रसायन विज्ञान में, pH एक लघुगणकीय पैमाना है जिसका उपयोग किसी माध्यम की अम्लता को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। यह मोलर सांद्रता का ऋणात्मक आधार 10 लघुगणक है, जिसे मोल्स प्रति लीटर हाइड्रोजन आयनों में मापा जाता है। इसे पर्यावरण की अम्लता का सूचक भी कहा जा सकता है। अधिक सटीक रूप से, यह हाइड्रोजन आयन गतिविधि का ऋणात्मक आधार 10 लघुगणक है। 25 डिग्री सेल्सियस पर, 7 से कम पीएच वाले समाधान अम्लीय होते हैं, और 7 से अधिक पीएच वाले समाधान बुनियादी होते हैं। तटस्थ पीएच मान तापमान पर निर्भर होता है और तापमान बढ़ने पर यह 7 से कम होता है। शुद्ध पानी तटस्थ होता है, pH=7 (25°C पर), न तो अम्लीय और न ही क्षारीय। आम धारणा के विपरीत, बहुत मजबूत एसिड और बेस के लिए पीएच मान क्रमशः 0 से कम या 14 से अधिक हो सकता है।
आवेदन
पीएच के माप कृषि विज्ञान, चिकित्सा, रसायन विज्ञान, जल उपचार और कई अन्य क्षेत्रों में महत्वपूर्ण हैं।
पीएच स्केल मानक समाधानों के एक सेट के लिए प्रासंगिक है, जिसकी अम्लता अंतरराष्ट्रीय द्वारा स्थापित की जाती हैसमझौता। प्राथमिक पीएच मानकों को हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड और सिल्वर क्लोराइड जैसे मानक इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर को मापकर ट्रांसफर एकाग्रता सेल का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है। जलीय घोल का pH एक ग्लास इलेक्ट्रोड और एक pH मीटर या संकेतक से मापा जा सकता है।
उद्घाटन
पीएच अवधारणा को पहली बार 1909 में कार्ल्सबर्ग प्रयोगशाला में डेनिश रसायनज्ञ सोरेन पीटर लॉरिट्स सोरेनसेन द्वारा पेश किया गया था और इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं के संदर्भ में परिभाषाओं और मापों को समायोजित करने के लिए 1924 में वर्तमान पीएच स्तर में संशोधित किया गया था। शुरुआती कामों में, अंकन में एच अक्षर लोअरकेस पी में था, जिसका अर्थ है: पीएच।
नाम की उत्पत्ति
पी का सही अर्थ विवादित है, लेकिन कार्ल्सबर्ग फाउंडेशन के अनुसार, पीएच का अर्थ है "हाइड्रोजन की शक्ति।" यह भी सुझाव दिया गया है कि पी जर्मन शब्द पोटेंज़ ("पावर") के लिए खड़ा है, अन्य फ्रांसीसी पुइसेंस (जिसका अर्थ "शक्ति" भी है, इस तथ्य के आधार पर कि कार्ल्सबर्ग प्रयोगशाला फ्रांसीसी थी) का उल्लेख है। एक अन्य सुझाव यह है कि p लैटिन शब्द पोंडस हाइड्रोइ (हाइड्रोजन की मात्रा), पोटेंशियो हाइड्रोइ (हाइड्रोजन की क्षमता), या संभावित हाइड्रोली (हाइड्रोजन क्षमता) को संदर्भित करता है। यह भी सुझाव दिया गया है कि सोरेनसेन ने केवल परीक्षण समाधान (पी) और संदर्भ समाधान (क्यू) को निरूपित करने के लिए पी और क्यू (आमतौर पर गणित में संयुग्मित अक्षरों) का इस्तेमाल किया। वर्तमान में, रसायन विज्ञान में, p का अर्थ दशमलव लघुगणक है, और इसका उपयोग pKa शब्द में भी किया जाता है, जिसका उपयोग किसी माध्यम की अम्लता के पृथक्करण स्थिरांक के लिए किया जाता है।
अमेरिकी योगदान
बैक्टीरियोलॉजिस्ट एलिस इवांस, जो डेयरी उत्पादों और खाद्य सुरक्षा पर अपने काम के प्रभाव के लिए जानी जाती हैं, ने विलियम मैन्सफील्ड क्लार्क और उनके सहयोगियों को 1910 के दशक में पीएच मापने के तरीकों को विकसित करने का श्रेय दिया, जिसका बाद में प्रयोगशाला और औद्योगिक पर व्यापक प्रभाव पड़ा। उपयोग। अपने संस्मरणों में, उन्होंने यह उल्लेख नहीं किया है कि क्लार्क और उनके सहयोगियों को पहले के वर्षों में सोरेनसेन के काम के बारे में कितना या कितना कम पता था। पहले से ही उस समय, वैज्ञानिक सक्रिय रूप से पर्यावरण की अम्लता/क्षारीयता के मुद्दे का अध्ययन कर रहे थे।
एसिड का प्रभाव
डॉ. क्लार्क का ध्यान जीवाणु वृद्धि पर अम्ल के प्रभाव की ओर गया। और इसके लिए धन्यवाद, उन्होंने पर्यावरण की अम्लता के हाइड्रोजन सूचकांक के तत्कालीन विज्ञान के विचार को पूरक बनाया। उन्होंने पाया कि यह हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता के संदर्भ में एसिड की तीव्रता थी जिसने उनके विकास को प्रभावित किया। लेकिन किसी माध्यम की अम्लता को मापने के मौजूदा तरीकों ने अम्ल की तीव्रता को नहीं, बल्कि मात्रा निर्धारित की। फिर, अपने सहयोगियों के साथ, डॉ क्लार्क ने हाइड्रोजन आयनों की एकाग्रता को मापने के लिए सटीक तरीके विकसित किए। इन विधियों ने दुनिया भर की जैविक प्रयोगशालाओं में अम्ल निर्धारण के लिए सटीक अनुमापन विधि का स्थान ले लिया है। यह भी पाया गया है कि इनका उपयोग कई औद्योगिक और अन्य प्रक्रियाओं में किया जा सकता है जिनमें इनका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
व्यावहारिक पहलू
पहली इलेक्ट्रॉनिक पीएच माप पद्धति का आविष्कार 1934 में कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर अर्नोल्ड ऑरविल बेकमैन ने किया था। यह इस बिंदु पर था कि स्थानीय साइट्रस उत्पादकसनकिस्ट पास के बागों से काटे गए नींबू के पीएच को जल्दी से जांचने के लिए एक बेहतर तरीका चाहते थे। माध्यम की अम्लता के प्रभाव को हमेशा ध्यान में रखा गया।
उदाहरण के लिए, 5 × 10–6 हाइड्रोजन आयन गतिविधि वाले समाधान के लिए (इस स्तर पर, यह वास्तव में, हाइड्रोजन आयनों के मोल की संख्या है प्रति लीटर घोल), हमें 1 / (5 × 10-6)=2 × 105 मिलता है। इस प्रकार, इस तरह के घोल का pH 5.3 होता है। ऐसा माना जाता है कि इसका द्रव्यमान पानी का एक मोल, हाइड्रोजन आयनों का एक मोल और हाइड्रॉक्साइड आयनों का एक मोल क्रमशः 18 ग्राम, 1 ग्राम और 17 ग्राम है, शुद्ध 107 मोल (पीएच 7) पानी की मात्रा में लगभग 1 ग्राम विघटित हाइड्रोजन आयन (या, अधिक सटीक रूप से, 19 ग्राम H3O + हाइड्रोनियम आयन) और 17 ग्राम हाइड्रॉक्साइड आयन।
तापमान की भूमिका
ध्यान दें कि पीएच तापमान पर निर्भर है। उदाहरण के लिए, 0 डिग्री सेल्सियस पर शुद्ध पानी का पीएच 7.47 है। 25 डिग्री सेल्सियस पर यह 7 है और 100 डिग्री सेल्सियस पर यह 6.14 है।
जब पीएच को गतिविधि के रूप में परिभाषित किया जाता है तो इलेक्ट्रोड क्षमता पीएच के समानुपाती होती है। सटीक पीएच माप अंतरराष्ट्रीय मानक आईएसओ 31-8 में प्रस्तुत किया गया है।
एक गैल्वेनिक सेल को संदर्भ इलेक्ट्रोड और हाइड्रोजन आयन गतिविधि संवेदन इलेक्ट्रोड के बीच इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) को मापने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है, जब दोनों एक ही जलीय घोल में डूबे होते हैं। संदर्भ इलेक्ट्रोड सिल्वर क्लोराइड ऑब्जेक्ट या कैलोमेल इलेक्ट्रोड हो सकता है। इन अनुप्रयोगों के लिए एक हाइड्रोजन आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड मानक है।
इस प्रक्रिया को व्यवहार में लाने के लिए, भारी हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के बजाय एक ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। वहएक अंतर्निहित संदर्भ इलेक्ट्रोड है। यह ज्ञात हाइड्रोजन आयन गतिविधि के साथ बफर समाधानों के खिलाफ भी अंशांकित है। IUPAC ने ज्ञात H+ गतिविधि के साथ बफर समाधानों के एक सेट का उपयोग करने का सुझाव दिया। दो या दो से अधिक बफर समाधानों का उपयोग इस तथ्य के लिए किया जाता है कि ढलान आदर्श से थोड़ा कम हो सकता है। इस अंशांकन दृष्टिकोण को लागू करने के लिए, इलेक्ट्रोड को पहले एक मानक समाधान में डुबोया जाता है और पीएच मीटर रीडिंग को मानक बफर के मान पर सेट किया जाता है।
आगे क्या है?
दूसरे मानक बफर समाधान से रीडिंग को फिर उस समाधान के पीएच स्तर के बराबर होने के लिए ढलान नियंत्रण का उपयोग करके सही किया जाता है। जब दो से अधिक बफर समाधानों का उपयोग किया जाता है, तो मानक बफर मानों के विरुद्ध एक सीधी रेखा में देखे गए पीएच मानों को फिट करके इलेक्ट्रोड को कैलिब्रेट किया जाता है। वाणिज्यिक मानक बफर समाधान आमतौर पर 25 डिग्री सेल्सियस के मान और अन्य तापमानों के लिए लागू किए जाने वाले सुधार कारक के बारे में जानकारी के साथ प्रदान किए जाते हैं।
परिभाषा विशेषता
पीएच स्केल लॉगरिदमिक है और इसलिए, पीएच एक आयामहीन मात्रा है, जिसे अक्सर सेल के आंतरिक वातावरण की अम्लता को मापने के लिए अन्य चीजों के साथ प्रयोग किया जाता है। यह सोरेनसेन की मूल परिभाषा थी, जिसे 1909 में बदल दिया गया था।
हालाँकि, हाइड्रोजन आयन सांद्रता के संदर्भ में इलेक्ट्रोड को कैलिब्रेट करने पर हाइड्रोजन आयन सांद्रता को सीधे मापना संभव है। ऐसा करने का एक तरीका, जिसका व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, ज्ञात एकाग्रता के समाधान का अनुमापन करना हैएक सहायक इलेक्ट्रोलाइट की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता की उपस्थिति में एक मजबूत क्षार की ज्ञात एकाग्रता के समाधान के साथ मजबूत एसिड। चूंकि अम्ल और क्षार सांद्रता ज्ञात हैं, इसलिए हाइड्रोजन आयन सांद्रता की गणना करना आसान है ताकि क्षमता को मापा मूल्य से संबंधित किया जा सके।
इस तथ्य का उपयोग करके पीएच को मापने के लिए संकेतकों का उपयोग किया जा सकता है कि उनका रंग बदलता है। एक मानक रंग पैमाने के साथ परीक्षण समाधान के रंग की दृश्य तुलना पीएच को पूर्णांक सटीकता के साथ मापने की अनुमति देती है। अधिक सटीक माप संभव है यदि रंग को वर्णमापी या स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके स्पेक्ट्रोफोटोमेट्रिक रूप से मापा जाता है। यूनिवर्सल इंडिकेटर संकेतकों के मिश्रण से बना होता है ताकि पीएच 2 से पीएच 10 तक एक स्थायी रंग परिवर्तन हो। यूनिवर्सल इंडिकेटर पेपर शोषक कागज से बनाया जाता है जिसे एक सार्वभौमिक संकेतक के साथ लगाया गया है। पीएच मापने का एक अन्य तरीका इलेक्ट्रॉनिक पीएच मीटर का उपयोग करना है।
माप स्तर
पीएच को लगभग 2.5 से नीचे (लगभग 0.003 मोल एसिड) और 10.5 से ऊपर (लगभग 0.0003 मोल क्षार) को मापने के लिए विशेष प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है क्योंकि ग्लास इलेक्ट्रोड का उपयोग करते समय ऐसे मूल्यों पर नर्नस्ट के नियम का उल्लंघन होता है। विभिन्न कारक इसमें योगदान करते हैं। यह नहीं माना जा सकता है कि तरल संक्रमण क्षमता पीएच से स्वतंत्र है। इसके अलावा, चरम पीएच का मतलब है कि समाधान केंद्रित है, इसलिए आयनिक शक्ति में परिवर्तन से इलेक्ट्रोड क्षमता प्रभावित होती है। उच्च pH पर, ग्लास इलेक्ट्रोड हो सकता हैक्षारीय त्रुटि के अधीन, क्योंकि इलेक्ट्रोड समाधान में Na+ और K+ जैसे धनायनों की सांद्रता के प्रति संवेदनशील हो जाता है। विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए इलेक्ट्रोड उपलब्ध हैं जो आंशिक रूप से इन समस्याओं को दूर करते हैं।
खानों या खदान के कचरे से अपवाह के परिणामस्वरूप पीएच मान बहुत कम हो सकता है।
शुद्ध जल तटस्थ होता है। यह अम्लीय नहीं है। जब एसिड पानी में घुल जाता है, तो पीएच 7 (25 डिग्री सेल्सियस) से नीचे होगा। जब एक क्षार पानी में घुल जाता है, तो पीएच 7 से अधिक हो जाएगा। हाइड्रोक्लोरिक एसिड जैसे मजबूत एसिड के 1 मोल घोल का पीएच शून्य होता है। 1 मोल की सांद्रता में सोडियम हाइड्रॉक्साइड जैसे मजबूत क्षार के घोल का पीएच 14 होता है। इस प्रकार, मापा पीएच मान आमतौर पर 0 से 14 की सीमा में होगा, हालांकि नकारात्मक पीएच मान और मान 14 से ऊपर काफी संभव है।
बहुत कुछ घोल माध्यम की अम्लता पर निर्भर करता है। चूँकि pH एक लघुगणकीय पैमाना है, एक pH इकाई का अंतर हाइड्रोजन आयन सांद्रता के अंतर के दस गुना के बराबर होता है। तटस्थता पीएच 7 (25 डिग्री सेल्सियस पर) तक नहीं पहुंचता है, हालांकि ज्यादातर मामलों में यह एक अच्छा अनुमान है। तटस्थता को उस स्थिति के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें [H+]=[OH-]। चूंकि पानी का स्व-आयनीकरण इन सांद्रता के उत्पाद को बनाए रखता है [H+] × [OH-]=Kw, यह देखा जा सकता है कि तटस्थता पर [H+]=[OH-]=Kw या pH=pKw / 2.
पीकेडब्ल्यू लगभग 14 है, लेकिन आयनिक ताकत और तापमान पर निर्भर करता है, इसलिए माध्यम का पीएच मान भी मायने रखता है, जो तटस्थ होना चाहिएस्तर। शुद्ध जल तथा शुद्ध जल में NaCl का विलयन उदासीन होता है क्योंकि जल के वियोजन से दोनों आयन समान मात्रा में उत्पन्न होते हैं। हालांकि, एक तटस्थ NaCl समाधान का पीएच तटस्थ शुद्ध पानी के पीएच से थोड़ा अलग होगा, क्योंकि हाइड्रोजन और हाइड्रॉक्साइड आयनों की गतिविधि आयनिक शक्ति पर निर्भर करती है, इसलिए Kw आयनिक शक्ति के साथ बदलता रहता है।
पौधे
पीएच संकेतक के रूप में उपयोग किए जा सकने वाले आश्रित पौधे वर्णक कई पौधों में पाए जाते हैं, जिनमें हिबिस्कस, लाल गोभी (एंथोसायनिन), और रेड वाइन शामिल हैं। खट्टे का रस अम्लीय होता है क्योंकि इसमें साइट्रिक एसिड होता है। अन्य कार्बोक्जिलिक एसिड कई जीवित प्रणालियों में पाए जाते हैं। उदाहरण के लिए, लैक्टिक एसिड मांसपेशियों की गतिविधि द्वारा निर्मित होता है। एटीपी जैसे फॉस्फेट डेरिवेटिव के प्रोटॉन की स्थिति, पीएच माध्यम की अम्लता पर निर्भर करती है। मूल प्रभाव के रूप में जानी जाने वाली प्रक्रिया में पीएच द्वारा हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन ट्रांसफर एंजाइम की कार्यप्रणाली प्रभावित होती है।
समुद्र का पानी
समुद्री जल में, पीएच आमतौर पर 7.5 और 8.4 के बीच सीमित होता है। यह समुद्र में कार्बन चक्र में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, और कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन के कारण चल रहे महासागर अम्लीकरण का प्रमाण है। हालांकि, समुद्र के पानी के रासायनिक गुणों से पीएच को मापना जटिल है, और रासायनिक समुद्र विज्ञान में कई अलग-अलग पीएच पैमाने हैं।
विशेष समाधान
अम्लता (पीएच) पैमाने की परिचालन परिभाषा के हिस्से के रूप में, आईयूपीएसी पीएच रेंज में बफर समाधानों की एक श्रृंखला को परिभाषित करता है (जिसे अक्सर कहा जाता है)एनबीएस या एनआईएसटी)। इन समाधानों में समुद्री जल (≈0.7) की तुलना में अपेक्षाकृत कम आयनिक शक्ति (≈0.1) है और परिणामस्वरूप समुद्री जल पीएच लक्षण वर्णन में उपयोग के लिए अनुशंसित नहीं है क्योंकि आयनिक ताकत में अंतर इलेक्ट्रोड क्षमता में परिवर्तन का कारण बनता है। इस समस्या को हल करने के लिए कृत्रिम समुद्री जल पर आधारित बफर की एक वैकल्पिक श्रृंखला विकसित की गई है।
यह नई श्रृंखला नमूनों और बफर के बीच आयनिक शक्ति अंतर की समस्या को हल करती है, और मध्यम अम्लता के लिए नए पीएच पैमाने को सामान्य पैमाने कहा जाता है, जिसे अक्सर पीएच कहा जाता है। सल्फेट आयनों वाले माध्यम का उपयोग करके समग्र पैमाने का निर्धारण किया गया था। ये आयन प्रोटॉनेशन का अनुभव करते हैं, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, इसलिए कुल पैमाने में प्रोटॉन (मुक्त हाइड्रोजन आयन) और हाइड्रोजन सल्फाइड आयन दोनों का प्रभाव शामिल है:
[एच+] टी=[एच+] एफ + [एचएसओ-4]।
वैकल्पिक मुक्त पैमाना, जिसे अक्सर pHF कहा जाता है, इस विचार को छोड़ देता है और विशेष रूप से [H+]F पर ध्यान केंद्रित करता है, जिससे यह सैद्धांतिक रूप से हाइड्रोजन आयन सांद्रता का एक सरल प्रतिनिधित्व बन जाता है। केवल [H+] T निर्धारित किया जा सकता है, इसलिए [H+] F का अनुमान [SO2-4] और स्थिरता स्थिरांक HSO-4, KS: का उपयोग करके लगाया जाना चाहिए।
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
हालांकि, समुद्र के पानी में KS का अनुमान लगाना मुश्किल है, एक सरल मुक्त पैमाने की उपयोगिता को सीमित करते हुए।
एक और पैमाना, जिसे समुद्री जल पैमाने के रूप में जाना जाता है, जिसे अक्सर pHSWS कहा जाता है, हाइड्रोजन आयनों और फ्लोराइड आयनों के बीच आगे के प्रोटॉन बंधन को ध्यान में रखता है, H+ + F-एचएफ। परिणाम [H+] SWS के लिए निम्न व्यंजक है:
[एच+] एसडब्ल्यूएस=[एच+] एफ + [एचएसओ -4] + [एचएफ]
हालांकि, इस अतिरिक्त जटिलता पर विचार करने का लाभ माध्यम की फ्लोरीन सामग्री पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, समुद्र के पानी में, सल्फेट आयन फ्लोरीन की सांद्रता की तुलना में बहुत अधिक सांद्रता (> 400 गुना) में पाए जाते हैं। परिणामस्वरूप, अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, सामान्य पैमाने और समुद्र के पानी के पैमाने के बीच का अंतर बहुत छोटा है।
निम्नलिखित तीन समीकरण तीन पीएच पैमानों को सारांशित करते हैं:
pHF=- लॉग [H+] FpHT=- लॉग ([H+] F + [HSO-4])=- लॉग [H+] TpHSWS=- लॉग ([H+] F + [HSO-4] + [एचएफ])=- लॉग [एच+]
व्यावहारिक दृष्टिकोण से, अम्लीय वातावरण (या समुद्री जल) के तीन पीएच पैमाने उनके मूल्यों में 0.12 पीएच इकाइयों तक भिन्न होते हैं, और अंतर आमतौर पर सटीकता के लिए आवश्यक की तुलना में बहुत बड़े होते हैं पीएच माप, विशेष रूप से कार्बोनेट सिस्टम महासागर के संबंध में।
