पीएच (pH)

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यूनिवर्सल इंडिकेटर के साथ रंगीन पीएच 1-10 के समाधान वाली टेस्ट ट्यूब

रसायन विज्ञान में, पीएच (/piːˈeɪtʃ/), ऐतिहासिक रूप से हाइड्रोजन (या हाइड्रोजन की शक्ति) की क्षमता को दर्शाता है, एक जलीय घोल की अम्ल ता या क्षार (रसायन) को निर्दिष्ट करने के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला पैमाना है। अम्लीय समाधान (हाइड्रोजन आयन #Cation की उच्च सांद्रता वाले समाधान (सकारात्मक रूप से आवेशित) |H⁺आयन ) को मूल या क्षार ीय समाधानों की तुलना में कम पीएच मान के लिए मापा जाता है।

पीएच स्केल लघुगणकीय पैमाने है और विलयन में हाइड्रोनियम की सांद्रता को व्युत्क्रम रूप से इंगित करता है।

${\ce {pH}}=-\log(a_{\ce {H+}})=-\log([{\ce {H+}}]/{\ce {M}})$

जहां दाढ़ एकाग्रता = मोल डीएम⁻³. 25 सेल्सियस|°C (77फ़ारेनहाइट|°F) पर, 7 से कम pH वाले विलयन अम्लीय होते हैं, और 7 से अधिक pH वाले विलयन क्षारीय होते हैं। इस तापमान पर 7 के पीएच वाले समाधान तटस्थ होते हैं (यानी एच की समान एकाग्रता होती है⁺ आयन OH के रूप में⁻ आयन, यानी शुद्ध पानी )। पीएच का तटस्थ मान तापमान पर निर्भर करता है – यदि तापमान 25 °C से ऊपर बढ़ता है तो 7 से कम होना। पीएच मान बहुत केंद्रित एसिड ताकत के लिए 0 से कम हो सकता है, या बहुत केंद्रित आधार (रसायन विज्ञान) # मजबूत आधारों के लिए 14 से अधिक हो सकता है। पीएच स्केल मानक समाधानों के एक सेट के लिए मापन ट्रेसबिलिटी है जिसका पीएच अंतरराष्ट्रीय समझौते द्वारा स्थापित किया गया है।हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड और सिल्वर क्लोराइड इलेक्ट्रोड जैसे मानक इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर को मापकर प्राथमिक पीएच मानक मान बिजली उत्पन्न करनेवाली सेल का उपयोग करके निर्धारित किए जाते हैं। जलीय घोल के पीएच को ग्लास इलेक्ट्रोड और पी एच मीटर या रंग बदलने वाले पीएच संकेतक से मापा जा सकता है। रसायन विज्ञान, कृषि विज्ञान, चिकित्सा, जल उपचार और कई अन्य अनुप्रयोगों में पीएच के मापन महत्वपूर्ण हैं।

इतिहास

पीएच की अवधारणा सबसे पहले 1909 में कार्ल्सबर्ग प्रयोगशाला में डेनिश लोग ों के रसायनज्ञ सोरेन पेडर लॉरिट्ज़ सोरेनसेन | सोरेन पीटर लॉरिट्ज़ सोरेनसेन द्वारा पेश की गई थी। और 1924 में विद्युत रासायनिक कोशिकाओं के संदर्भ में परिभाषाओं और मापों को समायोजित करने के लिए आधुनिक पीएच में संशोधित किया गया था। पहले पत्रों में, अंकन में एच^• लोअरकेस p के सबस्क्रिप्ट के रूप में, इस प्रकार: p_H•।

साइन पी के लिए, मैं नाम 'हाइड्रोजन आयन एक्सपोनेंट' और प्रतीक पी प्रस्तावित करता हूं_H•। फिर, हाइड्रोजन आयन घातांक के लिए (p_H•) एक समाधान के, संबंधित हाइड्रोजन आयन समतुल्य एकाग्रता के सामान्य लघुगणक के नकारात्मक मान को समझना है।</ब्लॉककोट>

