1- كواشف الأس الهيدروجيني:
تعطي قيماً تقريبية للأس الهيدروجيني للمحاليل المختلفة.
تعطي قيماً تقريبية للأس الهيدروجيني للمحاليل المختلفة.
مؤشر الأس الهيدروجيني هو مركب كيميائي هالوكروم يضاف بكميات صغيرة إلى محلول بحيث يمكن تحديد الرقم الهيدروجيني (الحموضة أو القاعدية) للمحلول بصريًا.
ومن ثم، فإن مؤشر الأس الهيدروجيني هو كاشف كيميائي لأيونات الهيدرونيوم (H3O +) أو أيونات الهيدروجين (H +) في نموذج Arrhenius.
عادة، يتسبب المؤشر في تغيير لون المحلول اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني.
يمكن أن تظهر المؤشرات أيضًا تغيرًا في الخصائص الفيزيائية الأخرى ؛ على سبيل المثال، تُظهر مؤشرات حاسة الشم تغيرًا في رائحتها.
قيمة الأس الهيدروجيني لمحلول محايد هي 7.0 عند 25 درجة مئوية (ظروف معملية قياسية).
تعتبر الحلول التي تحتوي على قيمة pH أقل من 7.0 حمضية والمحاليل ذات قيمة pH أعلى من 7.0 تعتبر أساسية (قلوية) ، نظرًا لأن معظم المركبات العضوية التي تحدث بشكل طبيعي هي بروتينات ضعيفة وأحماض كربوكسيلية وأمينات ، تجد مؤشرات الأس الهيدروجيني العديد من التطبيقات في علم الأحياء والكيمياء التحليلية.
علاوة على ذلك ، تشكل مؤشرات الأس الهيدروجيني أحد الأنواع الثلاثة الرئيسية لمركبات المؤشرات المستخدمة في التحليل الكيميائي.
بالنسبة للتحليل الكمي للكاتيونات المعدنية ، يُفضل استخدام مؤشرات القياس المعقدة، بينما تُستخدم الفئة المركبة الثالثة، مؤشرات الأكسدة والاختزال ، في المعايرة التي تتضمن تفاعل الأكسدة والاختزال كأساس للتحليل.
النظرية:
غالبًا ما تكون مؤشرات الأس الهيدروجيني بحد ذاتها أحماض ضعيفة أو قواعد ضعيفة.
يمكن صياغة مخطط التفاعل العام لمؤشر الأس الهيدروجيني الحمضي في المحاليل المائية على النحو التالي:
HInd (aq) + H 2O (l) ⇌ H 3O + (aq) + Ind− (aq)
هنا ، تشير "HInd" إلى الشكل الحمضي و Ind− للقاعدة المترافقة للمؤشر.
والعكس صحيح بالنسبة لمؤشر الأس الهيدروجيني الأساسي في المحاليل المائية:
IndOH (aq) + H 2O (l) ⇌ H 2O (l) + OH− (aq) + Ind + (aq)
تحدد نسبة تركيز الحمض المترافق / القاعدة إلى تركيز المؤشر الحمضي / الأساسي الرقم الهيدروجيني أو الأس الهيدروجيني للمحلول ويربط اللون بقيمة الأس الهيدروجيني. مؤشرات الأس الهيدروجيني التي هي عبارة عن بدائل ضعيفة، يمكن كتابة معادلة Henderson-Hasselbalch لها على النحو التالي:
- pH = pKa + log10 [Ind−] [HInd]
- pOH = pKb + log10 [Ind+] [IndOH]
تنص المعادلة المشتقة من ثابت الحموضة على أنه عندما يساوي الرقم الهيدروجيني قيمة pKa للمؤشر، يتواجد كلا النوعين بنسبة 1: 1.
إذا كان الرقم الهيدروجيني أعلى من قيمة pKa، فإن تركيز القاعدة المترافقة أكبر من تركيز الحمض، ويسود اللون المرتبط بالقاعدة المقترنة.
إذا كان الرقم الهيدروجيني أقل من قيمة pKa ، فإن العكس هو الصحيح.
عادة ، لا يكون تغيير اللون فوريًا عند قيمة pKa، ولكن يوجد نطاق الأس الهيدروجيني حيث يوجد مزيج من الألوان.
يختلف نطاق الأس الهيدروجيني هذا بين المؤشرات، ولكن كقاعدة عامة ، يقع بين قيمة pKa زائد أو ناقص واحد.
هذا يفترض أن المحاليل تحتفظ بلونها طالما استمرت 10٪ على الأقل من الأنواع الأخرى.
على سبيل المثال، إذا كان تركيز القاعدة المترافقة أكبر بعشر مرات من تركيز الحمض، فإن نسبتها تكون 10: 1، وبالتالي يكون الرقم الهيدروجيني pKa + 1.
على العكس من ذلك، إذا حدث فائض من الحمض بمقدار 10 أضعاف فيما يتعلق بالقاعدة، فإن النسبة تكون 1:10 ودرجة الحموضة هي pKa - 1.
للحصول على الدقة المثلى، يجب أن يكون اختلاف اللون بين النوعين واضحًا قدر الإمكان، وكلما كان نطاق الأس الهيدروجيني أضيق يتغير كلما كان ذلك أفضل.
في بعض المؤشرات، مثل الفينول فثالين، يكون أحد الأنواع عديم اللون، بينما في مؤشرات أخرى، مثل أحمر الميثيل، يمنح كلا النوعين لونًا.
بينما تعمل مؤشرات الأس الهيدروجيني بكفاءة في نطاق الأس الهيدروجيني المخصص لها، فإنها عادةً ما يتم تدميرها في الأطراف القصوى لمقياس الأس الهيدروجيني بسبب التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها.
كثيرًا ما تُستخدم مؤشرات الأس الهيدروجيني في المعايرة في الكيمياء التحليلية والبيولوجيا لتحديد مدى تفاعل كيميائي.
بسبب الاختيار الشخصي (التحديد) للون، فإن مؤشرات الأس الهيدروجيني عرضة للقراءات غير الدقيقة.
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب قياسًا دقيقًا للأس الهيدروجيني، يتم استخدام مقياس الأس الهيدروجيني بشكل متكرر. في بعض الأحيان، يتم استخدام مزيج من المؤشرات المختلفة لتحقيق عدة تغييرات سلسة للألوان على نطاق واسع من قيم الأس الهيدروجيني.
تُستخدم هذه المؤشرات التجارية (على سبيل المثال، المؤشر العالمي وأوراق Hydrion) عندما تكون المعرفة التقريبية للأس الهيدروجيني ضرورية فقط.
يوجد في الجدول أدناه العديد من مؤشرات الأس الهيدروجيني الشائعة في المختبر.
تظهر المؤشرات عادةً ألوانًا وسيطة بقيم الأس الهيدروجيني داخل نطاق الانتقال المدرج.
على سبيل المثال، يظهر لون الفينول الأحمر البرتقالي بين الأس الهيدروجيني 6.8 و 8.4 درجة الحموضة.
قد يتغير نطاق الانتقال قليلاً اعتمادًا على تركيز المؤشر في المحلول ودرجة الحرارة التي يتم استخدامه عندها.
يوضح الشكل الموجود على اليمين مؤشرات مع نطاق التشغيل وتغييرات اللون.
2- الجهاز الإلكتروني للأس الهيدروجيني:
يعطي أرقاماً أكثر دقة للأ س الهيدروجيني.
مقياس الأس الهيدروجيني هو أداة علمية تقيس نشاط أيون الهيدروجين في المحاليل القائمة على الماء، مما يشير إلى حموضتها أو قلويتها معبرًا عنها بالرقم الهيدروجيني.
يقيس مقياس الأس الهيدروجيني الفرق في الجهد الكهربائي بين قطب الأس الهيدروجيني والإلكترود المرجعي، وبالتالي يُشار أحيانًا إلى مقياس الأس الهيدروجيني "مقياس الجهد الكهربي".
الفرق في الجهد الكهربائي يتعلق بالحموضة أو الرقم الهيدروجيني للمحلول.
يستخدم مقياس الأس الهيدروجيني في العديد من التطبيقات التي تتراوح من التجارب المعملية إلى مراقبة الجودة.
التطبيقات:
غالبًا ما يعتمد معدل ونتائج التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الماء على حموضة الماء، وبالتالي من المفيد معرفة حموضة الماء، والتي تُقاس عادةً عن طريق مقياس الأس الهيدروجيني.
تعد معرفة الأس الهيدروجيني مفيدة أو حاسمة في العديد من المواقف، بما في ذلك التحليلات المختبرية الكيميائية.
تستخدم عدادات الأس الهيدروجيني لقياس التربة في الزراعة، وجودة المياه لإمدادات المياه البلدية، وأحواض السباحة، والمعالجة البيئية؛ تخمير النبيذ أو البيرة؛ التصنيع والرعاية الصحية والتطبيقات السريرية مثل كيمياء الدم؛ والعديد من التطبيقات الأخرى.
أدت التطورات في الأجهزة وفي الكشف إلى زيادة عدد التطبيقات التي يمكن فيها إجراء قياسات الأس الهيدروجيني.
تم تصغير الأجهزة، مما يتيح القياس المباشر للأس الهيدروجيني داخل الخلايا الحية.
بالإضافة إلى قياس الأس الهيدروجيني للسوائل، تتوفر أقطاب كهربائية مصممة خصيصًا لقياس الرقم الهيدروجيني للمواد شبه الصلبة، مثل الأطعمة.
تحتوي هذه على نصائح مناسبة لثقب المواد شبه الصلبة، وتحتوي على مواد قطبية متوافقة مع المكونات الموجودة في الطعام، ومقاومة للانسداد.
أنواع عدادات الأس الهيدروجيني:
بشكل عام ، هناك ثلاث فئات رئيسية لمقاييس الأس الهيدروجيني.
غالبًا ما تستخدم أجهزة قياس الأس الهيدروجيني على الطاولة في المختبرات وتستخدم لقياس العينات التي يتم إحضارها إلى مقياس الأس الهيدروجيني لتحليلها.
أجهزة قياس الأس الهيدروجيني المحمولة ، أو أجهزة قياس الأس الهيدروجيني الميدانية، هي أجهزة قياس درجة الحموضة المحمولة تُستخدم لأخذ الرقم الهيدروجيني لعينة في حقل أو موقع إنتاج.
تُستخدم مقاييس الأس الهيدروجيني في الخط أو في الموقع، والتي تسمى أيضًا أجهزة تحليل الأس الهيدروجيني، لقياس الأس الهيدروجيني باستمرار في العملية، ويمكن أن تكون قائمة بذاتها، أو يمكن توصيلها بنظام معلومات أعلى مستوى للتحكم في العملية.
تتراوح مقاييس الأس الهيدروجيني من أجهزة بسيطة وغير مكلفة تشبه القلم إلى أدوات معملية معقدة ومكلفة مع واجهات كمبيوتر والعديد من المدخلات لقياسات المؤشر ودرجة الحرارة التي يتعين إدخالها لضبط التباين في درجة الحموضة الناتجة عن درجة الحرارة.
يمكن أن يكون الإخراج رقميًا أو تناظريًا، ويمكن أن تعمل الأجهزة بالبطارية أو تعتمد على طاقة الخط.
تستخدم بعض الإصدارات القياس عن بعد لتوصيل الأقطاب الكهربائية بجهاز عرض الفولتميتر.
العدادات والمجسات المتخصصة متاحة للاستخدام في تطبيقات خاصة ، مثل البيئات القاسية والبيئات البيولوجية الدقيقة.
هناك أيضًا مستشعرات الأس الهيدروجيني الثلاثية الأبعاد، والتي تسمح بقياس الأس الهيدروجيني قياسًا لونيًا، والاستفادة من مجموعة متنوعة من مؤشرات الأس الهيدروجيني المتوفرة.
بالإضافة إلى ذلك، هناك مقاييس الأس الهيدروجيني المتاحة تجارياً بناءً على أقطاب الحالة الصلبة، بدلاً من الأقطاب الزجاجية التقليدية.
