PH

pH - wykładnik jonów wodorowych, wykładnik wodorowy; wielkość fizyczna uważana za ilościową miarę aktywności jonów wodorowych w roztworach (kwasowości lub zasadowości roztworów) [E. Czarnecka-Żołek i in. 1993, s. 525]. Ujemny logarytm aktywności jonów wodorowych (ściślej hydroniowych):

pH = -lgaH₃0⁺

Ponieważ aktywność indywidualnych jonów jest niemierzalna, stosuje się konwencjonalną skalę pH opartą na standardowych roztworach buforowych oraz na pomiarze SEM z użyciem elektrody odwracalnej względem jonów wodorowych

$pH(X)=pH(S)+{\frac {(E_{S}-E_{X})F}{RT\ln 10}}$

gdzie: pH (x) - pH roztworu badanego, pH (s) - pH standardowego roztworu buforowego, Ex - SEM zmierzona w roztworze badanym, Es - SEM zmierzona w roztworze w roztworze standardowym [D. Kryt i in. 1984, s. 108].

Pomiar pH

Wartość pH badanego roztworu oblicza się ze wzoru lub wyznacza graficznie z wykresu E = f (pH). Do pomiarów wtórnych można używać wskaźników kwasowo - zasadowych. Znacznie dokładniejsze jest oznaczenie za pomocą pehametru [E. Czarnecka-Żołek i in. 1993, s. 525].

Obecnie do pomiarów pH roztworów wodnych stosuje się elektrody kombinowane. Są to zestawy dwóch elektrod w jednej wspólnej oprawce, co upraszcza przeprowadzenie pomiaru. Elektroda taka składa się z części szklanej (wskaźnikowej) zakończonej kulistą membraną, której potencjał zależy od wartości pH badanego roztworu, oraz z części odniesienia. Rolę półogniwa odniesienia pełni elektroda chlorosrebrowa umieszczona w nasyconym roztworze chlorku potasu, nasyconym chlorkiem srebra. Elektrody te są stosunkowo odporne chemicznie i pozwalają na prowadzenie pomiarów w pełnym zakresie wartości pH (od 0 do 14), w szerokim przedziale temperatur.

Innym, mało dokładnym, sposobem oznaczenia kwasowości aktywnej jest określenie pH na podstawie zmiany barwy papierka wskaźnikowego (np. uniwersalnego) w porównaniu ze skalą wzorców lub wynikiem barwienia za pomocą wskaźników organicznych [Bączkowicz i in. 2012, s. 108], które zmieniają swoją barwę w zależności od stężenia jonów wodorotlenowych. Moment zmiany barwy jest bardzo ostry i odwracalny względem stężenia jonów wodorowych. Najważniejsze wskaźniki zamieszczono w tabeli.

Wskaźnik	Zakres zmiany pH	Środowisko kwaśne	Środowisko zasadowe
Błękit tymolowy	1,2-2 - 8	czerwony	żółty
Dinitrofenol	2,4-4,0	bezbarwny	żółty
Czerwień Kongo	3,0-5,2	niebieski	czerwony
Oranż metylowy	3,1-4,4	czerwony	pomarańczowy
Lakmus	4,4-6,6	czerwony	niebieski
Fenoloftaleina	8,0-10,0	bezbarwna	czerwona

Źródło: [Budniok 1993, s. 40-41]

Stężenie jonów H₃O⁺ i wykładnik tego stężenia (pH)

• W czystej wodzie i roztworach obojętnych:

[H₃O] = 1,00 * 10⁻⁷ = [OH^-], pH = 7 = pOH

• W środowisku kwaśnym:

[H₃O] > 1,00 * 10⁻⁷ = [OH^-], pH < 7 < pOH

• W środowisku zasadowym:

[H₃O] < 1,00 * 10⁻⁷ = [OH^-], pH > 7 > pOH

[W. Gorzelany i in. 1982, s. 209]

Wartość pH ma bardzo duże znaczenie dla wielu reakcji chemicznych. Przebieg reakcji chemicznych i otrzymywanie barwników, tworzyw sztucznych, przebieg reakcji polimeryzacji oraz reakcji biochemicznych w znacznym stopniu zależą od pH [A. Budniok 1993, s. 40].

Znaczenie pH w różnych dziedzinach

Reakcje chemiczne i ich zależność od pH

pH, czyli potencjał wodorowy, jest miarą kwasowości lub zasadowości roztworu. Znaczenie pH jest niezwykle istotne w wielu dziedzinach, zaczynając od chemii. Reakcje chemiczne są silnie zależne od pH, ponieważ wpływa ono na aktywność jonów wodorowych (H+) i hydroksylowych (OH-) w roztworze. W zależności od pH, reakcje mogą zachodzić szybciej, wolniej lub wcale.

Wiele substancji chemicznych ma swoje optymalne pH, w którym zachowują się stabilnie. Na przykład, enzymy, które są białkami katalizującymi reakcje chemiczne w organizmach, działają najlepiej w określonym zakresie pH. Zmiana pH może wpływać na strukturę białek i tym samym na ich aktywność. Dlatego kontrolowanie pH jest ważne w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym, aby zapewnić optymalne warunki dla reakcji chemicznych.

Znaczenie pH w biochemii i enzymach

W biochemii pH odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu homeostazy organizmów żywych. Organizmy są bardzo wrażliwe na zmiany pH, ponieważ one również wpływają na strukturę i funkcje białek. Na przykład, enzymy w organizmach działają w określonym zakresie pH, aby przyspieszyć reakcje metaboliczne. Zmiana pH może zakłócić funkcjonowanie enzymów i prowadzić do zaburzeń w organizmach.

Ponadto, pH ma wpływ na pH krwi. Krew człowieka ma optymalne pH w zakresie 7,35-7,45. Zmiana pH krwi może prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych, takich jak zasadowica lub kwasica metaboliczna. Dlatego utrzymanie właściwego pH krwi jest kluczowe dla zachowania zdrowia i homeostazy organizmu.

pH w kontekście organizmów żywych i homeostazy

pH odgrywa również ważną rolę w utrzymaniu homeostazy organizmów żywych. Organizmy żywe, takie jak rośliny, zwierzęta i ludzie, mają swoje optymalne zakresy pH, w których funkcjonują najlepiej. Na przykład, większość roślin preferuje lekko kwasowe pH gleby, aby skutecznie pobierać składniki odżywcze z gleby. Zbyt kwasowe lub zbyt zasadowe pH gleby może wpływać na zdolność roślin do pobierania składników odżywczych i wzrostu.

Organizmy żywe również utrzymują optymalne pH wewnątrz swoich komórek i tkanek. Proces ten jest kontrolowany przez mechanizmy homeostatyczne, które zapewniają, że pH jest utrzymywane w odpowiednim zakresie. Na przykład, ludzki układ oddechowy i układ nerkowy regulują równowagę kwasowo-zasadową organizmu, eliminując nadmiar kwasów lub zasad z organizmu.

Wpływ pH na glebę i rośliny

pH gleby ma ogromne znaczenie dla wzrostu i rozwoju roślin. Gleby mogą mieć różne pH, od kwasowych do zasadowych, co wpływa na dostępność składników odżywczych dla roślin. Na przykład, niektóre składniki odżywcze są bardziej dostępne dla roślin w kwaśnym pH gleby, podczas gdy inne są bardziej dostępne w zasadowym pH.

Zbyt kwasowe lub zbyt zasadowe pH gleby może prowadzić do niedoborów składników odżywczych u roślin, co z kolei może prowadzić do niedoborów w żywieniu roślin i słabego wzrostu. Dlatego kontrolowanie pH gleby jest ważne w rolnictwie i ogrodnictwie, aby zapewnić optymalne warunki dla wzrostu roślin.

Kontrola pH w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym

pH odgrywa kluczową rolę w procesach produkcyjnych przemysłu spożywczego i farmaceutycznego. Kontrola pH jest niezbędna w procesach fermentacji, konserwacji i przechowywania żywności oraz w produkcji leków. W przemyśle spożywczym, odpowiednie pH jest ważne dla utrzymania jakości i trwałości produktów. Na przykład, pH jest kontrolowane podczas produkcji serów, wędlin, jogurtów oraz napojów gazowanych. W przemyśle farmaceutycznym, pH jest monitorowane podczas produkcji leków doustnych, kroplówek i innych preparatów, aby zapewnić skuteczność i stabilność produktów.

Znaczenie pH dla środowiska wodnego

pH ma duże znaczenie dla ekosystemów wodnych. Wiele organizmów wodnych jest wrażliwych na zmiany pH w swoim środowisku. Zbyt niskie lub zbyt wysokie pH może prowadzić do zmniejszenia różnorodności biologicznej oraz obumierania organizmów wodnych. Zanieczyszczenia, takie jak kwaśne deszcze lub odpady przemysłowe, mogą wpływać na pH wody i w konsekwencji prowadzić do degradacji ekosystemów wodnych. Dlatego monitorowanie i kontrola pH w wodach powierzchniowych i podziemnych jest istotne dla ochrony środowiska wodnego.

Znaczenie pH dla wody pitnej i przemysłu kosmetycznego

Woda pitna powinna mieć odpowiednie pH, aby być bezpieczną do spożycia. Zbyt niskie pH może wskazywać na obecność kwasów, które mogą być szkodliwe dla zdrowia człowieka. Zbyt wysokie pH może wskazywać na obecność zasadowych substancji, które również mogą być niebezpieczne. Dlatego pH wody pitnej jest monitorowane i regulowane, aby zapewnić jej odpowiednią jakość.

W przemyśle kosmetycznym, pH ma istotne znaczenie dla skóry i włosów. Produkty kosmetyczne, takie jak szampony, odżywki czy kremy do twarzy, są dostosowane do odpowiedniego pH, aby zapewnić optymalne działanie i minimalizować ryzyko podrażnień. Przykładowo, pH szamponu powinno być zbliżone do naturalnego pH skóry głowy, aby utrzymać jej równowagę i zdrowie.

pH w kontekście produkcji biopaliw i przemysłu papierniczego

W produkcji biopaliw, kontrola pH jest kluczowa dla procesów fermentacji, w których mikroorganizmy przekształcają surowce organiczne w paliwa. Odpowiednie pH jest niezbędne do zapewnienia optymalnych warunków wzrostu mikroorganizmów i maksymalnej wydajności procesu.

W przemyśle papierniczym, pH odgrywa ważną rolę w procesach produkcyjnych, takich jak wybielanie papieru. Kontrola pH jest niezbędna do zapewnienia odpowiednich warunków reakcji chemicznych, które prowadzą do uzyskania pożądanej jakości i wyglądu papieru.

PH — artykuły polecane

Kolorymetria — Kwasowość — Alkaliczność — Próba (Towaroznawstwo) — Kalorymetria — Polarografia — Polarymetria — Profilografia — Wykres Molliera

Bibliografia

• Bączkowicz M. i in. (2013), Podstawy analizy i oceny jakości żywności Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, Kraków
• Budniok A. (1993), Chemia Techniczna, Uniwersytet Śląski, Katowice
• Czarnecka-Żołek E. i in. (red.) (1993), Encyklopedia Techniki. Chemia. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa
• Gorzelany W. i in. (1982), Obliczenia Chemiczne, PWN, Warszawa
• Milewska-Burczykowa I. (red.) (1984), Słownik chemii analitycznej, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa

Autor: Patrycja Puch