पीएच (pH)

रसायन विज्ञान में, pH (/piːˈeɪtʃ/), ऐतिहासिक रूप से हाइड्रोजन (या हाइड्रोजन की क्षमता) को दर्शाता है। एक जलीय घोल की अम्लता या क्षार (रसायन) को निर्दिष्ट करने के लिए उपयोग किया जाने वाला पैमाना है। अम्लीय विलयनों (हाइड्रोजन ((H⁺) आयनों की उच्च सांद्रता वाले विलयन) को मूल या क्षारीय विलयनों की तुलना में कम pH मान के लिए मापा जाता है।

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

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

जहां विलयन में H⁺ का संतुलन मोलर सांद्रता (mol/l) है। 25 °C (77°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 pH वाले विलयन उदासीन होते हैं (यानी H⁺ की समान सांद्रता, आयन OH⁻ के रूप में आयन, यानी शुद्ध पानी ) होती है। pH का अनावेशी मान तापमान पर निर्भर करता है और 7 से कम है यदि तापमान 25 °c से अधिक बढ़ जाता है। pH मान बहुत केंद्रित एसिड ताकत के लिए 0 से कम हो सकता है, या बहुत केंद्रित आधार (रसायन विज्ञान) प्रबल आधारों के लिए 14 से अधिक हो सकता है।

pH स्केल मानक विलयनों के एक सेट के लिए मापन ट्रेसबिलिटी है जिसका pH अंतरराष्ट्रीय समझौते द्वारा स्थापित किया गया है। हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड और सिल्वर क्लोराइड इलेक्ट्रोड जैसे मानक इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर को मापकर प्राथमिक pH मानक मान बिजली उत्पन्न करनेवाली सेल का उपयोग करके निर्धारित किए जाते हैं। जलीय घोल के pH को ग्लास इलेक्ट्रोड और पी एच मीटर या रंग बदलने वाले pH संकेतक से मापा जा सकता है। रसायन विज्ञान, कृषि विज्ञान, चिकित्सा, जल उपचार और कई अन्य अनुप्रयोगों में pH के मापन महत्वपूर्ण हैं।

इतिहास

pH की अवधारणा सबसे पहले 1909 में कार्ल्सबर्ग प्रयोगशाला में डेनिश केमिस्ट सरेन पीटर लॉरिट्ज सोरेनसेन द्वारा पेश की गई थी। और 1924 में विद्युत रासायनिक कोशिकाओं के संदर्भ में परिभाषाओं और मापों को समायोजित करने के लिए आधुनिक pH में संशोधित किया गया था। पहले पत्रों में, अंकन में H^• लोअरकेस p के सबस्क्रिप्ट के रूप में, इस प्रकार: "p_H•"।

साइन p के लिए, मैं 'हाइड्रोजन आयन एक्सपोनेंट' नाम का और प्रतीक p_H• प्रस्तावित करता हूं। फिर, हाइड्रोजन आयन घातांक के लिए (p_H•) एक विलयन के, संबंधित हाइड्रोजन आयन समतुल्य सांद्रता के सामान्य लघुगणक के ऋणात्मक मान को समझना है।

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 pH को मापने का एक तरीका बताता है, और यह हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता में 10 की ऋणात्मक 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 प्रारम्भ 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 उपयोग किया। उसने परीक्षण विलयन p और संदर्भ विलयन q को मनमाने ढंग से लेबल भी किया हो सकता है; ये अक्षर प्रायः जोड़े जाते हैं। कुछ साहित्य सूत्रों का कहना है कि pH लैटिन भाषा के पोंडस हाइड्रोजनी (हाइड्रोजन की मात्रा) या पोटेंशिया हाइड्रोजनी (हाइड्रोजन की शक्ति) के लिए खड़ा है, यद्यपि यह सोरेनसेन के लेखन द्वारा समर्थित नहीं है।

वर्तमान में रसायन विज्ञान में, p सामान्य लघुगणक के लिए खड़ा है, और इसका उपयोग pK_a शब्द में भी किया जाता है, अम्ल पृथक्करण स्थिरांक और pOH, हीड्राकसीड आयनों के बराबर के लिए उपयोग किया जाता है।

बैक्ट्रियोलॉजिस्ट एलिस कैथरीन इवान्स, जिन्होंने डेयरी और खाद्य सुरक्षा को प्रभावित किया, 1910 के दशक में pH मापने के तरीकों को विकसित करने के लिए विलियम मैन्सफील्ड क्लार्क और उनके सहयोगियों को श्रेय दिया, जिसका प्रयोगशाला और औद्योगिक उपयोग पर व्यापक प्रभाव था। 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 की स्थिति में एसिड की तीव्रता है जो उनके विकास को प्रभावित करती है। लेकिन अम्लता को मापने के उपस्थित 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।

1934 में कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान के एक प्रोफेसर अर्नोल्ड ऑरविल बेकमैन ने pH 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 pH का त्वरित परीक्षण करने के लिए एक बेहतर तरीका चाहते थे जो वे अपने आस-पास के बागों से उठा रहे थे।

परिभाषा

pH

विलयन में pH को हाइड्रोजन आयन गतिविधि (रसायन विज्ञान) a_H+ के पारस्परिक के दशमलव लघुगणक के रूप में परिभाषित किया गया है।गणितीय रूप से pH इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

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

उदाहरण के लिए, 5×10⁻⁶ की हाइड्रोजन आयन गतिविधि वाले विलयन के लिए (उस स्तर पर, यह अनिवार्य रूप से प्रति लीटर विलयन में हाइड्रोजन आयनों के मोल (इकाई) की संख्या है) लघुगणक का तर्क:

pH = - log₁₀ (5 x 10^- 6) = 5.3

ध्यान दें कि pH तापमान पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए 0 डिग्री सेल्सियस पर शुद्ध पानी का pH 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 pH को मापने के लिए किया जाता है, गतिविधि पर प्रतिक्रिया करते हैं। इलेक्ट्रोड पोटेंशियल, ई, हाइड्रोजन आयन के लिए एनर्नस्ट समीकरण का अनुसरण करता है, जिसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

