Раствори со негативна pH вредност?

Вообичаениот опсег на pH се движи од 0 до 14. Меѓутоа, ако ви е даден моларитетот на водородни јони на киселина што е поголем од еден, ќе пресметате негативна pH вредност за киселината. Дали е можно да постои раствор со негативна pH вредност? Како се добива негативна pH вредност?

Дефинитивно е можно да се пресмета негативна pH вредност. Но, од друга страна, дали киселината навистина има негативна pH вредност не е нешто што можете со сигурност да го потврдите во лабораторија.

Теоретски, секоја киселина што има концентрација на водородни јони поголема од 1М, има негативна pH вредност. На пример, pH на 12M HCl (хлороводородна киселина) се пресметува:

pH = -log[H⁺]

pH = -log[12]

pH = -1.08

Но, не можете да го измерите ова со некој инструмент или тест. Не постои посебна лакмус хартија што добива некоја боја кога вредноста е под нулата. pH метрите се подобриод pH хартијата, но сепак не можете само да потопите стаклена pH електрода во HCl и да измерите негативна pH вредност. Тоа е затоа што стаклените рН електроди страдаат од дефект наречен „киселинска грешка“ што предизвикува да измерат повисока pH вредност од реалната pH вредност. Многу е тешко да се примени корекција за овој дефект за да се добие вистинската pH вредност.

Исто така, силните киселини не се дисоцираат целосно во вода при високи концентрации. Во случај на HCl, дел од водородот би останал врзан за хлорот, така што во овој поглед, вистинската pH вредност би била повисока од pH што би ја пресметале од киселинската моларност.

За дополнително да се комплицира ситуацијата, активитетот или ефективната концентрација на водородни јони во концентрирана силна киселина е повисока од вистинската концентрација. Тоа е затоа што има толку малку вода по единица киселина.

Додека pH вообичаено се пресметува како -log [H⁺] (негативен декаден логаритам на бројната вредност на моларитетот (концентрацијата) на водородните јони), би било попрецизно да се напише pH = - log a_H⁺ (негативен декаден логаритам на активитетот на водородните јони). Tоа значи дека концентрацијата треба да ја замениме со активитет, кој што претставува ефективна концентрација.

Накратко, не можете прецизно да измерите екстремно ниска pH вредност со стаклена pH електрода и тешко е да се каже дали pH вредноста е намалена заради зголемениот активитет на водородните јони повеќе отколку што се зголемува со нецелосна дисоцијација. Негативната pH вредност е можна и едноставна за пресметување, но не е нешто што лесно можете да го измериме. Се користат специјални електроди за проценка на екстремно ниските pH вредности. Пресметката се однесува и на алкалните раствори, во кои вредноста на pOH може да се прошири надвор од типичниот опсег.

Во 10 M HCl pH = -1 [-log(10)]

иво 10 M KOH pH = 15 [14-(-log(10)]

Внимавајте: ова е теоретски бидејќи 10 моларна HCl не постои (максимална концентрација = 36,5% по маса) Ова не е 10M!

И нема таков КОН бидејќи растворливоста  на супстанцата не е неограничена!

Кога ќе  биде откриена негативна pH вредност во реална ситуација, се применуваат специјални фактори за корекција на мерењата со рН сондите. Двата методи кои често се користат за скалирање на овие мерења се познати како „Питцеров пристап“ и претпоставка на „Мек Инс“.

Пристапот на Пицер кон концентрацијата на јони на растворот е широко прифатен за да се проценат коефициентите на активитет на еден јон, а претпоставката на Мек Инс вели дека поединечните коефициенти за воден раствор како H⁺ и Cl^- се еднакви.

Примери на средини со негативна pH вредност

Негативна pH вредност може да се најде од природните водни кисели струи до одводите на некои рудници.

Двата најдоминантни извори на екстремно ниска pH вредност во природните води се магматските гасови (кои се наоѓаат во отворите и езерата на кратерите) и топлите вулкански извори.

Некои примери за најниските pH вредности моментално пријавени во примероците од животната средина се:

Топли извори во близина на вулканот Ебеко, Русија: pH = -1,7

Фумаролски кондензати (HCl-HF) од Килауеа Ики, Хаваи: pH = -0,3

Езерски води од кратерот Поас, Костарика: pH = -0,89

Киселото кратерско езеро Кавах Ијен, Јава, Индонезија: pH = 0,02-0,2

Екстремно киселите води во рудникот со pH вредности до −3,6, вкупни концентрации на растворени метали високи до 200 g/L и концентрации на сулфати високи до 760 g/L, се среќаваат во рудникот Ричмонд во Iron Mountain, Калифорнија. Ова се најкиселите води во светот. Мерењата на pH се добиени со користење на методот на Пицер за да се дефинира pH со калибрација на електродите со стаклена мембрана. Калибрацијата на pH под 0,5 со електроди со стаклена мембрана станува силно нелинеарна, но може да се репродуцира до pH до −4. Од овие кисели води се пронајдени бројни ефлоресцентни минерали. Овие екстремни кисели води се формирани првенствено со оксидација на пирит и концентрирани со испарување на водните раствори  и формирање на ефлоресцентни минерали.

Значи, негативната pH вредност е можна, меѓутоа, без разлика дали киселиот раствор навистина има негативна pH вредност не е нешто што може лесно да се одреди во лабораторија, затоа не можете точно да измерите екстремно ниски pH вредности со комерцијална стаклена pH електрода.

Исто така, тешко е да се користи pH вредност за да се открие дали pH на растворот е намалена со зголемување на активитетот на водородните јони или заради нецелосната дисоцијација. За да се измерат екстремно ниските pH вредности, би требалода се користат специјални електроди кои инкорпорираат посебни фактори за корекција, поради што моментално се пресметува негативната pH вредност.