PH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Время на чтение: 13 минут pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Теоретические основы

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.

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Количество ионов H+ и мера их активности в большинстве растворов очень малы, их записывают в виде числа с отрицательной степенью, что очень неудобно.

Поэтому датским биохимиком Сёреном Сёренсеном в 1909 году было предложено выражать это число в виде показателя кислотности (водородного показателя) pH, который вычисляется как десятичный логарифм от меры активности ионов H+ с обратным знаком: pH = — lg [H+].

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.

Показатель основности раствора, выражающийся десятичным логарифмом с отрицательным знаком от концентрации в растворе гидроксид-ионов: pOH = — lg [OH-], применяется гораздо реже. Величины pH и pOH могут быть как положительными, так и отрицательными.

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

С помощью несложных математических вычислений можно доказать, что сумма показателей pH и pOH для воды — величина постоянная и равна 14. Например, если рН = 5, то рОН = 9; для рН = -2 pOH = 16.

У чистой воды без примесей (дистиллированной) и у водных растворов, образуемых неэлектролитами, pH = 7, а значит и рОН = 7, т. е.

кислотный и основной (щелочной) показатели уравновешивают друг друга, и получается нейтральная среда.

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

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, то получилась кислотная среда, когда 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.

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

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:

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

  • Лакмус меняет цвет от красного в кислой среде через фиолетовый в нейтральной до синего в щелочной.
  • Фенолфталеин становится синим в щелочной среде, оставаясь бесцветным в остальных.
  • Метилоранж розового цвета соответствует повышенной кислотности, оранжевого — показывает нейтральность среды, в щелочах становится синим.

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.

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

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:

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

  • 1 — красный;
  • 2 — розовато-оранжевый;
  • 3 — оранжевый;
  • 4 — темно-желтый;
  • 5 — желтый;
  • 6 — желтовато-зеленый;
  • 7 — светло-зеленый;
  • 8 — насыщенный зеленый;
  • 9 — сине-зеленый;
  • 10 — сине-серый.

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).

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

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).

Читайте также:  Максар - инструкция по применению, аналоги, отзывы и формы выпуска (таблетки 60 мг) препарата гепатопротектора для лечения гепатита, цирроза и фиброза печени, жирового гепатоза у взрослых, детей и при беременности

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:

  1. Буферные системы крови поддерживают устойчивость среды.
  2. Легочная (респираторная) система удаляет излишки углекислого газа из крови.
  3. Выделительная система (почки). Самый медленный, но и самый мощный механизм, может полностью восстанавливать pH организма путем выведения ионов водорода через мочу.

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.

Водородный показатель pH: общее понятие и методы определения. Таблицы величин pH

Главная › Общая химия ›

25.12.2019

Важной характеристикой водных растворов является уровень концентрации в них положительно заряженных ионов водорода  и отрицательно заряженных гидроксид-ионов относительно друг друга.

При одинаковых концентрациях и раствор считается нейтральным, при избытке катионов – кислотным и при избытке анионов – основным (щелочным).

Величина, называемая водородным показателем, или pH раствора, – это количественное выражение кислотности.

Понятие о водородном показателе

Определение pH-фактора базируется на кислотно-основных свойствах воды. Ее молекулы способны к самопроизвольной диссоциации, благодаря чему в воде всегда присутствует некоторое количество ионов и . Их концентрация мала вследствие обратимости процесса диссоциации, который выражается формулой

⇄ +

Из формулы видно, что ионы водорода и гидроксила содержатся в воде в равной концентрации: []=[]. В стандартных условиях (при температуре 22–25° C) она составляет моль⁄л.

Величина =[]∙[]  называется ионным произведением воды. При заданной температуре она является постоянной (при 22–25° C = моль/л) не только для воды, но и для разбавленных растворов. При добавлении кислоты к воде повышается концентрация [] и понижается [] (кислотность возрастает), при добавлении щелочи падает [] и растет [] (кислотность понижается).

  • В качестве показателя кислотности удобно использовать десятичный логарифм величины [] с обратным знаком:
  • pH = -lg []
  • Для воды и любой нейтральной среды водородный показатель составит: pH = — lg⁡ = -(-7) = 7

Шкала pH

На основе постоянства значения ионного произведения воды построена шкала величин pH различных растворов. Отметка «7» в ней соответствует нейтральной среде, числа слева от 7 – кислотной, и справа – основной (щелочной).

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Важно помнить, что, поскольку для определения показателя кислотности для избавления от знака «минус» в показателе степени используется отрицательный логарифм, понижение pH означает повышение концентрации , то есть кислотных свойств, и наоборот. Так, значение 5  соответствует концентрации [] = моль⁄л и большей кислотности, чем 9, означающее, что в растворе содержится моль⁄л катионов водорода.

Методы определения величины pH

В зависимости от целей и условий значение водородного показателя устанавливается различными методами. Качественно оценить кислотность среды позволяет применение индикаторов. Точные количественные результаты получают с помощью измерительных методов.

Использование индикаторов

Метод основан на способности ряда органических веществ к изменению окраски в зависимости от кислотности среды. Распространенные индикаторы – лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Каждый из них проявляет свои свойства в ограниченном диапазоне значений pH.

Индикатор Интервал шкалы pH Характер изменения цвета
по мере уменьшения кислотности
Лакмус 5,0–8,0 pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.
красный → фиолетовый → синий
Метилоранж 3,1–4,4 pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.
красный → оранжевый → желтый
Фенолфталеин 8,2–10,0 pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.
бесцветный → малиновый

Индикаторный метод отличает простота наглядность и быстрота, но он недостаточно точен и зависит от субъективного восприятия цвета.

Достичь большей точности позволяет применение универсального индикатора. Он представляет собой смесь веществ и охватывает широкий диапазон pH от 0 до 14. Цвет, приобретенный нанесенным на бумажную полосу индикатором в той или иной среде, сравнивают с эталонной шкалой. Универсальный индикатор дает возможность определять pH с точностью до десятых долей.

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Индикаторные методы неэффективны в случаях, когда раствор слишком слабый, имеет собственную яркую окраску или замутнен.

Ионометрический метод

Водородный показатель можно определить с точностью до 0,01 в широком диапазоне, применяя pH-метр.

Прибор представляет собой электронный милливольтметр, определяющий разность потенциалов на электродах, один из которых (измерительный pH-электрод) помещен в исследуемый раствор. Другой (электрод сравнения) погружен в электролит с определенным pH.

На нем создается стабильный потенциал, относительно которого измеряют pH анализируемой среды. Разность потенциалов пропорциональна величине показателя кислотности.

pH-метр требует тщательной калибровки.

Для нее используются специально приготовленные буферные растворы с эталонными значениями pH, устойчивыми при разбавлении или добавкам небольших количеств сильных кислот или оснований.

В приготовлении буферных растворов для pH-метрии применяются стандарт-титры – наборы чистых реактивов с точно известной массой, которые разводят дистиллированной водой до необходимой концентрации.

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Конструкция современных pH-метров предусматривает вместо двух электродов один комбинированный, что значительно упрощает их использование.

Аналитический объемный метод

В данном способе определения водородного показателя применяется процедура кислотно-основного титрования, ведущую роль в которой играет реакция нейтрализации исследуемого образца титрантом – стандартным раствором с определенным pH. Если титруется раствор кислоты, в качестве титранта используют щелочь (гидроксид натрия или калия), если основание – титрантом является раствор сильной кислоты (соляной или серной).

Титрант медленно добавляют к образцу до достижения точки эквивалентности – момента, когда происходит полная нейтрализация титруемого раствора.

Фиксация конечной точки титрования может производиться несколькими способами: с помощью индикатора, потенциометрии, спектрофотометрии или измерения электропроводности.

Определив необходимый для нейтрализации объем титранта и зная его концентрацию, вычисляют pH препарата.

Влияние температуры на значение pH

Повышение температуры приводит к росту диссоциации слабых электролитов, в том числе и воды. Повышается равновесная концентрация ионов и  и возрастает величина ионного произведения. Соответственно меняется и водородный показатель для нейтральной среды:

Читайте также:  Глубокие микозы. Гистоплазмоз. Болезнь Дарлинга.
Температура
T, 0° C
20 25 40 60 80 100
Ионное произведение воды, , моль ⁄л
Нейтральный pH = — lg(√(K_W ))=-lg K_W/2 7,5 7,1 7 6,8 6,5 6,3 6,1

Температурные изменения оказывают сложное и неоднозначное влияние на измерения pH. В целом органические и щелочные пробы более зависимы от них, чем неорганические и кислотные. При pH-метрии и титровании температура строго контролируется, а полученные результаты пересчитываются с целью приведения к значению, характерному при 25° C.

Значения pH некоторых растворов

При определении величины pH для растворов кислот и оснований принято выражать концентрацию раствора в единицах нормальности. Нормальная концентрация – это количество моль-эквивалентов вещества в 1 л раствора: .

Эквивалентом называется частица (реальная либо условная), которая в химических реакциях равноценна одному катиону или одному электрону. Моль-эквивалент содержит  эквивалентов, а его масса в единицах  называется молярной массой эквивалента .

Многоосновные кислоты могут отдавать один или более ионов водорода, поэтому число моль-эквивалентов в растворе и, соответственно, нормальность будет в разных случаях неодинакова. Она имеет обозначение «н.» с указанием доли нормальной концентрации. Например, серная кислота, молекула которой при диссоциации отдает два протона , при молярной концентрации  имеет нормальность 1н.

pH растворов кислот

Кислота Концентрация pH
Азотная 0,1 н. 1,0
Борная 0,1 н. 5,2
Муравьиная 0,1 н. 2,3
Серная н. 0,3
0,1 н. 1,2
0,01 н. 2,1
Сернистая 0,1 н. 1,5
Сероводородная 0,1 н. 4,1
Уксусная н. 2,4
0,1 н. 2,9
0,01 н. 3,4
Соляная н. 0,1
0,1 н. 1,1
0,01 н. 2,0
Щавелевая 0,1 н. 1,3

pH растворов оснований

Нормальность щелочей определяется аналогично нормальности кислот, исходя из количества гидроксид-ионов, которые отщепляются при диссоциации.

Основание Концентрация pH
Гидроксид калия н. 14,0
0,1 н. 13,0
0,01 н. 12,0
Гидроксид кальция насыщенный 12,4
Гидроксид натрия н. 14,0
0,1 н. 13,0
0,01 н. 12,0

Значения pH некоторых бытовых веществ и пищевых продуктов

Вещество pH Продукт pH
электролит аккумуляторный на основе

Рн — это… что такое рн?

Водоро́дный показа́тель, pH (произносится «пэ аш»), — это мера активности (в случае разбавленных растворов отражает концентрацию) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр:

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

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 оксоний-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).

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

pOH

Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина — показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH−:

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

как в любом водном растворе при 22 °C [H + ][OH − ] = 1,0×10 − 14, очевидно, что при этой температуре:

pH и скорость реакции. Значение pH для реакции.

Значения pH в растворах различной кислотности

  • Вопреки распространённому мнению, pH может изменяться не только в интервале от 0 до 14, а может и выходить за эти пределы. Например, при концентрации ионов водорода [H+] = 10-15 моль /л, pH = 15, при концентрации ионов гидроксида 10 моль /л pOH = −1.
Некоторые значения pH

Вещество
pH
Электролит в свинцовых аккумуляторах 10-7, то pH кислых растворов pH < 7, аналогично pH щелочных растворов pH > 7, pH нейтральных растворов равен 7. При более высоких температурах константа диссоциации воды повышается, соответственно увеличивается ионное произведение воды, поэтому нейтральной оказывается pH < 7 (что соответствует одновременно возросшим концентрациям как H+, так и OH-); при понижении температуры, напротив, нейтральная pH возрастает.

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.

  1. Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы — органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежат лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах — либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1—2 единицы.

Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.

  1. Использование специального прибора — pH-метра — позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H+ в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.
  2. Аналитический объёмный метод — кислотно-основное титрование — также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности — момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, — фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.
  3. Влияние температуры на значения pH

0.001 мол/Л HCl при 20 °C имеет pH=3, при 30 °C pH=3
0.001 мол/Л NaOH при 20 °C имеет pH=11.73, при 30 °C pH=10.83
Влияние температуры на значения pH объяснятеся 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

Литература

  1. Бейтс Р., Определение рН. Теория и практика, пер. 2 изд., Перевод с английского под редакцией акад. Б. П. Никольского и проф. М. М. Шульца. «Химия». Л., 1972

Примечания

Wikimedia Foundation. 2010.

