PH

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

הכותרת שניתנה לערך זה מתחילה באות גדולה עקב מגבלות טכניות. הכותרת הנכונה היא pH.

pH (ערך ההגבה) הוא מדד לרמת חומציות של תמיסה, המתבסס על ריכוזם של יוני הידרוניום (\ \mbox{H}_3\mbox{O}^+) בתמיסה. מושג זה הוצג לראשונה בשנת 1901 על ידי הכימאי הדני סרן סרנסן.

הפרח Hydrangea macrophylla יכול לפרוח בצבע כחלחל או ורוד, לפי חומציות הקרקע. בקרקע חומצית הצמח פורח בכחול, ובקרקע בסיסית הוא פורח בורוד.
הגדל
הפרח Hydrangea macrophylla יכול לפרוח בצבע כחלחל או ורוד, לפי חומציות הקרקע. בקרקע חומצית הצמח פורח בכחול, ובקרקע בסיסית הוא פורח בורוד.
  • p מייצג פוטנציאל, פוטנז (potenz) בגרמנית, ומשמעותו ריכוז.
  • H מייצג יוני מימן חיוביים (פרוטונים) (+H)

pH מוגדר עפ"י הנוסחה הבאה:

\mbox{pH} = -\log_{10} \left[ \mbox{H}_3\mbox{O}^+ \right]

כאשר \  [H_3O^+] הוא ריכוז יוני +H3O, בתמיסה, ו- \ \log_{10} הוא הלוגריתם לפי בסיס 10. הריכוז נמדד במולים לליטר (מוכר גם בשם מולריות).

ניתן לדייק יותר מבחינה כימית, ולומר כי \mbox{pH} = -\log_{10}{(a_{\mathrm{H^+}})}

כאשר a_{\mathrm{H^+}} היא האקטיביות של יוני המימן.

תוכן עניינים

[עריכה] מדידת pH

ניתן למדוד את רמת ה pH בעזרת אינדיקטור pH או באמצעות שימוש במד pH אלקטרוני.
אינדיקטורים הם חומרים המשנים את צבעם לפי רמת ה-pH של התמיסה בה הם נמצאים. לכל אינדיקטור יש רגישות לטווח pH מצומצם, בו הוא משנה צבעו. כיום קיימים אינדיקטורים אוניברסליים המורכבים משילוב של מספר אינדיקטורים, ומאפשרים שינוי צבע רציף בטווח pH גדול מאוד. אינדיקטורים מפורסמים לדוגמה הם לקמוס, פנולפתלאין, ומתיל אדום. מעניין לציין כי גם החומר האדום בכרוב אדום יכול לשמש כאינדיקטור.

מד pH אלקטרוני מתבסס על השפעת החומציות על התכונות החשמליות של התמיסה. מדי pH אלקטרונים הם מדוייקים מאוד יחסית לאינדיקטור, ומאפשרים מדידה ברמת דיוק של מאית יחידת pH. המדידה נעשית על ידי מדידת פוטנציאל החיזור התקני של התמיסה (למעשה, במד pH קיימת ממברנת זכוכית, המאפשרת למדוד רק את השפעת ריכוז יוני ההידרוניום על פוטנציאל החיזור, ולהתעלם מהשפעת המומסים האחרים). מתוך הפוטנציאל ניתן לחשב את ריכוז היונים על ידי שימוש במשוואת נרנסט.

[עריכה] טווח הערכים של ה-pH

מספר ערכי pH אופיניים
חומר pH
מי מכרות חומציים
-3.6 – 1.0
מצבר רכב
-0.5
קיבה
2.0
מיץ לימון
2.4
קוקה קולה
2.5
חומץ
2.9
מיץ תפוזים או תפוחים
3.5
בירה
4.5
גשם חומצי
5.0
קפה
5.0
תה
5.5
חלב
6.5
מים מזוקקים
7.0
רוק
6.5 – 7.4
דם
7.34 – 7.45
מי ים
8.0
סבון ידיים
9.0 – 10.0
אמוניה (דשן)
11.5
אקונומיקה
12.5
סודה קאוסטית
13.5

הערך pH = 7 מתייחס לרמת החומציות של מים מזוקקים, או תמיסה נייטרלית אחרת. משמעותו של pH=7 היא שריכוז יוני ההידרוניום ( +H3O) שווה לריכוז יוני ההידרוקסיד ( -OH). מי ברז או מי גשם אינם טהורים, ומכילים חומרים מומסים שונים ולכן ה-pH שלהם עשוי להיות שונה במעט מ-7. ערכי pH הגבוהים מ-7 הינם בסיסיים יותר, בהם ריכוז ה +H3O נמוך מריכוז -OH. ערכים נמוכים מ-7 מייצגים חומציות, ובהם ריכוז +H3O גדול מריכוז -OH. סולם הדרגות שבו נמדד ה- pH הינו לוגריתמי (לפי בסיס 10), כלומר ההבדל בין pH 1 ל- pH 2 הוא פי 10. הבדל של יחידה אחת מציין גידול פי 10. ברוק, לדוגמא, שהוא בעל pH=6, החומציות גבוהה פי 10 מבמים. בקפה שחור עם ערך pH=5 החומציות גבוהה פי 100 מבמים, בעגבניה, שלה pH=4 החומצית גבוהה פי 1,000 מבמים, בחומץ עם ערך pH=3 החומציות פי 10,000 מבמים וכן הלאה.

התחום הנורמלי של סולם ה-pH הוא בין 0 ל-14, ורוב התמיסות בטבע הן בתחום pH זה. עם זאת, אין שום משמעות מיוחדת לערכים 0 או 14 שמונעת לעבור אותם, ועבור חומצות או בסיסים חזקים במיוחד יתכן pH שחורג מתחום זה. למשל, לתמיסת HCl רוויה (בריכוז 37% משקלי) יש pH=-1.1 בערך, ולעומת זאת לתמיסה רוויה של NaOH יש pH=15 בערך. בטבע נמצאו אף תמיסות בעלות pH=-3.6.

ישנן כמה סיבות שבגללן pH שלילי אינו נפוץ והוא קשה למדידה:

  1. גם חומצות חזקות לא נפרדות לחלוטין ליונים כשהן בריכוז גבוה. למשל, היינו מצפים כי תמיסת HCl של 12 מול בליטר תוביל לערך pH=-1.08 (מכיוון ש log(12)=1.08). בפועל, ערך ה-pH של תמיסה זו גבוה יותר, משום שחלק מיוני המימן נותרים קשורים ליוני הכלור, כיוון שהמערכת מגיעה לשיווי משקל. אמנם בקבוע שיווי משקל הגדול מ-10^{10}\,(10 בחזקת 10) ניתן לומר שהתגובה ההפוכה היא זניחה, כי כמות החומר המומרת חזרה לתוצרים היא זניחה, אך תמיד ניתן למצוא את עקבות כל החומרים בתמיסה.
  2. אלקטרודות זכוכית, המשמשות למדידת pH, אינן רגישות דיין כדי למדוד במדויק ערכי pH שליליים, והתוצאות המתקבלות הן בדרך-כלל גבוהות מה-pH האמיתי של התמיסה. (ראו [1]).
  • הערה: הסימון H+ לסימון יוני מימן נפוץ מאוד בספרות, אם כי הוא אינו מדוייק מבחינה כימית. למעשה, יון המימן מגיב עם מולקולת המים לתת יון הידרוניום +H3O, ואינו קיים כפרוטון בסביבה מיימית. למרות זאת, השימוש בסימון H+ השתרש, וניתן להשתמש בו, כל עוד אנו מבינים את משמעותו.

[עריכה] מדוע ה pH של תמיסה נייטרלית הוא 7?

יוני הידרוניום והידרוקסיד נמצאים גם במים מזוקקים. זאת כיוון שמים מתפרקים באופן טבעי לפי התגובה:


\  H_2O + H_2O \leftrightarrow H_3O^+ + OH^-

תגובה זו נקראת תגובת דיסאוסציאציה. זוהי תגובת שיווי משקל, ולכן מכפלת ריכוזי היונים קבועה (כאשר הטמפרטורה קבועה). בניסויים נמצא כי מכפלת הריכוזים שווה כמעט בדיוק \ 10^{-14} M^2. בתמיסה נייטרלית, ריכוז יוני ההידרוניום שווה לריכוז יוני ההידרוקסיד. אם נשלב נתון זה עם כך שמכפלתם שווה ל \ 10^{-14} , נוכל בקלות להסיק כי בתמיסה נייטרלית מתקיים:

\ [H_3O^+] = [OH^-] = 10^{-7} M, ולכן,

\ pH = pOH = -\log [H_3O^+] = 7.

זהו ריכוז קטן מאוד, והוא לרוב זניח כאשר מחשבים pH של תמיסה של חומצה או בסיס.

[עריכה] קישורים חיצוניים

על pH שלילי: