Overview
מקור: המעבדה של ד"ר ז'ונגצ'י הוא - משרד החקלאות של ארצות הברית
חומצות ובסיסים הם חומרים המסוגלים לתרום פרוטונים (H+) ויונים הידרוקסיד (OH-), בהתאמה. הם שני קצוות המתארים כימיקלים. ערבוב חומצות ובסיסים יכול לבטל או לנטרל את ההשפעות הקיצוניות שלהם. חומר שאינו חומצי ואינו בסיסי הוא ניטרלי. הערכים של ריכוז פרוטונים ([H+]) עבור רוב הפתרונות הם קטנים באופן לא נוח וקשה להשוות, כך כמות מעשית יותר, pH, הוצגה. pH הוגדר במקור כלוגריתם העשרוני של הריכוז הטוחן של פרוטונים 
, אך עודכן לוגריתם עשרוני של ההדדי של פעילות מימן יון 
. ההגדרה הקודמת מתבטאת כיום לעתים כ- p[H]. ההבדל בין p [H] ו- pH הוא די קטן. נאמר כי pH = p[H] + 0.04. נהוג להשתמש במונח 'pH' עבור שני סוגי המדידות.
סולם ה- pH נע בדרך כלל בין 0 ל- 14. לתמיסת 1 M של חומצה חזקה, pH =0 ולפתרון של 1 M של בסיס חזק, pH = 14. לפיכך, ערכי pH נמדדים יהיו בעיקר בטווח 0 עד 14, אם כי ערכים מחוץ לטווח זה אפשריים לחלוטין. מים טהורים הם ניטרליים עם pH = 7. חומציות פחות מ-7 היא חומצית, ו-pH גדול מ-7 הוא בסיסי. מכיוון שקנה המידה של ה- pH הוא לוגריתמי, pH הוא כמות ללא ממדים. כל ערך pH שלם מתחת ל-7 הוא פי 10 חומצי יותר מהשלם הבא. לדוגמה, pH של 4 הוא פי 10 יותר חומצי מאשר pH של 5 ו 100x (10 x 10) חומצי יותר מאשר pH של 6. הדבר נכון גם לגבי ערכי pH מעל 7, שכל אחד מהם בסיסי פי 10 (או אלקליין) מהערך השלם הנמוך הבא. לדוגמה, רמת pH של 10 היא פי 10 יותר בסיסית מ- pH של 9.
Principles
ה- pH של פתרון עשוי להיקבע במדויק ובקלות על ידי מדידות אלקטרוכימיות עם מכשיר המכונה מד pH עם אלקטרודה רגישה ל- pH (פרוטון) (בדרך כלל זכוכית) ואלקטרודה התייחסות (בדרך כלל כלוריד כסף או קלומל). באופן אידיאלי, פוטנציאל האלקטרודה, E, עבור הפרוטון יכול להיכתב כמו
כאשר E הוא פוטנציאל נמדד, E0 הוא פוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטיב- H += 1 מול / L, R הוא קבוע הגז, T הוא הטמפרטורה בקלווין, F הוא קבוע פאראדיי.
האלקטרודה pH משתמשת זכוכית מנוסחת במיוחד, רגישה ל- pH במגע עם הפתרון, אשר מפתחת את הפוטנציאל (E) פרופורציונלי ל- pH של הפתרון. אלקטרודת הייחוס נועדה לשמור על פוטנציאל קבוע בכל טמפרטורה נתונה, ומשמשת להשלמת מעגל מדידת ה- pH בתוך הפתרון. הוא מספק פוטנציאל התייחסות ידוע לאלקטרודה pH. ההבדל בפוטנציאלים של האלקטרודות pH וייחוס מספק אות מיליוולט (mV) פרופורציונלי ל- pH. בפועל, אלקטרודה זכוכית משולבת יש אלקטרודה התייחסות מובנית. הוא מכויל כנגד פתרונות חיץ של פעילות מימן-יון ידועה. רוב חיישני ה-pH מתוכננים לייצר אות 0-mV ב-7.0 pH, עם שיפוע (אידיאלי תיאורטית) או רגישות, של -59.16 mV / pH ב 25 °C (7 °F). שני פתרונות חיץ או יותר משמשים על מנת להתאים את העובדה כי "השיפוע" עשוי להיות שונה במקצת מאידיאל. פתרונות חיץ סטנדרטיים מסחריים מגיעים בדרך כלל עם מידע על ערך ה- pH ב- 25 °C (70 °F) וגורם תיקון שיש להחיל על טמפרטורות אחרות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. כיול pH
- הפעל את עוצמת המונה על-ידי לחיצה על כפתור ההפעלה.
