در حالت کلی اسید از دست دهنده پروتون و باز گیرنده پروتون است . آب با افزایش حالت اسیدی و یا بازی مواد را در خود حل می کند و مهمتر اینکه آب هم می تواند اسید باشد و هم خاصیت بازی داشته باشد. برای مثال وقتی هیدروژن کلراید (HCL) در یک محلول آب حل می شود ، پروتون های (H+) را به محلول می دهد . این کار در نتیجه آرایش و هماهنگی یونهای کلرید (Cl) و یونهای هیدرونیوم آب است . پروتون بین HCl و آب دائما به صورت نیمه کمی به هم تبدیل می شوند . برخلاف اسیدها بازهایی مانند آمونیاک (NH3 ) از مولکولهای اب پروتون می گیرند . نتیجه این عمل تولید یون هیدروکیسید (OH-)  و یون امونیوم بار مثبت (NH4+) می شود .

در قسمت قبل ثابت تعادل را تعریف کردیم در ادامه ثابت تعادل آب  را می نویسیم که مقدار بسیار کوچکتری است . (در دمای 25 درجه سانتی گراد )

غلظت آب خالص برابر است با 55 مول بر لیتر (H2O). با جایگزین کردن این مقدار در معادله بالا داریم :

مقدار تولید یونهای هیدروکسید و هیدرونیوم آب خالص همیشه ثابت است . به عبارت دیگر یونها همان هستند ولی با افزودن اسید و یا باز در نبست انها تغییر ایجاد می شود . در آب خالص مقدار غلظت یونهای هیدرونیوم و هیدروکسید مساوی و برابر است با : ا * ۱۰ به  توان- ۷ مول بر لیتر . این مقدار کاملا طبیعی و ذاتی آب است و مقدار PH ان برابر با 7 است .

بافر

تغییرات کم مقدار PH توسط سیستم  بافری در بدن موجود زنده کنترل می شود . یعنی در بدن ما یک سری مواد محلول (مانند خون) وجود دارد که سیستم تامپونی دارند و به تغییرات کمتر اسید و باز حساس هستند . با افزودن اسید و یا باز به این محلولها ، مقدار PH این محلولها تغییری نمی کند و یا بسیار اندک تغییر میکند . بنابراین بافر به موادی گفته می شود که توانایی خنثی کردن اسید و یا باز را دارد و میزان PH محلول را در یک رنج ثابت نگه می دارد هر چند که با افزودم مقادیر زیاد اسید و یا باز ممکن است این توانایی بافر از بین برود چون هر بافری طرفیت خاص خود را دارد .

بافرها انواع گوناگون و ساختمان های متفاوتی دارند ولی معمولا از یک اسید ضعیف مانند HB و باز مزدوج ان B- و یا از یک باز ضعیف و اسید مزدوج ان تشکیل میشوند . این محلولها مقدار یونهای هیدرونیوم و یا هیدروکسید را خنثی می کنند .

در اولین نمونه باز (B-)   به مقدار زیادی از یوینهای هیدرونیوم اضافه شده متصل می شود و HB  اسید  آب تولید می شوند . اما اگر هیدروکسیل (OH)  اضافه شود با HB واکنش میدهد و B-  و آب تولید می کند . در هر دو مورد مقدار اسید ضعیف (HB ) به باز مزدوج (B-)  تغییر می کند زمانی که مقدار PH میخواهد تغییر کند .

PH

PH  یعنی اندازه گیری مقدار اسیدیته و یا بازی محلول . ان را به صورت لگاریتم یون هیدروژن هم تعریف میکنند . مقدار یون هیدروژن را نمیتوان به صورت تجربی اندازه گیری کرد بنابراین ان را به روش تئوری اندازه گیری می کنیم . اندازه گیری PH مطلق نیست و نسبی است چون بر اساس یکسری استانداردهای جهانی اندازه گیری میشوند .