Влияние pH среды

Активность ферментов зависит от pH раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение pH, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения pH приводит к понижению ферментативной активности.

Влияние pH на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента.

Даже небольшой сдвиг реакции среды изменяет заряд кислотных и основных групп фермента и субстрата и конформацию активного центра фермента, вследствие чего резко понижается каталитическая активность молекулы фермента.

Зависимость активности фермента от pH среды показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Зависимость скорости ферментативной реакции (1/) от pH среды

Если в физиологической среде много субстрата и мало ферментного белка, то скорость ферментативной реакции будет низкой, поскольку каждая молекула фермента способна катализировать превращение определенного количества субстрата в единицу времени.

При увеличении концентрации фермента в среде скорость ферментативной реакции будет возрастать до тех пор, пока достаточно субстрата для полной реализации молекулярной активности фермента.

При дальнейшем увеличении концентрации фермента скорость реакции уже не возрастает.

Скорость ферментативной реакции зависит также от концентрации субстрата в физиологической среде при условии, что количество фермента остается неизменным.

Если в среде находится определенное количество фермента и в нее добавляется субстрат, то в начале скорость реакции будет возрастать пропорционально увеличению концентрации субстрата.

При дальнейшем увеличении концентрации субстрата темпы нарастания скорости реакции замедляются, и при определенном количестве субстрата в среде скорость реакции достигает максимального уровня, при котором полностью реализуется молекулярная активность фермента (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата:

  • V — скорость ферментативной реакции; [S] — концентрация субстрата;
  • Ушах — максимальная скорость реакции при данной концентрации фермента
  • в оптимальных условиях проведения реакции; Кт — константа Михаэлиса
  • Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации субстрата ([S]) выражается следующим уравнением (уравнение Михаэлиса — Ментен):

где Vmax — максимальная скорость реакции при высокой концентрации субстрата; [S] — концентрация субстрата; Кт — константа Михаэлиса.

Константа Михаэлиса выражает сродство фермента к субстрату и служит важной характеристикой ферментного белка.

Чем меньше константа Михаэлиса, тем выше молярная активность фермента и тем интенсивнее происходит ферментативный катализ. В случае, когда скорость реакции равна половине максимальной, Кт = [S].

Таким образом, константа Михаэлиса численно равна концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости.

Уравнение Михаэлиса — Ментен — основное уравнение ферментативной кинетики, описывающее зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.

pH-Wert – Wikipedia

Значение pH является мерой кислотного или основного характера водного раствора.

Значение рН (аббревиатура от потенциала водорода , лат. Pondus hydrogenii или потентиа hydrogenii ) является мерой кислотной или основной характер в водном растворе . Он является противоположным числом от логарифма (логарифм) от ионов водорода — активность и размера числа измерений .

Разбавленный водный раствор со значением pH менее 7 называется кислотным , со значением pH 7 нейтральным и со значением pH более 7 основным или щелочным .

определение

Значение PH

Значение pH определяется как число, противоположное десятичному логарифму (= логарифму ) активности ионов водорода .

пЧАСзнак равно-бревно10⁡а(ЧАС+){ displaystyle mathrm {pH} = — log _ {10} a left ( mathrm {H} ^ {+} right)}

Безразмерная относительная активность иона водорода a (H + ) является произведением моляльности иона водорода ( m (H + ) в моль кг -1 ) и коэффициента активности иона водорода (γ H ), деленных на единица измерения моляльности ( m 0 в моль кг -1 ).

Чтобы упростить формулы, для определения pH обычно используется H + (ион водорода). В действительности эти ионы водорода (свободные протоны) существуют только в ассоциированной форме. Первая стадия в воде — это образование иона оксония H 3 O + , который, в свою очередь, накапливает дополнительные молекулы воды (например, H 9 O 4 + или H 3 O + · 3 H 2 O).

Однако точное определение значения pH редко используется в простых расчетах. Скорее, из соображений упрощения, можно довольствоваться приближением, что оксониевую активность для разбавленных растворов принимают равной мере концентрации оксониевых ионов (в моль · дм −3 или моль · л −1 ):

пЧАСзнак равно-бревно10⁡а(ЧАС+)≈-бревно10⁡(c(ЧАС3О+)cО){ displaystyle mathrm {pH} = — log _ {10} a left ( mathrm {H} ^ {+} right) приблизительно — log _ {10} left ({ frac {c left ( mathrm {H_ {3} O ^ {+}} right)} {c ^ {o}}} right)}.

Следует также отметить, что на самом деле должна быть известна индивидуальная ионная активность иона водорода, чтобы точно определить значение pH, как определено. Однако вопрос о возможности определения активности одного иона остается спорным.

значение pOH

Шкала pOH (вверху) и шкала pH (внизу) противоположны друг другу. (красный: кислая область; синий: основная область)

Значение pOH также определялось аналогично значению pH. Это число, противоположное десятичному логарифму меры активности гидроксид-иона (в моль · дм -3 или моль · л -1 ).

Оба значения связаны через равновесие автопротолиза :

Уравнение химической реакции :

2 ЧАС2О ⇌ ЧАС3О+ + ОЧАС-{ Displaystyle mathrm {2 H_ {2} O rightleftharpoons H_ {3} O ^ {+} + OH ^ {-}}}

Константа равновесия реакции :

Kшзнак равноа(ЧАС3О+)⋅а(ОЧАС-)а2(ЧАС2О){ Displaystyle К _ { mathrm {w}} = { frac {a left ( mathrm {H_ {3} O ^ {+}} right) cdot a left ( mathrm {OH ^ {- }} right)} {a ^ {2} left ( mathrm {H_ {2} O} right)}}}
-бревно10⁡Kшзнак равно-бревно10⁡а(ЧАС3О+)-бревно10⁡а(ОЧАС-)+бревно10⁡а2(ЧАС2О)знак равнопЧАС+пОЧАС{ displaystyle — log _ {10} K _ { mathrm {w}} = — log _ {10} a left ( mathrm {H_ {3} O ^ {+}} right) — log _ {10} a left ( mathrm {OH ^ {-}} right) + log _ {10} a ^ {2} left ( mathrm {H_ {2} O} right) = mathrm {pH} + mathrm {pOH}}

Активность воды как растворителя для разбавленных систем равна единице, особенно при θ = 25 ° C (стандартные условия). Это означает, что логарифм активности воды равен нулю. Константа равновесия K w = 10 −14 при нормальных условиях . Таким образом, соотношение между pH и pOH разбавленного раствора при комнатной температуре является хорошим приближением:

пЧАС+пОЧАСзнак равно14-е{ Displaystyle mathrm {pH} + mathrm {pOH} = 14}

Дополнительные объяснения можно найти в статье оксония и автопротолиз .

PH других растворителей

Мера, сравнимая со «значением pH», также определена для других амфипротонных растворителей LH, которые могут переносить протоны . Они также основаны на автопротолизе соответствующего растворителя. Общий ответ:

2 LH LH 2 + + L — ,⇋{ displaystyle leftrightharpoons}

с ионом лиония LH 2 + и ионом Лят L — .

Константа равновесия K здесь обычно меньше, чем для ионного продукта воды. Затем значение pH определяется следующим образом:

пЧАСпзнак равно-бревно10⁡c(Л.ЧАС2+){ displaystyle mathrm {pH} _ {p} = — log _ {10} c left ( mathrm {LH_ {2} ^ {, +}} right)}

Некоторые примеры амфипротических растворителей
безводная муравьиная кислота 2 HCOOH HCOOH 2 + + HCOO -⇋{ displaystyle leftrightharpoons}
безводный аммиак 2 NH 3 NH 2 — + NH 4 +⇋{ displaystyle leftrightharpoons}
безводная уксусная кислота 2 CH 3 COOH CH 3 COO — + CH 3 COOH 2 +⇋{ displaystyle leftrightharpoons}
безводный этанол 2 C 2 H 5 OH C 2 H 5 OH 2 + + C 2 H 5 O -⇋{ displaystyle leftrightharpoons}

Нейтральное значение и классификация

Средние значения pH некоторых распространенных растворов

субстанция
Значение PH
Изобразительное искусство

Аккумуляторная кислота
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector