pH في الكيمياء الكهربية

خطوات الاستخدام

أدخل قيمة جهد الخلية (cell potential) بالفولت. هذا الجهد هو الفرق بين جهد القطب العامل وجهد القطب المرجعي، ويتم قياسه باستخدام جهاز الفولتميتر. في الكيمياء الكهربية، يرتبط جهد الخلية بتركيز أيونات الهيدروجين من خلال معادلة نرنست.

أدخل درجة الحرارة (temperature) بالكلفن أو الدرجة المئوية. تعتمد معادلة نرنست على درجة الحرارة المطلقة (T) في البسط (RT/F). إذا أدخلت درجة الحرارة بالمئوية، سيتم تحويلها إلى كلفن بإضافة 273.15. درجة الحرارة تؤثر بشكل كبير على قيمة الجهد وبالتالي على pH المحسوب.

أدخل عدد الإلكترونات المنتقلة (n) في نصف التفاعل. على سبيل المثال، في تفاعل اختزال H+ إلى H2، n=2 (2H+ + 2e- → H2). قيمة n مطلوبة لحساب معامل نرنست (0.05916/n عند 25°C). إذا كانت العملية تتضمن أكثر من إلكترون، سيكون التغير في الجهد لكل وحدة pH أصغر.

الأسئلة الشائعة

يتم تحويل معادلة نرنست إلى صيغة pH بواسطة أخذ اللوغاريتم العشري. عند 25°C، يكون (2.303 RT/F) ≈ 0.05916 فولت. بينما عند درجة حرارة مختلفة، هذا المعامل يتغير خطياً مع درجة الحرارة المطلقة. على سبيل المثال، عند 0°C (273.15 K) يكون المعامل حوالي 0.0542 فولت، وعند 100°C (373.15 K) يكون 0.0740 فولت. لذلك، للحصول على pH دقيق، يجب إدخال درجة الحرارة الصحيحة.

عدد الإلكترونات (n) يحدد عدد الإلكترونات المنتقلة في نصف تفاعل القطب الحساس لـ H+. على الرغم من أن نصف تفاعل H+ الشائع يتضمن 2 إلكترون (2H+ + 2e- → H2)، إلا أن معادلة جهد القطب عند تطبيق معادلة نرنست تعتمد على n. الصيغة العامة للقطب الهيدروجيني هي: E = E0 - (RT/2F) * ln( (P_H2) / [H+]^2 ). عند ثبات P_H2=1، تصبح E = E0 - (RT/2F) * ln(1/[H+]^2) = E0 + (RT/F) * ln([H+]) = E0 - (2.303RT/F) * pH. لاحظ أن n=2 اختفت بسبب وجود الأس 2 في اللوغاريتم. رياضياً، (RT/2F) * ln(1/[H+]^2) = (RT/2F) * (-2 ln[H+]) = (RT/F) * (-ln[H+]) = -(RT/F) * ln[H+] = -(2.303RT/F) * log[H+]. إذن النتيجة لا تعتمد على n بعد إلغاء الأس. ومع ذلك، إذا كان القطب حساساً لـ H+ ولكن نصف التفاعل مختلف (مثل قطب كينون-هيدروكينون أو قطب الأنتيمون)، فقد يكون n مختلفاً ويؤثر على العلاقة. على سبيل المثال، قطب الكينون-هيدروكينون (Q/H2Q) له نصف تفاعل: Q + 2H+ + 2e- → H2Q، وبالتالي n=2 وتكون العلاقة E = E0' - (2.303RT/2F) * pH = E0' - 0.02958*pH عند 25°C. لذلك، من الضروري معرفة n الصحيح للقطب المستخدم لتحويل الجهد إلى pH بدقة.

درجة الحرارة تؤثر على معادلة نرنست من خلال حد RT/F. كلما زادت درجة الحرارة، زاد معامل حساسية الجهد لتغير pH. على سبيل المثال، عند 25°C، يتغير الجهد بمقدار 59.16 ملي فولت لكل وحدة pH (عند n=1). عند 50°C، يصبح هذا المعامل حوالي 61.5 ملي فولت/ pH، وعند 0°C حوالي 54.2 ملي فولت/ pH. بالإضافة إلى ذلك، جهد القطب المرجعي يتغير أيضاً مع درجة الحرارة (مثل قطب Ag/AgCl وقطب الكالوميل). لذلك، حتى مع معايرة القطب pH عند درجة حرارة معينة، إذا تغيرت درجة حرارة المحلول، فإن الجهد المقاس يتغير بشكل لا خطي. بعض أجهزة قياس pH الحديثة تعوض تلقائياً عن درجة الحرارة باستخدام مستشعر حرارة. عند الحساب يدوياً، يجب استخدام درجة الحرارة الصحيحة لحساب معامل نرنست وتصحيح جهد المرجع إن لزم الأمر. معادلة التصحيح العامة: pH = (E_ref - E_cell + E_asym) / ( (2.303 RT/F) * n_eff )، مع ملاحظة أن n_eff قد لا يساوي n الحقيقي لبعض الأقطاب.

أكثر الأقطاب شيوعاً لقياس pH هو القطب الزجاجي (glass electrode)، وهو قطب انتقائي لأيون الهيدروجين (ISE). يتكون من غشاء زجاجي رقيق حساس لـ H+، ويقوم بتوليد جهد يتناسب مع pH. عادة ما يُستخدم مع قطب مرجعي مثل Ag/AgCl أو الكالوميل. القطب الزجاجي يحتاج إلى معايرة باستخدام محاليل منظمة pH معروفة. ومن الأقطاب الأخرى: قطب الهيدروجين (SHE) وهو المرجع الأساسي ولكنه غير عملي في المختبرات العادية؛ قطب الكينون-هيدروكينون (quinhydrone) الذي يستخدم في بعض التطبيقات التاريخية؛ وقطب الأنتيمون (antimony electrode) الذي يستخدم في الظروف القاسية أو في قياس pH التربة. لكل قطب خصائصه من ناحية الدقة، المدى، ودرجة الحرارة. القطب الزجاجي هو الأكثر استخداماً في المختبرات الكيميائية والصناعية.

pH في الكيمياء الكهربية

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

أمثلة محلولة

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة