مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اسيدها , بازها , PH و محلولهاي تامپون
تعريف اسيد و باز :

اسيد اگر در حلالي حل شود يون H⁺ توليد مي كند ولي باز يون OH^- توليد مي كند . يون هيدروژن (H⁺) شديدا" فعال است و در محلول به صورت آزاد وجود ندارد بلكه با يونهاي حلال (آب) تركيب مي شود :


 

اسيدها را بر حسب شدت تجزيه و توليد H⁺ به دو دسته تقسيم مي كنند .

اسيد قوي مثل HCL كه الكتروليتهاي قوي هستند و در آب به طور كامل تجزيه مي شوند (در محلولهاي رقيق) .

HCL <-----> H⁺ + CL^- 

اسيد ضعيف مثل اسيد استيك كه الكتروليتهاي ضعيف هستند و در آب كم تجزيه مي شوند .

 CH₃COOH <-----> CH₃COO + H⁺

قدرت يك اسيد به ميزان يونهاي هيدروژن آزاد شده توسط آن اسيد بستگي دارد . بنابراين با اندازه گيري فعاليت يونهاي هيدروژن در يك محلول اسيدي مي توان به قدرت اسيد پي برد .

به طور كلي اسيدها تمايل به افزايش غلظت H⁺ و بازها تمايل به كاهش غلظت H⁺ دارند . اسيدها يا بازهاي ضعيف وقتي در محلولها قرار گيرند داراي دو قسمت تفكيك شده و تفكيك نشده مي باشند كه يك رابطه تعادلي را بوجود مي آورند :

HA<----->H⁺ + A^-

K1 و K2 : ضريب سرعت واكنش هاي رفت و برگشت (در حالت تعادل سرعت واكنش هاي رفت و برگشت مساوي مي شود) .

K1 [HA]  = سرعت واكنش رفت و برگشت (طرف راست)

K2 [H+] [A-] =  سرعت واكنش برگشت (طرف چپ)

K1 [HA] = K2 [H+] [A-]

بعد از مرتب كردن اين رابطه خواهيم داشت :                                                       

k1/k2= Ka

Ka را ثابت تفكيك اسيد گويند و معرف قدرت اسيدي با شدت يونيزاسيون است . براي سهولت (-log Ka) را با PKa نشان مي دهند .

PKa = -log Ka

همچنين ثابت تفكيك بازهاي ضعيف Kb را گويند .

PH :

PH اصطلاحي است كه براي بيان شدت حالت اسيدي يا بازي يك محلول بكار مي رود و مربوط به همان اكتيويته يون هيدروژن مي باشد . PH در تمام كارهاي تصفيه آب و فاضلاب از اهميت زيادي برخوردار است . در تصفيه آب فاكتوري است كه بايد در انعقاد و لخته سازي , ضدعفوني كردن , نرم سازي آب , كنترل خورندگي و ... مورد توجه قرار گيرد . در تصفيه بيولوژيك فاضلاب PH بايد در محدوده مناسبي كنترل شود , در بعضي از فرايندها مثل اكسيداسيون سيانور و يا احياء كرم و ... نيز PH بايد در محدوده كوتاهي كنترل شود . به علت اهميت فراوان PH و ارتباط آن با اسيديته و قليائيت درك جنبه هاي تئوريك و كاربردي PH  بسيار مهم است . براي درك مباني تئوريك PH , يونيزاسيون آب را در نظر مي گيريم . آب خالص به مقدار كمي تجزيه مي شود .


ثابت تفكيك اين تجزيه چنين است :


چون درصد تجزيه فوق بسيار ناچيز است (يك مولكول در هر 550 ميليون مولكول) لذا در رابطه فوق
[H₂O] K عددي است ثابت كه به نام ضريب تفكيك آب ناميده مي شود و آن را به Kw نشان مي دهند  (قابل ذكر است كه غلظت آب خالص 5/55 مول در ليتر است) . بنابراين :
Kw =  [H⁺] [OH^-]      ,        Kw = 10-14  mole / lit    at 25˚C

PKw = - log Kw = 14
 چون براي آب خالص [H+]  = [OH-] پس :

Kw = [H⁺] [OH^-] = [H⁺]2 = 10-14


PH = -log [H⁺] =7

به طور كلي چنين تعريف مي شود  :       
    PH = -log [H⁺]   

مثلا" اگر [H⁺] =10^-3 باشد , در اين صورت :
                                                      
    PH = -log 10^-3  = log10³ = 3

قابل توجه است كه هر محلول حاوي آب داراي يون هاي آزاد H⁺ و OH^- مي باشد و اگر يكي از اين دو زياد شود ديگري كاهش مي يابد و بر عكس قابل توجه است كه هر محلول حاوي آب داراي يون هاي آزاد H⁺ و OH^- مي باشد و اگر يكي از اين دو زياد شود ديگري كاهش مي يابد و بر عكس .


PH آب بويژه نقش مهمي در حالت خورندگي و تشكيل رسوب آبها دارد و با كنترل مناسب آن مي توان اين مسائل را كاهش داد . دقت شود كه PH , كل اسيديته يا قليائيت يك محلول را نشان نمي دهد . اسيديته آب معياري از ظرفيت آن در خنثي سازي بازها و قلياها مي باشد و در آبهايي كه  PH آنها كمتر از 2/8 باشد وجود دارند و در آبهاي طبيعي به علت حضور CO₂ و اسيدهاي معدني قوي ايجاد مي شود . اسيديته مربوط به اسيدهاي معدني قوي , كمتر از 5/4 و اسيديته مربوط به CO₂ بين 5/4 تا 3/8 مي باشد . اسيديته متيل اورانژ تا 5/4 و اسيديته فنل فتالئين تا 3/8 مي باشد و اسيديته كل مجموع اين دو مقدار مي باشد .

تجزيه نمك ها :

تامپون يا بافر (Buffer) محلولي است كه داراي موادي مي باشد كه در مقابل اضافه شدن اسيد يا باز PH آن تغيير نمي كند و يا تغيير كمي از خود نشان مي دهد . محول هاي تامپون معمولا" حاوي اسيد ضعيف و نمك آن و يا باز ضعيف و نمك آن مي باشد , مثل كربناتها و بيكربناتها و محلول حاوي تركيبات فسفاتها (PO₄^3- , HPO₄^2- , H₂PO₄^-) .

طرز محاسبه PH محلول هاي تامپون :

PH محلول هاي تامپون از رابطه زير بدست مي آيد . اين رابطه به راحتي قابل اثبات است (براي تامپون حاصل از اسيد ضعيف و نمك آن) .
PH = PKa + log نمک/اسید

در اين رابطه :

PKa = -log Ka

و Ka ثابت تفكيك اسيد ضعيف تشكيل دهنده محلول بافر است .محلول هاي تامپون در مهندسي آب و فاضلاب از اهميت خاصي برخوردار هستند . ظرفيت تامپوني يكي از پارامترهاي مهم در تصفيه بيولوژيك مي باشد .