pH में अक्षर p का सटीक अर्थ विवादित है, क्योंकि सॉरेन्सन ने यह स्पष्ट नहीं किया कि उन्होंने इसका उपयोग क्यों किया। सॉरेन्सन संभावित अंतरों का उपयोग करके पीएच को मापने का एक तरीका बताता है, और यह हाइड्रोजन आयनों की एकाग्रता में 10 की नकारात्मक शक्ति का प्रतिनिधित्व करता है। पत्र पी फ्रांसीसी पुइसेंस, जर्मन पोटेन्ज़, या डेनिश पोटेन्स के लिए खड़ा हो सकता है, जिसका अर्थ शक्ति है, या इसका अर्थ संभावित हो सकता है। इनके लिए सभी शब्द फ्रेंच भाषा, जर्मन भाषा और डेनिश भाषा में अक्षर p से शुरू होते हैं - सभी भाषाएँ सोरेनसेन में प्रकाशित हुईं: कार्ल्सबर्ग प्रयोगशाला फ्रेंच भाषी थी, जर्मन वैज्ञानिक प्रकाशन की प्रमुख भाषा थी, और सोरेनसेन डेनिश थी। उन्होंने पेपर में कहीं और भी उसी तरह अक्षर क्यू का इस्तेमाल किया। उसने परीक्षण समाधान p और संदर्भ समाधान q को मनमाने ढंग से लेबल भी किया हो सकता है; ये अक्षर अक्सर जोड़े जाते हैं। कुछ साहित्य सूत्रों का कहना है कि पीएच लैटिन भाषा के पोंडस हाइड्रोजनी (हाइड्रोजन की मात्रा) या पोटेंशिया हाइड्रोजनी (हाइड्रोजन की शक्ति) के लिए खड़ा है, हालांकि यह सोरेनसेन के लेखन द्वारा समर्थित नहीं है। वर्तमान में रसायन विज्ञान में, p सामान्य लघुगणक के लिए खड़ा है, और इसका उपयोग pK शब्द में भी किया जाता है_a, अम्ल पृथक्करण स्थिरांक के लिए उपयोग किया जाता है और पीओएच, हीड्राकसीड आयनों के बराबर।

बैक्टीरियोलॉजिस्ट ऐलिस कैथरीन इवांस | ऐलिस सी. इवांस, डेयरी और खाद्य सुरक्षा पर अपने काम के प्रभाव के लिए प्रसिद्ध, विलियम मैन्सफील्ड क्लार्क और सहयोगियों (जिनमें से वह एक थीं) को 1910 के दशक में पीएच मापने के तरीके विकसित करने का श्रेय दिया, जिसका प्रयोगशाला पर व्यापक प्रभाव था और उसके बाद औद्योगिक उपयोग। अपने संस्मरण में, उन्होंने यह उल्लेख नहीं किया है कि कुछ साल पहले क्लार्क और उनके सहयोगियों को सॉरेन्सन के काम के बारे में कितना या कितना कम पता था। उसने कहा:

इन अध्ययनों में [बैक्टीरिया के चयापचय के] डॉ. क्लार्क का ध्यान बैक्टीरिया के विकास पर एसिड के प्रभाव को निर्देशित किया गया था। उन्होंने पाया कि यह हाइड्रोजन-आयन सांद्रता के मामले में एसिड की तीव्रता है जो उनके विकास को प्रभावित करती है। लेकिन अम्लता को मापने के मौजूदा तरीके एसिड की मात्रा निर्धारित करते हैं, तीव्रता नहीं। इसके बाद, अपने सहयोगियों के साथ, डॉ. क्लार्क ने हाइड्रोजन-आयन सांद्रता को मापने के लिए सटीक तरीके विकसित किए। इन तरीकों ने दुनिया भर में जैविक प्रयोगशालाओं में उपयोग में आने वाली एसिड सामग्री को निर्धारित करने की गलत अनुमापन विधि को बदल दिया। साथ ही वे कई औद्योगिक और अन्य प्रक्रियाओं में लागू पाए गए जिनमें वे व्यापक उपयोग में आए।</ब्लॉककोट>

1934 में कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान के एक प्रोफेसर अर्नोल्ड ऑरविल बेकमैन ने पीएच को मापने के लिए पहली इलेक्ट्रानिक्स विधि का आविष्कार किया था। यह स्थानीय साइट्रस उत्पादक सनकिस्ट ग्रोअर्स, इनकॉर्पोरेटेड के जवाब में था जो नींबू के पीएच का त्वरित परीक्षण करने के लिए एक बेहतर तरीका चाहते थे जो वे अपने आस-पास के बागों से उठा रहे थे।

परिभाषा और माप

पीएच

पीएच को हाइड्रोजन आयन गतिविधि (रसायन विज्ञान) के पारस्परिक के दशमलव लघुगणक के रूप में परिभाषित किया गया है_H+, एक समाधान में।

${\ce {pH}}=-\log _{10}(a_{{\ce {H+}}})=\log _{10}\left({\frac {1}{a_{{\ce {H+}}}}}\right)$

उदाहरण के लिए, 5×10 की हाइड्रोजन आयन गतिविधि वाले समाधान के लिए⁻⁶ (उस स्तर पर, यह अनिवार्य रूप से प्रति लीटर विलयन में हाइड्रोजन आयनों के मोल (इकाई) की संख्या है) लघुगणक का तर्क 1/(5×10) है⁻⁶) = 2×10⁵; इस प्रकार इस तरह के समाधान में लॉग का पीएच होता है₁₀(2×10⁵) = 5.3। निम्नलिखित उदाहरण पर विचार करें: 10 की मात्रा^{25 °C (pH = 7) या 180 मीट्रिक टन (18×10) पर 7} शुद्ध पानी⁷ g), में लगभग 18 मिलीग्राम वियोजन (रसायन विज्ञान) हाइड्रोजन आयन होते हैं।

ध्यान दें कि पीएच तापमान पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए 0 डिग्री सेल्सियस पर शुद्ध पानी का पीएच लगभग 7.47 होता है। 25 डिग्री सेल्सियस पर यह 7.00 है, और 100 डिग्री सेल्सियस पर यह 6.14 है।

इस परिभाषा को इसलिए अपनाया गया क्योंकि आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड , जिनका उपयोग पीएच को मापने के लिए किया जाता है, गतिविधि पर प्रतिक्रिया करते हैं। आदर्श रूप से, इलेक्ट्रोड क्षमता, E, Nernst समीकरण का अनुसरण करती है, जिसे हाइड्रोजन आयन के रूप में लिखा जा सकता है

$E=E^{0}+{\frac {RT}{F}}\ln(a_{{\ce {H+}}})=E^{0}-{\frac {2.303RT}{F}}{\ce {pH}}$

जहां ई मापी गई क्षमता है, ई⁰ मानक इलेक्ट्रोड क्षमता है, R गैस स्थिरांक है, T केल्विन में तापमान है, F फैराडे स्थिरांक है। के लिए H⁺ हस्तांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या एक है। यह इस प्रकार है कि इलेक्ट्रोड क्षमता पीएच के समानुपाती होती है जब पीएच को गतिविधि के संदर्भ में परिभाषित किया जाता है। पीएच का सटीक माप अंतर्राष्ट्रीय मानक आईएसओ 31-8 में निम्नानुसार प्रस्तुत किया गया है: एक संदर्भ इलेक्ट्रोड और हाइड्रोजन आयन गतिविधि के प्रति संवेदनशील इलेक्ट्रोड के बीच वैद्युतवाहक बल (ईएमएफ) को मापने के लिए एक गैल्वेनिक सेल की स्थापना की जाती है, जब वे दोनों एक ही जलीय घोल में डूबे होते हैं। संदर्भ इलेक्ट्रोड सिल्वर क्लोराइड इलेक्ट्रोड या संतृप्त कैलोमेल इलेक्ट्रोड हो सकता है। हाइड्रोजन-आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड एक मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड है।

संदर्भ इलेक्ट्रोड | KCl का सान्द्र विलयन || परीक्षण समाधान | एच₂ | पं

सबसे पहले, सेल ज्ञात हाइड्रोजन आयन गतिविधि और इलेक्ट्रोमोटिव बल, ई के समाधान से भर जाता है_S, मापा जाता है। फिर इलेक्ट्रोमोटिव बल, ई_X, अज्ञात पीएच के समाधान वाले एक ही सेल को मापा जाता है।

${\ce {pH(X)}}={\ce {pH(S)}}+{\frac {E_{{\ce {S}}}-E_{{\ce {X}}}}{z}}$

दो मापा इलेक्ट्रोमोटिव बल मूल्यों के बीच का अंतर पीएच के समानुपाती होता है। अंशांकन की यह विधि मानक इलेक्ट्रोड क्षमता को जानने की आवश्यकता से बचाती है। आनुपातिकता स्थिरांक, 1/z, आदर्श रूप से किसके बराबर है? ${\frac {1}{2.303RT/F}}\$, नर्नस्टियन ढलान।

व्यवहार में इस प्रक्रिया को लागू करने के लिए बोझिल हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के बजाय एक ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। एक संयुक्त ग्लास इलेक्ट्रोड में एक अंतर्निर्मित संदर्भ इलेक्ट्रोड होता है। यह ज्ञात हाइड्रोजन आयन गतिविधि के बफर समाधान के खिलाफ कैलिब्रेटेड है। IUPAC (इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री) ने ज्ञात बफर समाधानों के एक सेट के उपयोग का प्रस्ताव दिया है H⁺ गतिविधि।इस तथ्य को समायोजित करने के लिए दो या अधिक बफर समाधान का उपयोग किया जाता है कि ढलान आदर्श से थोड़ा भिन्न हो सकता है। अंशांकन के लिए इस दृष्टिकोण को लागू करने के लिए, इलेक्ट्रोड को पहले एक मानक समाधान में डुबोया जाता है और पीएच मीटर पर रीडिंग को मानक बफर मान के बराबर समायोजित किया जाता है। एक दूसरे मानक बफर समाधान से पढ़ने को तब समायोजित किया जाता है, ढलान नियंत्रण का उपयोग करके, उस समाधान के लिए पीएच के बराबर होना। अधिक विवरण, IUPAC अनुशंसाओं में दिए गए हैं।जब दो से अधिक बफर समाधानों का उपयोग किया जाता है तो मानक बफर मानों के संबंध में प्रेक्षित पीएच मानों को एक सीधी रेखा में फिट करके इलेक्ट्रोड को कैलिब्रेट किया जाता है। वाणिज्यिक मानक बफर समाधान आमतौर पर 25 डिग्री सेल्सियस पर मूल्य और अन्य तापमानों के लिए लागू किए जाने वाले सुधार कारक के बारे में जानकारी के साथ आते हैं।

पीएच पैमाना लॉगरिदमिक है और इसलिए पीएच एक आयाम रहित मात्रा है।

पी [एच]

यह 1909 में सॉरेन्सन की मूल परिभाषा थी, जिसे 1924 में पीएच के पक्ष में स्थानांतरित कर दिया गया था। [एच] हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता है, जिसे निरूपित किया गया है [H⁺] आधुनिक रसायन विज्ञान में, जिसमें एकाग्रता की इकाइयाँ प्रतीत होती हैं। अधिक सही ढंग से, की थर्मोडायनामिक गतिविधि H⁺ तनु घोल में प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए [H⁺]/सी₀, जहां मानक राज्य एकाग्रता सी₀ = 1 मोल/ली. यह अनुपात एक शुद्ध संख्या है जिसका लघुगणक परिभाषित किया जा सकता है।

हालांकि, हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता के संदर्भ में इलेक्ट्रोड को कैलिब्रेट करने पर सीधे हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता को मापना संभव है। ऐसा करने का एक तरीका, जिसका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, पृष्ठभूमि इलेक्ट्रोलाइट की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता की उपस्थिति में मजबूत क्षारीय की ज्ञात एकाग्रता के समाधान के साथ एक मजबूत एसिड की ज्ञात एकाग्रता के समाधान का अनुमापन करना है। चूँकि अम्ल और क्षार की सांद्रता ज्ञात है, इसलिए हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता की गणना करना आसान है ताकि मापी गई क्षमता को सांद्रता के साथ सहसंबद्ध किया जा सके। अंशांकन आमतौर पर ग्रैन प्लॉट # इलेक्ट्रोड अंशांकन का उपयोग करके किया जाता है। इस प्रकार, इस प्रक्रिया का उपयोग करने का प्रभाव गतिविधि को एकाग्रता के संख्यात्मक मान के बराबर बनाना है।

ग्लास इलेक्ट्रोड (और अन्य आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड ) को जांच की जा रही माध्यम के समान एक माध्यम में कैलिब्रेट किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, यदि कोई समुद्री जल के नमूने के पीएच को मापना चाहता है, तो इलेक्ट्रोड को उसकी रासायनिक संरचना में समुद्री जल के समान एक समाधान में कैलिब्रेट किया जाना चाहिए, जैसा कि नीचे बताया गया है।

पी [एच] और पीएच के बीच का अंतर