مفهوم PH برای اولین بار توسط Søren Peder Lauritz Sørensen (عجب اسم سختی) در آزمایشگاه Carlsberg در سال 1909 تعریف شد . بعضی افراد این P را قدرت (POWER)  معنی میکنند و بعضی به Potenz که در زبان آلمانی به معنی قدرت است .

اما در سال 2000 داشنمندی به نام Jens Norby در مقاله پرده از راز این حرف P  برداشت و گفت که منظور از حرف منفی لگاریتم است . H هم به جای هیدروژن است . این دانشمند اولی (که اسمش سخته) برای راحتی کار PH  را به جای "قدرت هیدروژن "تعریف کرد . این دانشمند برای اندازه گیری PH از لگاریتم غلظت یون هیدروژن استفاده کرد .

به آب خالص ، آب خنثی هم می گویند . همانطور که قبلا هم گفتم مقدار PH اب برابر با 7 است و بیشتر از 7 خاصیت بازی و کمتر از 7 خاصیت اسیدی خواهد داشت . اندازه گیری PH  در پزشکی ، بیولوژی ، شیمی ، علم مواد ، علوم محیط زیست و حتی اقیانوس شناسی دارای اهمیت خاصی است .

PH از نظر ریاضی

هر کاری کردم بهتر از این عنوان پیدا نکردم . در ادامه بحث روابط جالب ph را با هم برسی می کنیم .

مقدار ph برابر است با منفی لگاریتم یون های هیدروژن در یک محلول آب  .

در این فرمول ah نشان دهنده فعالیت یون هیدروژن است علت این است که ah فقط یک یون است که صرفا با روش آزمایشگاهی و با الکترودهای انتخابی قابل اندازه گیری است و با توجه به معادله نرنست (Nernst equation) نشان دهنده فعالیت یون هیدروژن است .

PH معمولا با ترکیب  الکترودهای شیشه ای  اندازه گیری می شود که با اختلاف پتانسیل و یا نیروی الکتروموتور سنجش می شود .

برای نمونه : بین یک الکترود که به یون هیدروژن حساس است و یک الکترود رفرانس مانند الکترود جیوه و یا نقره.

هدف از روش بالایی رسیدن به معادله نرنست (Nernst equation ) است . داریم :

E = مقدار پتانسیل

E0 = مقدار پتانسیل الکترود استاندارد

 R    = ثابت گازی

T = دما بر حسب کلوین

F  = ثابت فاراده

n = تعداد الکترونهای انتقال یافته

به وسیله فرمول بالا می توان مقدار PH را توسط اختلاف پتانسیل به دست آورد . اما  همان طور که گفتم از روش نیروی الکتروموتور هم می توان این PH را اندازه گیری کرد ولی فرمولها این از حوصله من و شما خارجه !!

اقای Sørensen با استفاده ازفرمول های بالایی و بعضی استدلال های دیگر بالاخره PH را مطرح کردند . بالاخره فرمول زیر حاصل نتایج ایشان  شد و PH  وجود خارجی پیدا کرد :

POH

POH هم گاهی برای اندازه گیری مقدار غلظت یون هیدروکسید استفاده می شود . مقدار POH از روی غلظت یون هیدرونیوم به دست می اید . از انجا که مقدار  یون هیدروکسید به یون هیدروزن وابسته است .

اگر قبلا به این رابطه توجه کرده باشین داریم :

بنابراین :

بعد به طرفین  لگاریتم اضافه می کنیم :

 پس با فرمول بالا میزان قلیایی محلولها را می توان اندازه گیری کرد .

اندازه گیری PH

آب خنثی PH 7 دارد و از این بابت خنثی نامیده می شود . مقدار دقیق Ph به دما هم بستگی دارد . زمانی که یک اسید در اب حل می شود باعث کاهش PH میشود و اگر یک باز در آب مخلوط شود باعث افزایش PH می شود . اسید کلیریدیک یک اسید بسیار قوی است که مقدار PH تقریبا برابر با صفر است و یک باز قوی مانند سدیم هیدروکسید (NaOH)  دارای  PH  14 است .

مقدار PH مابین 1 تا 14 متغیر است . علاوه بر روشهای بالایی از شناساگر های PH (pH indicator)هم می توان استفاده کرد که در آزمایشگاه ها استفاده بسیار وسیعی دارند . این شناساگرها طوری طراحی شده اند که در Ph معین تغییر رنگ داده و به یک رنگ خاص تبدیل می شوند .

انواع و اقسام خاص و گوناگونی از این شناساگرها در بازار وجود دارد که استفاده انها بستگی به نوع کار ما و محلول ما بستگی دارد . یک نوع معروف از این شناساگرها کاغذ و یا نوار لیتموس است (litmus) . این نوار در محلول اسیدی ، قرمز رنگ و در محلول بازی آبی  است .

بعضی از شناساگرها

آب خنثی PH 7 دارد و از این بابت خنثی نامیده می شود . مقدار دقیق Ph به دما هم بستگی دارد . زمانی که یک اسید در اب حل می شود باعث کاهش PH میشود و اگر یک باز در آب مخلوط شود باعث افزایش PH می شود . اسید کلیریدیک یک اسید بسیار قوی است که مقدار PH تقریبا برابر با صفر است و یک باز قوی مانند سدیم هیدروکسید (NaOH)  دارای  PH  14 است .

مقدار PH مابین 1 تا 14 متغیر است . علاوه بر روشهای بالایی از شناساگر های PH (pH indicator)هم می توان استفاده کرد که در آزمایشگاه ها استفاده بسیار وسیعی دارند . این شناساگرها طوری طراحی شده اند که در Ph معین تغییر رنگ داده و به یک رنگ خاص تبدیل می شوند .

انواع و اقسام خاص و گوناگونی از این شناساگرها در بازار وجود دارد که استفاده انها بستگی به نوع کار ما و محلول ما بستگی دارد . یک نوع معروف از این شناساگرها کاغذ و یا نوار لیتموس است (litmus) . این نوار در محلول اسیدی ، قرمز رنگ و در محلول بازی آبی  است .

محلولی با PH=7 را خنثی می گویند . یعنی نه اسید است و نه باز اگر چه یونیزاسیون خود به خودی مانند آب هم داشته باشد .

درجه تفکیک پذیری آب 10 به توان -14 است . بنابراین در یک محلول نمکی که در آب حل شده است میزان یونهای هیدرونیوم و هیدروکسید برابر و مقدار آن 10 به توان –  مول 7 در دسی متر مربع است .

با افزایش دما مقدار PH آب خالص کاهش می باید به طوری که در دمای 55 در جه مقدار Ph  برابر با 6.55 است .

اندازه گیری مقدار PH برای اسید های ضعیف و قوی

• این قسمت بیشتر به حالت خلاصه است چون میزان فرمولها و توضحیات بسی زیاد است به همین خاطر کوتاهش کردم .

اسید های قوی مانند HCl دارای تفکیک پذیری بسیار بالا هستند . به عبارت دیگر در هنگام حل شدن در آب تماما یونیزه شده و به هیدروکسید و هیدرونیوم تبدیل می شود . اندازه گیری مقدار اسیدیته در این محلولها آسان است چون PH برابر با منفی لگاریتم غلظت اسید است .

برای مثال : PH محلول اسیدی هیدروکلریدیک که دارای غلظت 0.01 مولار است برابر است با (log(0.01- ، که با محاسبه آن عدد 2 به دست می آید .

اما برای محاسبه PH اسید های ضعیف که دارای PKa بزرگتر از 2 هستند از فرمول زیر استفاده می شود.

برای محاسبه   PH  اسیدهای ضعیف می توان از این معادله هم استفاده کرد . که اثبات آن را میتوانید از کتابهای بیوشیمی استخراج کنید . فقط این نکته را بگویم که این معادله از معادله یونیزه شدن آب به دست می آید