PH

pH (קיצור המילים: power/potential Hydrogenium. בעברית: ערך הֲגָבָה או רמת חומציות) הוא מדד מספרי לרמת חומציות של תמיסה מימית, המתבסס על ריכוזם של יוני הידרוקסיד ע"פ יחס לוגריתמי הפוך לריכוז הידרוניום (   H 3 O + {\displaystyle \ {\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}} ) הידועה בתמיסה. את המושג הציג לראשונה הכימאי הדני סרן סרנסן (אנ') ב-1909. האות p מייצגת חזקה (באנגלית: power) או פוטנציאל (potential), במשמעות של ריכוז. האות H היא הסימול הכימי של היסוד מימן מייצג יוני מימן חיוביים (פרוטונים; +H) pH מוגדר על פי הנוסחה: pH = − log 10 ⁡ ( a H + ) ≈ − log 10 ⁡ [ H + ] {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left(a_{H^{+}}\right)\approx -\log _{10}\left[H^{+}\right]} . כאן a H + {\displaystyle a_{\mathrm {H^{+}} }} היא האקטיביות של יוני המימן בתמיסה, ששווה בקירוב ל-   [ H + ] {\displaystyle \ [H^{+}]} שהוא ריכוז יוני המימן בתמיסה.   log 10 {\displaystyle \ \log _{10}} הוא הלוגריתם לפי בסיס 10. הריכוז נמדד במולים לליטר (מוכר גם בשם מולריות). בשנת 1909, הכימאי הדני Søren Peter Lauritz Sørensen הציג את מושג ה-pH במעבדת קרלסברג, במקור השתמש בסימון "pH•", עם H• כחתימה לאותיות קטנות p. המושג תוקן מאוחר יותר ב-1924 ל-pH המודרני כדי להתאים להגדרות ומדידות במונחים של תאים אלקטרוכימיים. סורסנסן לא הסביר מדוע השתמש באות p, והמשמעות המדויקת של האות עדיין שנויה במחלוקת. Sørensen תיאר דרך למדידת pH באמצעות הבדלי פוטנציאל, והיא מייצגת את ריכוז יוני המימן בתמיסה בערכים של 10 בחזקת מינוס המדד. האות p יכולה לייצג את ה-puissance הצרפתית, הגרמנית Potenz, או פוטנציה דנית, שכולן משמעותן "כוח", או שהיא יכולה לומר "פוטנציאל". ניתן למדוד את רמת ה-pH בעזרת אינדיקטור pH או באמצעות שימוש במד pH אלקטרוני. אינדיקטורים הם חומרים המשנים את צבעם לפי רמת ה-pH של התמיסה שבה הם נמצאים. לכל אינדיקטור יש רגישות לטווח pH מצומצם, שבו הוא משנה את צבעו. קיימים גם אינדיקטורים אוניברסליים המורכבים משילוב של מספר אינדיקטורים, ומאפשרים שינוי צבע רציף בטווח pH גדול מאוד. אינדיקטורים מפורסמים לדוגמה הם לקמוס, פנולפתלאין, מתילן אדום, מתילן כחול וקונגו אדום. גם תה והחומר האדום בכרוב אדום (אנתוציאנין) יכולים לשמש כאינדיקטורים. מד pH אלקטרוני מתבסס על השפעת החומציות על התכונות החשמליות של התמיסה. מדי pH אלקטרוניים הם מדויקים מאוד ומאפשרים מדידה ברמת דיוק של מאית יחידת pH. המדידה נעשית על ידי מדידת פוטנציאל החיזור התקני של התמיסה (למעשה, במד pH קיימת ממברנת זכוכית, המאפשרת למדוד רק את השפעת ריכוז יוני ההידרוניום על פוטנציאל החיזור, ולהתעלם מהשפעת המומסים האחרים). מתוך הפוטנציאל ניתן לחשב את ריכוז היונים על ידי שימוש במשוואת נרנסט. הערך pH = 7 {\displaystyle {\mbox{pH}}={\mbox{7}}} מתייחס לרמת החומציות של מים מזוקקים, או תמיסה מימית נייטרלית אחרת בטמפרטורה של 25 מעלות סלציוס. משמעותו של pH=7 היא שריכוז יוני ההידרוניום ( +H3O) שווה לריכוז יוני ההידרוקסיד ( -OH). מי ברז או מי גשם אינם טהורים, ומכילים חומרים מומסים שונים, ולכן ה-pH שלהם עשוי להיות שונה במעט מ-7. ערכי pH הגבוהים מ-7 הם בסיסיים יותר, בהם ריכוז ה-+H3O נמוך מריכוז -OH. ערכים נמוכים מ-7 מייצגים חומציות לוגריתמי (לפי בסיס 10), כלומר ההבדל בין pH 1 ל-pH 2 הוא יחס ריכוזים שונה פי 10. לדוגמה, בקפה שחור עם ערך pH=5 החומציות גבוהה פי 100 מבמים, בעגבנייה, שלה pH=4 החומציות גבוהה פי 1,000 מבמים, בחומץ עם ערך pH=3 החומציות היא פי 10,000 מבמים, וכן הלאה. התחום הנפוץ של סולם ה-pH הוא בין 0 ל-14, ורוב התמיסות בטבע הן בתחום pH זה. עם זאת, אין שום משמעות מיוחדת לערכים 0 או 14 שמונעת לעבור אותם, ועבור חומצות או בסיסים חזקים במיוחד ייתכן pH שחורג מתחום זה. למשל, לתמיסת HCl רוויה (בריכוז 37% משקלי) יש pH= -1.1 בערך, ולעומת זאת לתמיסה רוויה של NaOH יש pH=15 בערך. בטבע נמצאו אף תמיסות בעלות pH= _3.6. ישנן כמה סיבות שבגללן pH שלילי אינו נפוץ והוא קשה למדידה: גם חומצות חזקות אינן נפרדות לחלוטין ליונים כשהן בריכוז גבוה. למשל, ניתן לצפות כי תמיסת HCl של 12 מול בליטר תוביל לערך pH=-1.08 (מכיוון ש-log(12)=1.08). בפועל, ערך ה-pH של תמיסה זו גבוה יותר, משום שחלק מיוני המימן נותרים קשורים ליוני הכלור, כיוון שהמערכת מגיעה לשיווי משקל. אמנם בקבוע שיווי משקל הגדול מ- 10 10 {\displaystyle 10^{10}\,} (10 בחזקת 10) ניתן לומר שהתגובה ההפוכה היא זניחה, כי כמות החומר המומרת חזרה לתוצרים היא זניחה, אך תמיד ניתן למצוא את עקבות כל החומרים בתמיסה. אלקטרודות זכוכית, המשמשות למדידת pH, אינן רגישות דיין כדי למדוד במדויק ערכי pH שליליים, והתוצאות המתקבלות הן בדרך-כלל גבוהות מה-pH האמיתי של התמיסה. (ראו General Chemistry Online: FAQ: Acids and bases: Is a negative pH possible?, antoine.frostburg.edu). pH שלילי ניתן להשגה במבנים פורוזיבים מאוד (בעלי נקבוביות), אך קשה למדוד את רמת החומציות בתוך הנקבובית. הערה: הסימון +H לסימון יוני מימן נפוץ מאוד בספרות, אם כי הוא אינו מדויק מבחינה כימית. למעשה, יון המימן מגיב עם מולקולת המים לתת יון הידרוניום +H3O, ואינו קיים כפרוטון בסביבה מימית. למרות זאת, השימוש בסימון +H השתרש, וניתן להשתמש בו, כל עוד משמעותו מובנת. pH של תמיסה נייטרלית הוא 7. הסיבה לכך היא שגם מים מזוקקים מכילים יוני הידרוקסיד (אך גם יוני הידרוניום בריכוז זהה). הימצאות יוני הידרוניום נובעת מכך שמים מתפרקים באופן טבעי לפי התגובה:   H 2 O + H 2 O ⇌ H 3 O + + O H − {\displaystyle \ H_{2}O+H_{2}O\rightleftharpoons H_{3}O^{+}+OH^{-}} תגובה זו נקראת תגובת דיסוציאציה. זוהי תגובת שיווי משקל, ולכן מכפלת ריכוזי היונים קבועה (כאשר הטמפרטורה קבועה). בניסויים נמצא כי מכפלת הריכוזים שווה כמעט בדיוק   10 − 14 M 2 {\displaystyle \ 10^{-14}M^{2}} . בתמיסה נייטרלית, ריכוז יוני ההידרוניום שווה לריכוז יוני ההידרוקסיד. אם משלבים נתון זה עם כך שמכפלתם שווה ל-   10 − 14 {\displaystyle \ 10^{-14}} בטמפרטורה של C° ‏25, אפשר להסיק כי בתמיסה נייטרלית מתקיים:   [ H 3 O + ] = [ O H − ] = 10 − 7 M {\displaystyle \ [H_{3}O^{+}]=[OH^{-}]=10^{-7}M} , ולכן,   p H = p O H = − log ⁡ [ H 3 O + ] = 7 {\displaystyle \ pH=pOH=-\log[H_{3}O^{+}]=7} . זהו ריכוז נמוך מאוד, והוא לרוב זניח כאשר מחשבים pH של תמיסה של חומצה או בסיס. כיוון שתגובת הדיסוציאציה של המים להידרוניום ולהידרוקסיד אנדותרמית הרי שלפי עקרון לה שטליה ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר תתפרקנה יותר מולקולות מים (קבוע שיווי המשקל של התגובה יגדל) ולכן ה-pH (וכמוהו ה-pOH) של מים טהורים קטן ככל שהטמפרטורה עולה. נייר לקמוס מדיה וקבצים בנושא PH בוויקישיתוף PH, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) ריכוז מימן יון, דף שער בספרייה הלאומית מידע על pH עם תרשימים על pH שלילי: D. K. Nordstrom, C. N. Alpers, C. J. Ptacek, D. W. Blowes (2000). Negative pH and Extremely Acidic Mine Waters from Iron Mountain, California. Environmental Science & Technology 34 (2), 254–258. (תקציר | מאמר מלא (HTML) | מאמר מלא (PDF)) Is a negative pH possible? Price, R. B., Sedarous, M., & Hiltz, G. S. (2000). [www.cda-adc.ca/JCDA/vol-66/issue-8/421.pdf The pH of tooth-whitening products]. JOURNAL-CANADIAN DENTAL ASSOCIATION, 66(8), 421–426.