pH منفی ممکن است، اما اینکه آیا یک محلول اسیدی واقعاً pH منفی دارد یا خیر، به راحتی در آزمایشگاه تعیین نمی‌شود، بنابراین نمی‌توانید pH منفی را با یک سنسور pH اندازه‌گیری کنید.
یک پروب pH برای تشخیص هیدروژن بالقوه (pH) استفاده می شود که معمولاً بین 0-14 متغیر است. اندازه گیری pH به ما می گوید که چه مقدار هیدروژن در یک ماده وجود دارد. همچنین می تواند به ما بگوید که یون های هیدروژن چقدر فعال هستند. محلولی با فعالیت یون هیدروژن زیاد یک اسید است. برعکس، محلولی با فعالیت یون هیدروکسید زیاد یک باز است.
استفاده از حسگرهای pH در اندازه گیری pH برای طیف وسیعی از صنایع مهم است، به همین دلیل است که سنسورهای مختلف pH برای کاربردهای مختلف وجود دارد.
آیا می توانید مقدار pH منفی را تشخیص دهید؟
اگرچه مقادیر pH معمولاً از 0 تا 14 متغیر است، اما قطعاً می توان مقدار pH منفی را محاسبه کرد. pH منفی زمانی رخ می دهد که غلظت مولی یون های هیدروژن در یک اسید قوی بیشتر از 1 نیوتن (طبیعی) باشد. وقتی یک محلول اسید غلظت مولی یون هیدروژن را بیشتر از 1 تولید می کند، می توانید pH منفی را محاسبه کنید.
برای مثال pH 12 مولار HCl (اسید کلریدریک) به صورت زیر محاسبه می شود
pH = -log[H+]
pH = -log[12]
pH = -1.08
در هر صورت، محاسبه مقدار pH منفی با اندازه گیری محلولی با پروب pH که در واقع مقدار pH منفی دارد، متفاوت است.
استفاده از پروب pH برای تشخیص PH منفی چندان دقیق نیست زیرا هیچ استانداردی برای مقادیر pH بسیار پایین وجود ندارد. بیشتر عدم دقت ناشی از پتانسیل بزرگ ایجاد شده در تماس مایع الکترود مرجع در داخل پروب pH است.
اگرچه بسیاری از ابزارها بیان می‌کنند که pH منفی ممکن است با استفاده از یک کاوشگر pH تولید شود، هیچ مثالی ارائه نشده است. این ممکن است به دلیل عدم توانایی در اندازه گیری یا تعیین مقادیر منفی pH در آزمایشگاه و در دسترس بودن ضعیف استانداردهای بافر برای pH <1 باشد.
pH منفی و تفکیک یون
نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد، تفکیک یون ها است.
اگرچه اسید کلریدریک معمولاً به این روش محاسبه می شود، اما معادله pH بالا برای HCl دقیق نیست زیرا فرض می کند که یون در محلول اسید قوی دچار تفکیک کامل می شود.
با این حال، باید در نظر گرفت که فعالیت یون هیدروژن معمولاً در اسیدهای قوی غلیظ در مقایسه با محلول‌های رقیق‌تر بیشتر است. این به دلیل غلظت کمتر آب در واحد اسید در محلول است.
از آنجایی که اسید قوی‌تر در غلظت‌های بالاتر آب به طور کامل تجزیه نمی‌شود هنگام استفاده از پروب pH برای اندازه‌گیری pH HCl، برخی از یون‌های هیدروژن به اتم‌های کلر متصل می‌مانند، بنابراین pH واقعی بالاتر از pH محاسبه‌شده خواهد بود.
برای درک pH منفی، باید دریابیم که آیا تفکیک ناقص یون ها یا افزایش فعالیت یون هیدروژن تأثیر بیشتری دارد یا خیر. اگر افزایش فعالیت یون هیدروژن تأثیر بیشتری داشته باشد، اسید احتمالاً pH منفی خواهد داشت.
چگونه pH منفی را اندازه گیری کنیم؟
شما نمی توانید از یک پروب pH برای اندازه گیری PH منفی استفاده کنید و هیچ کاغذ تورنسل با pH خاصی وجود ندارد که در صورت تشخیص PH منفی رنگ خاصی به خود بگیرد.
بنابراین، اگر کاغذ تورنسل کار نمی کند، پس چرا نمی توانیم کاوشگر pH را در محلولی مانند HCl فرو ببریم؟
اگر یک الکترود pH شیشه ای (پروب) را در HCl فرو کنید و مقدار pH منفی را اندازه گیری کنید، یک خطای بزرگ رخ می دهد که معمولاً یک “خطای اسیدی” را به خواننده نشان می دهد. این خطا باعث می شود که پروب pH PH بالاتری نسبت به pH واقعی HCl اندازه گیری کند. کاوشگرهای PH شیشه ای که چنین خوانش های بالایی را نشان می دهند، نمی توانند برای بدست آوردن pH واقعی محلولی مانند HCl کالیبره شوند.
هنگامی که مقادیر pH منفی در موقعیت‌های دنیای واقعی شناسایی می‌شوند، فاکتورهای اصلاحی ویژه برای اندازه‌گیری‌های پروب pH اعمال می‌شوند. دو روشی که معمولاً برای اندازه‌گیری این اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌شود «روش پیتزر و فرضیه مک‌اینز» نامیده می‌شوند.
روش پیتزر برای غلظت یون محلول به طور گسترده برای تخمین ضرایب فعالیت یون منفرد پذیرفته شده است و برای درک فرضیه MacInnes، می توانیم به HCl نگاه کنیم. فرضیه MacInnes بیان می کند که ضرایب فردی برای محلول های آبی مانند H+ و Cl- برابر است.
نمونه هایی از محیط های pH منفی
مقادیر pH منفی را می توان در جریان آب اسیدی از آب طبیعی به زهکشی معدن یافت.
دو منبع مهم PH بسیار پایین در آب طبیعی گازهای ماگمایی (که در دریچه ها و دریاچه های دهانه یافت می شوند) و چشمه های آب گرم هستند.
برخی از نمونه‌هایی از پایین‌ترین مقادیر pH که در حال حاضر در نمونه‌های محیطی گزارش شده‌اند، هستند
چشمه های آب گرم در نزدیکی آتشفشان Ebeko، روسیه: pH = -1.6
آب دریاچه در دهانه پواس، کاستاریکا: pH = -0.91
دریاچه دهانه اسیدی در Kawah Ijen، جاوه، اندونزی: pH = 0.03-0.3
نتیجه
pH منفی ممکن است، اما اینکه آیا یک محلول اسیدی واقعاً دارای pH منفی است یا خیر در آزمایشگاه به راحتی قابل تعیین نیست، بنابراین نمی توانید از الکترود pH شیشه ای برای اندازه گیری دقیق مقادیر pH بسیار پایین استفاده کنید.
همچنین استفاده از مقادیر pH برای تشخیص کاهش pH محلول به دلیل افزایش یا تجزیه ناقص فعالیت یون هیدروژن دشوار است. برای اندازه گیری مقادیر pH بسیار پایین، باید از الکترودهای مخصوص با فاکتورهای تصحیح ویژه استفاده شود، به همین دلیل است که مقادیر pH منفی در حال حاضر محاسبه می شود اما تشخیص داده نمی شود.