температурная компенсация оказываются недостаточно эффективными. Согласно операционному определению измерения pH, для получения точных результатов образец и стандартный раствор должны измеряться при одной и той же постоянной температуре — это принцип изотермического измерения. При измерениях pH, требующих средней точности, можно применять температурную компенсацию, если температура образца отличается от температуры стандартного раствора.

14. Как определить, точен ли ваш pH‑метер?


Многие пользователи, применяя прибор для измерения pH, сомневаются: действительно ли этот pH‑метер точен? Одни судят по опыту работы, другие — по индикаторной бумаге, третьи ориентируются на ранее использовавшийся pH‑метер; ни один из этих подходов не является надёжным. На самом деле единственно достоверный и наиболее простой способ — проверка с помощью стандартных буферных растворов. Необходимо взять три стандартных буферных раствора: pH 6,86, pH 4,00 и pH 9,18 (желательно свежеприготовленные и при одной и той же температуре), выполнить калибровку по точке pH 6,86, калибровку по наклону при pH 4,00, а затем проверить значение pH 9,18, чтобы определить, соответствует ли pH‑метер требованиям точности и пригодности.

Отказ от ответственности: Размещённый на интернет‑ресурсах, в публичных аккаунтах WeChat и других открытых каналах контент предназначен для предоставления дополнительной информации; мы придерживаемся нейтральной позиции по отношению к опубликованным материалам и публикуем их исключительно в справочных и коммуникационных целях. Авторские права на воспроизведённые материалы принадлежат их первоначальным авторам и соответствующим учреждениям; в случае выявления нарушений просим связаться с нами для удаления.