- חבר את הבדיקה אוטומטית לפיצוי טמפרטורה (ATC) אם היא זמינה ו/או אינה עם האלקטרודה.
- ודא שמצב המדידה הוא pH. אם לא, לחץ על כפתור "MODE" עד שמצב "pH" יופיע בתצוגת LCD.
- עיין במדריך לעיון מהיר בתחתית המונה או בקרבת מקום לקבלת עזרה במידת הצורך.
- השתמש תמיד במאגרי pH טריים, שאינם בשימוש ולא נוסו לצורך כיול. המאגרים צריכים להיות באותה טמפרטורה כמו פתרונות הבדיקה.
- לשטוף את אלקטרודה pH עם מים מזוקקים ולאחר מכן עם המאגר בשימוש לכיול(כלומר,pH 7.00).
- טובלים את האלקטרודה pH לתוך חוצץ pH נייטרלי(כלומר,pH 7.00). מערבבים את המאגר עם פס מגנטי (בקצב מתון עבור ~ 30 s) לקבלת התוצאות הטובות ביותר.
- לחץ על לחצן "CAL/MEAS" (כיול [או תקינה]/easurement) כדי לבחור בפונקציה 'כיול (סטנדרטיזציה).' הגדר את ערך ה- pH של המאגר בתצוגת המונה ל- 7.00.
- כאשר "קריאה" יציבה, לחץ על לחצן "ENTER" כדי לקבל. הקריאה הראשית תהבהב לזמן קצר לפני שהתצוגה המשנית תתחיל לגלול בין המאגרים הזמינים הנותרים.
- לשטוף את אלקטרודה pH עם מים מזוקקים ולאחר מכן עם המאגר לשמש לכיול הבא(כלומר,pH 4.01).
- טובלים את האלקטרודה pH לתוך החיץ הבא של pH 4.01. יש לנעול את תצוגת המונה בערך המאגר.
- כאשר ה"קריאה" יציבה, הקש על "ENTER" כדי לקבל. הקריאה הראשית תהבהב בקצרה ולאחר מכן תציג את יעילות האחוז (שיפוע) לפני שהתצוגה המשנית תתחיל לגלול בין המאגרים הזמינים הנותרים.
- חזור על שלבים 2.2-2.7 לכיול מאגר pH 10.01.
- המונה יחזור באופן אוטומטי למצב מדידה עם השלמתו המוצלחת של הכיול בן 3 הנקודות.
הערות: (1) המאגרים הסטנדרטיים של pH 4.01 ו- 10.01 עשויים להיות מוחלפים במאגרים מתאימים אחרים לפי טווח ה- pH של דגימות הבדיקה. (2) לכיול יחיד (נייטרלי)-או דו-שלם, לחץ על לחצן "CAL/MEAS" כדי לחזור למדידות לאחר השלמת הכיול. (3) כיול עם יותר מ-3 נקודות עשוי לשמש למדידות מדויקות יותר. (4) מומלץ לבצע את הכיול בתחילת כל יום. לעבודה מדויקת מאוד יש לכייל את מד ה- pH לפני כל מדידה. (5) התאם ידנית את ערכי ה- pH של המאגרים אם הטמפרטורה שונה מטמפרטורת החדר הסטנדרטית ולא מחוברת בדיקה ATC.
2. מדידות pH
- ודא שהמונה נמצא במצב מדידת pH.
- יש לשטוף ביסודיות את האלקטרודה pH בין מדידות במים מזוקקים כדי למנוע זיהום של הפתרונות הנבדקים. כתם בעדינות את האלקטרודה על רקמת ניקוי מעבדה כדי להסיר את עודפי המים לשטוף. אין לשפשף את הנורה שכן זה יכול לגרום הצטברות מטען סטטי. לחלופין, לשטוף את האלקטרודה עם פתרון הבדיקה.
- טובלים את האלקטרודה pH לתוך פתרון בדיקה או מתלה. מערבבים את התמיסה עם פס מגנטי (~30 s) עם קצב ערבוב זהה לכיול לקבלת התוצאות הטובות ביותר.
- ה- pH הושלם כאשר קריאת ה- pH יציבה.
- במידת הצורך וזמין, לחץ על כפתור "החזק" כדי להקפיא את הקריאה הנמדדת. לחץ שוב כדי לחדש את הקריאה בשידור חי.
- הקלט את ערך ה- pH (ואת הטמפרטורה במידת הצורך) על-ידי כתיבה או לחיצה על לחצן "MEMORY" (אם ישים) כדי לאחסן את הערך בזיכרון.
- חזור על שלבים 3.2-3.6 למדידות מרובות.
- יש לשטוף ולאחסן היטב את האלקטרודה בתמיסת האחסון לאחר השלמת כל המדידות.
הערות: (1) זמן התגובה לבדיקת pH בכל מאגר לא צריך להיות יותר מ- 60 s, אך עשוי להיות ארוך יותר עבור פתרונות / השמצה מסוימים לבדיקה. (2) יש לנקות את בדיקת האלקטרודה באמצעות פתרון ניקוי pH-אלקטרודה פעם בחודש, או בכל פעם שהוא מלוכלך. פתרון HCl 0.1 M יכול לשמש לניקוי כללי. חומר ניקוי נוזלי מדולל ואקונומיקה לכביסה ביתית עשויים לשמש לניקוי גריז וזיהומים חיידקיים. עם זאת, כדי למנוע בעיות בלתי צפויות, השיטה הטובה ביותר היא תמיד להתייחס להמלצות יצרן אלקטרודה. (3) נורת האלקטרודה pH צריכה להיות לחה בכל עת. שמור אותו בתמיסת אחסון האלקטרודה שמגיעה עם האלקטרודה. השתמש בפתרון מאגר pH 4 אם אין פתרון אחסון זמין. השתמש בפתרון מאגר pH 7 לזמן קצר אם אף אחד מהם אינו זמין.
מד החומציות הוא מכשיר חשמלי הקובע את החומציות או הבסיסיות של פתרונות מימיים, אחד הפרמטרים הנפוצים ביותר המנוטרים.
כדי להשתמש במד pH, אלקטרודת ה- pH מכוילת תחילה עם פתרונות חיץ סטנדרטיים עם ערכי pH ידועים המשתרעים על פני הטווח הנמדד. כדי לבצע מדידת pH, האלקטרודה שקועה בתמיסת המדגם עד להגעה לקריאה קבועה. לאחר מכן, האלקטרודה נשטפת לאחר כל דגימה ומאוחסנת בתמיסת אחסון לאחר השלמת כל המדידות.
וידאו זה ידגים כיצד לכייל מד pH ולקבל מדידות pH, כמו גם להציע כמה טיפים על טיפול באלקטרודה שבירה.
כאשר חומצה או בסיס ממוקם במים, תגובות הידרוליזה יכול להתרחש. כמות היונים ההידרוניום או יונים הידרוקסיד הניבו בתגובה קובע את החומציות או הבסיסיות של הפתרון. מאפיין חשוב זה מוערך בדרך כלל על ידי הריכוז של יון הידרוניום, אשר לעתים קרובות מקוצר כמו מימן יון או פרוטון. עבור רוב הפתרונות, ריכוז מימן יונים, המתבטא מולים לליטר, הוא קטן מאוד, ולכן כמות מעשית יותר, pH, הוכנס.
pH מוגדר כלוגריתם שלילי של ריכוז הטוחנת של יון המימן. סולם ה- pH נע בין 0 ל - 14. מים טהורים הם ניטרליים עם pH של 7; pH פחות מ 7 הוא חומצי, ו- pH גדול מ 7 הוא בסיסי. מאז סולם ה- pH הוא לוגריתמי, ירידה יחידה pH שווה לעלייה של פי עשרה בחומציות.
אז איך מד ה-pH מודד pH? מרכיב מרכזי במד pH הוא אלקטרודה רגישה למימן. הפתרון בתוך האלקטרודה הזו מכיל ריכוז ידוע של יונים מימן. כאשר האלקטרודה שקועה בפתרון של pH לא ידוע, פוטנציאל חשמלי מתפתח כפונקציה של ריכוז מימן יונים בתמיסת הבדיקה. אלקטרודה זו רגישה למימן, יחד עם אלקטרודה ייחוס שבה הוא משולב לעתים קרובות לתוך גוף אחד, מחוברת למונה ה- pH, כך שניתן למדוד את הפוטנציאל המפותח ולהמיר אותו לערך ה- pH.
עכשיו שאתם מבינים את התיאוריה שמאחורי מד pH, בואו נסתכל על השימוש בו בסביבה חקלאית.
לפני מדידות pH, מד ה- pH מכויל. כיול צריך להתבצע בתחילת כל יום או לפני כל מדידה אם נדרשים נתונים מדויקים ביותר.
בחר מאגרים המשתרעים על-פני טווח ערכי ה- pH של הדוגמאות. בהדגמה זו, מד ה- pH מכויל עם שלושה חוצצים עם pH 4, 7 ו - 10. ודא שהמאגרים טריים, לא מנוצלים ולא נחקרים.
כדי להתחיל, הפעל את מד ה- pH על-ידי לחיצה על לחצן ההפעלה.
לאחר מכן, חבר את בדיקת ה- pH ופיצוי הטמפרטורה האוטומטי, או בדיקת ATC, ליחידה. בתצוגת LCD, ודא שמצב המדידה הוא "pH". אם לא, לחץ על כפתור "MODE" עד שיופיע "pH".
לאחר מכן, הסר את האלקטרודה pH ממאגר האחסון. היזהר לא לאפשר לנורת האלקטרודה להתייבש בכל שלב במהלך הניסוי. לשטוף את האלקטרודה עם מים מזוקקים, ואחריו את חוצץ pH 7 סטנדרטי.
לאחר מכן, לטבול את אלקטרודה pH לתוך המאגר. מערבבים את המאגר עם פס מגנטי לקבלת התוצאות הטובות ביותר. כדי למנוע שבירת האלקטרודה השברירית, הקפד לשמור על מרחק בין האלקטרודה לבין הבר המערבב.
לחץ על לחצן "CAL(ibration) / MEAS(urement)" כדי לבחור את פונקציית הכיול. הגדר את ערך ה- pH של המאגר ל- 7.00. כאשר הקריאה יציבה, הקש על "ENTER". הקריאה הראשית מהבהבת בקצרה; לאחר מכן התצוגה המשנית מציגה את המאגרים הנותרים. האלקטרודה מוכנה כעת לכיול עם המאגר הסטנדרטי הבא.
לשטוף את האלקטרודה pH כמו קודם, תחילה עם מים מזוקקים, ולאחר מכן את חוצץ pH 4 סטנדרטי. לאחר מכן, למקם את האלקטרודה במאגר. כאשר הקריאה יציבה, הקש על "ENTER". הקריאה הראשית מהבהבת בקצרה, ואחריה תצוגה של יעילות האחוזים, או השיפוע, לפני שהמאגרים הנותרים מוצגים בתצוגה המשנית.
לבסוף, חזור על שלבי השטיפה וכיול עם המאגר הסטנדרטי pH 10. הקריאה הקבועה צריכה להיות pH 10.01. לאחר לחיצה על "Enter", הכיול בן 3 הנקודות נעשה והמונה יחזור באופן אוטומטי למצב מדידה.
המכשיר מוכן כעת לשימוש לבדיקת דגימות קרקע משדה תפוחי אדמה.
התחל מדידות pH על ידי שטיפה יסודית של אלקטרודה pH עם מים מזוקקים. כתם בעדינות את האלקטרודה על רקמת ניקוי מעבדה כדי להסיר עודפי מים. היזהר לא לשפשף את הנורה כפי שהוא יכול לגרום הצטברות מטען סטטי. שלב השטיפה צריך להתבצע בין כל דגימה כדי למנוע זיהום.
לאחר מכן, לטבול את האלקטרודה pH לתוך מדגם עם ערבוב. מהירות ההתנועעות צריכה להיות זהה לכיול. המתן עד שהקריאה תהיה יציבה, שאמורה להימשך פחות מ- 60 s עבור רוב הדגימות, ולאחר מכן להקליט את ערך ה- pH. במידת הצורך, לחץ על כפתור "החזק" כדי להקפיא את תצוגת הקריאה. לחץ שוב כדי לחדש את הקריאה בשידור חי. ניתן לאחסן את ערך ה- pH בזיכרון על-ידי לחיצה על לחצן "MI" (או הוספת זיכרון). ערך מיקום הזיכרון המאוחסן, או StO, יוצג בקצרה.
חזור על שלבי השטיפה והמדידה כפי שהוצגו בעבר עבור כל הדגימות הנותרות. לאחר השלמת כל המדידות, יש לשטוף היטב את האלקטרודה לפני הנחתה בתמיסת האחסון.
בניסוי זה נמדד ה- pH של דגימות קרקע מרובות משדות חקלאיים. ל-pH יש השפעות רבות על צמיחת היבול, כולל זמינות חומרים מזינים, רעילות ובקרת מחלות. גידולים שונים יש טווחי pH של צמיחה אופטימלית. על ידי שליטה על ה- pH, ניתן למזער את המחלה תוך הגדלת התשואה.
דגימות הקרקע נאספו מחמישה שדות תפוחי אדמה בשיטות סיבוב חיתוך שונות עם או בלי השקיה במי תהום. השקיית מי תהום הגדילה בעקביות את ה-pH של הקרקע בכל חמשת השדות. נתונים אלה חיוניים למתן המלצת לימינג לשדות תפוחי האדמה.
תחומי מדע רבים דורשים מדידות pH או ניטור במחקר שלהם.
לדוגמה, כדי להשתמש בביומסה בצורה יעילה יותר ולהבין טוב יותר את ארכיטקטורת דופן התא הצמחי, בוצעה סדרה של תגובות לסנתז ביומימיקה של עץ, כך שניתן להבין טוב יותר את ארכיטקטורת קיר התא הצמחי.
בשלב הראשון, סיבי עיסת קראפט שימש ליצירת תאית nanofibrillated. ה- pH של תערובת התגובה ירד ככל שקבוצות ההידרוקסיל על התאית היו מחומצנות.
ה- pH היה מנוטר רציף ומותאם על ידי הוספת נתרן הידרוקסיד. ברגע שכל קבוצות ההידרוקסיל הנגישות היו מחומצנות, ה- pH כבר לא ישתנה והתגובה הושלמה.
במחקר סביבתי זה, נגר מים נותח במתקן המדמה נופים עירוניים. נגר יש פוטנציאל לשאת חומרים מזינים משקעים לתוך נחלים מקומיים ואגמים שבו הם עשויים לתרום eutrophication.
מתקן עם חלקות שדה מרובות נבנה, ומי נגר נאספו. ה- pH של דגימות נגר, יחד עם מרכיבים כימיים אחרים, היה כימות.
במחקר מדעי החיים, pH הוא גם עניין רב כפי שהוא מוסדר בקפדנות אורגניזמים חיים. בדוגמה זו פותחו חיישני pH פלואורסצנטיים.
כדי לכייל חיישנים אלה במבחנה, titration pH בוצעה cuvette, שבו ה- pH של פתרון החיישן נמדד עם microelectrode, ואת ספקטרום הפליטה בכל pH הושגו. בדרך זו, עוצמת הפלואורסצנטיות יכולה להיות שרטטה נגד ה- pH כדי ליצור עקומת כיול.
חיישנים אלה שימשו אז למדידת pH בתאים חיים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לשימוש במד פיו. עכשיו אתה צריך להבין מה pH הוא, איך המונה עובד, וכיצד להשתמש באחד כדי למדוד pH.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
איור 1 מראה את רמת ה-pH של קרקעות חקלאיות שהושפעו מהניהול של החיתוך ומהשקיה במי התהום. דגימות קרקע אלה נאספו מ-5 שדות תפוחי אדמה בשיטות סיבוב חיתוך שונות עם או בלי השקיה במי תהום. ה-pH הנמוך ביותר נצפה בקרקעות שדה 4 הן בסדרות המושקות והן במי התהום. השקיית מי תהום הגדילה בעקביות את ה-pH של הקרקע בכל 5 השדות. מידע ה-pH חיוני להמלצה על לימינג שדות תפוחי האדמה כראוי כדי לקדם צמיחה אופטימלית.
איור 1. pH קרקע של שדות תפוחי אדמה תחת שיטות ניהול חיתוך שונות עם או בלי השקיה מתחת למים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
pH הוא אחד הפרמטרים הכימיים הנפוצים ביותר של פתרונות מימיים. זהו פרמטר קריטי בטיפול במים ושפכים ליישומים עירוניים ותעשייתיים, ייצור כימי, מחקר חקלאות וייצור. זה גם קריטי ניטור סביבתי, מחקר כימי ומדעי החיים, ביוכימי ומחקר פרמצבטי, ייצור אלקטרוניקה, ויישומים רבים יותר. איור 2 מפרט ערכי pH של חומרים נפוצים מסוימים.
מים טהורים הם ניטרליים, עם pH של 7.00. כאשר כימיקלים מעורבבים עם מים, התערובת יכולה להיות חומצית או בסיסית. חומץ ומיץ לימון הם חומרים חומציים, בעוד דטרגנטים כביסה אמוניה הם בסיסיים. כימיקלים בסיסיים מאוד או חומציים מאוד נחשבים "תגובתי". הכימיקלים האלה יכולים לגרום לכוויות חמורות. חומצת סוללת רכב היא כימיקל חומצי כי הוא תגובתי. סוללות רכב מכילות צורה חזקה יותר של אחת החומצות שנמצאו בגשם חומצי. חומרי ניקוי ביתיים מכילים לעתים קרובות בורית, כימיקל אלקליין מאוד כי הוא גם תגובתי.
במערכות חיות, ה- pH של תאים תאיים שונים, נוזלי גוף ואיברים מוסדר בדרך כלל בחוזקה בתהליך הנקרא הומאוסטזיס בסיס חומצה. ה- pH של הדם הוא בדרך כלל מעט בסיסי עם ערך של pH 7.365. ערך זה מכונה לעתים קרובות pH פיזיולוגי בביולוגיה וברפואה. פלאק יכול ליצור סביבה חומצית מקומית שיכולה לגרום לעששת על ידי demineralization. אנזימים וחלבונים אחרים יש טווח pH אופטימלי והוא יכול להיות מומת או denatured מחוץ לטווח זה.
איור 2. סולם ה- pH וערכי ה- pH של כמה פריטים נפוצים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