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

जहां E मापी गई क्षमता है, E⁰ मानक इलेक्ट्रोड क्षमता है, R गैस स्थिरांक है, T केल्विन में तापमान है, F फैराडे स्थिरांक है। H⁺ के लिए, हस्तांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या एक है।

यह इस प्रकार है कि इलेक्ट्रोड क्षमता pH के समानुपाती होती है जब pH को गतिविधि के संदर्भ में परिभाषित किया जाता है। pH 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 मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड है।

संदर्भ इलेक्ट्रोड | KCl का सान्द्र विलयन || परीक्षण विलयन | H₂ | Pt

सबसे पहले, सेल ज्ञात हाइड्रोजन आयन गतिविधि के विलयन से भर जाता है और इलेक्ट्रोमोटिव बल, E_S मापा जाता है। फिर इलेक्ट्रोमोटिव बल, E_X, अज्ञात pH के विलयन 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 pH 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।

अभ्यास में, इस प्रक्रिया को लागू करने के लिए बोझिल हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के अतिरिक्त 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 विलयन के खिलाफ कैलिब्रेटेड है। IUPAC (इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री) द्वारा प्रस्तावित ज्ञात हाइड्रोजन आयन (H+) गतिविधि विलयनों के सेट के उपयोग का प्रस्ताव दिया है। इस तथ्य को समायोजित करने के लिए दो या अधिक बफर विलयन 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 विलयन में डुबोया जाता है और pH मीटर पर रीडिंग को मानक बफर मान के बराबर समायोजित किया जाता है। एक दूसरे मानक बफर विलयन से पढ़ने को तब समायोजित किया जाता है, ढलान नियंत्रण का उपयोग करके, उस विलयन के लिए pH के बराबर होना। अधिक विवरण, IUPAC अनुशंसाओं में दिए गए हैं। जब दो से अधिक बफर विलयनों का उपयोग किया जाता है तो मानक बफर मानों के संबंध में प्रेक्षित pH मानों को एक सीधी रेखा में फिट करके इलेक्ट्रोड को कैलिब्रेट किया जाता है। वाणिज्यिक मानक बफर विलयन सामान्यतः 25 डिग्री सेल्सियस पर मूल्य और अन्य तापमानों के लिए लागू किए जाने वाले सुधार कारक के बारे में जानकारी के साथ आते हैं।

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

p [H]

यह 1909 में सॉरेन्सन की मूल परिभाषा थी, जिसे 1924 में pH के पक्ष में स्थानांतरित कर दिया गया था। [H] हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता है, जिसे [H⁺] निरूपित किया गया है आधुनिक रसायन विज्ञान में, जिसमें सांद्रता की इकाइयाँ प्रतीत होती हैं। अधिक सही ढंग से, तनु घोल में H⁺ की थर्मोडायनामिक गतिविधि प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए [H⁺]/c₀, जहां मानक अवस्था सांद्रता c₀ = 1 mol/L है। यह अनुपात एक शुद्ध संख्या है जिसका लघुगणक परिभाषित किया जा सकता है।

यद्यपि, 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 प्रबल क्षारीय की ज्ञात सांद्रता के विलयन के साथ प्रबल एसिड की ज्ञात सांद्रता के विलयन 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। सामान्यतः ग्रैन प्लॉट इलेक्ट्रोड अंशांकन का उपयोग करके किया जाता है। इस प्रकार, इस प्रक्रिया का उपयोग करने का प्रभाव गतिविधि को सांद्रता 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 pH को मापना चाहता है, तो इलेक्ट्रोड को उसकी रासायनिक संरचना में समुद्री जल के समान एक विलयन में कैलिब्रेट किया जाना चाहिए, जैसा कि नीचे बताया गया है।

पी [एच] और pH के बीच का अंतर काफी छोटा है। यह pH = p[H] + 0.04 बताया गया है। दोनों प्रकार के मापन के लिए pH शब्द का उपयोग करना समान्य बात है।

pH सूचक

Main article: पीएच सूचक

सामान्य विलयनों का औसत pH

पदार्थ	pH रेंज	प्रकार
बैटरी का अम्ल	< 1	अम्ल
गैस्ट्रिक अम्ल	1.0 – 1.5
सिरका	2.5
संतरे का रस	3.3 – 4.2
ब्लैक कॉफ़ी	5 – 5.03
दूध	6.5 – 6.8
शुद्ध जल पर 25 °C	7	न्यूट्रल
समुद्र का पानी	7.5 – 8.4	आधार
अमोनिया	11.0 – 11.5
ब्लीच	12.5
लाइ	13.0 – 13.6

संकेतक का उपयोग pH को मापने के लिए किया जा सकता है, इस तथ्य का उपयोग करके कि उनका रंग pH के साथ बदलता है। एक मानक रंग चार्ट के साथ एक परीक्षण विलयन के रंग की दृश्य तुलना pH को निकटतम पूर्ण संख्या में मापने का साधन प्रदान करती है। वर्णमापक (रसायन विज्ञान) या स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके रंग को स्पेक्ट्रोफोटोमेट्रिक रूप से मापा जाता है तो अधिक सटीक माप संभव है। सार्वभौमिक संकेतक कई संकेतकों का मिश्रण होता है जैसे pH 2 से pH 10 तक लगातार रंग परिवर्तन होता है। pH मापने की एक वैकल्पिक विधि एक इलेक्ट्रॉनिक pH मीटर क