تعريف الرقم الهيدروجيني PH

يتم تعريف قيمة الأس الهيدروجيني بأنها اللوغاريتم السالب لتركيز أيون الهيدروجين (H+)، ومن هنا فإن معنى اسم pH يدل على قوة الهيدروجين في المحلول. ولتحديد قوة تركيز الأحماض والقواعد بكميات، نستخدم مؤشرا معينا يسمى “الأس الهيدروجيني” والذي يظهر التركيز على شكل ألوان مختلفة يمكن كشفها باستخدام ورقة عباد الشمس بتركيزات مختلفة من أيون الهيدروجين في المحلول.

قيم الرقم الهيدروجيني للمحلول هي دالة على حموضته أو قلويته، ويتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14 عندما يكون 7 متعادلا، ويقال أن الماء ذو الرقم الهيدروجيني المنخفض حمضي، وأن الماء ذو الرقم الهيدروجيني العالي يعتبر قاعديا أو قلويا، كما يجب أن يحتوي الماء النقي على درجة حموضة تبلغ 7، ولكن بسبب الملوثات المختلفة في الماء يكون في الغالب حمضيا.

تلعب درجة الحرارة دورا مهما في قياسات الأس الهيدروجيني؛ إذ يزداد تفكك الماء مع زيادة درجة الحرارة، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من أيونات الهيدروجين [H+]، والنتيجة هي انخفاض الرقم الهيدروجيني. كما يزداد قدرة الماء على التأين والاهتزاز بشكل أكبر مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تكوين أيونات الهيدروجين بشكل أكبر، والنتيجة هي انخفاض الرقم الهيدروجيني.

قوانين الرقم الهيدروجيني

يلعب توازن الرقم الهيدروجيني للمحلول دورًا هامًا في الصحة العامة، ويتم تحديد الرقم الهيدروجيني أو نسبة الهيدروجين في جسمك من خلال نسبته في الغذاء والشراب الذي تتناوله، والرقم الهيدروجيني هو تركيز أيونات الهيدروجين.

ويمكن تحديد قوانين الرقم الهيدروجيني ورجوعه إلى سلسلة من المحاليل القياسية ذات التركيزات المعلومة من الهيدروجين التي يتم تحديد الرقم الهيدروجيني لها بموجب اتفاق عالمي، يتم ذلك عن طريق حساب فرق الجهد بين قطبي الهيدروجين والقطب القياسي مثل قطب كلوريد الفضة المعلوم التركيز، ويتم أيضًا حساب القيم القياسية للرقم الهيدروجيني باستخدام خلية تركيز مع التحويل.

كما يمكن استخدام قطب كهربائي زجاجي ومقياس الأس الهيدروجيني أو مؤشر تغيير اللون لقياس الرقم الهيدروجيني للمحاليل المائية عن طريق الكشف عنها بورقة عباد الشمس، حيث يتراوح الرقم الهيدروجيني لمحلول ما من 0 إلى 14؛ وتسمى المحاليل التي لها قيمة pH تتراوح من 0 إلى 7 على مقياس الرقم الهيدروجيني بأنها حمضية، وقيمة الرقم الهيدروجيني التي تتراوح من 7 إلى 14 على مقياس الأس الهيدروجيني تُعرف بالمحاليل القاعدية، كما تُعرف الحلول التي لها قيمة pH تساوي 7 على مقياس الأس الهيدروجيني باسم المحاليل المتعادلة.

والجدير بالذكر أن في المحاليل الحامضية كلما قل الرقم الهيدروجيني عن 7 كلما زادت درجة الحامضية؛ حيث أن المحلول ذو الرقم الهيدروجيني 1 يكون أكبر حامضية من المحلول ذو الرقم الهيدروجيني 6، وكذلك في المحاليل القاعدية؛ كلما زاد الرقم الهيدروجيني عن 7 زادت درجة القاعدية للمحلول.

يساعد في تحديد قوة الأحماض والقواعد بتركيز أيون الهيدرونيوم (H3O+)، وبمساعدة أيون الهيدروكسيل (-OH)، وعند مقارنة تراكيز أيون الهيدرونيوم وأيون الهيدروكسيل ، يمكننا التمييز بين الأحماض والقواعد.

• بالنسبة للمحلول الحمضي: [H3O+]> [OH]
• المحلول المتعادل: [H3O+] = [OH]
• المحلول القاعدي : [H3O+] <[OH].

أهمية الرقم الهيدروجيني

الرقم الهيدروجيني هو مقياس مهم يعكس الظروف الكيميائية للمحلول؛ حيث يمكن أن يؤثر الرقم الهيدروجيني على توفر العناصر الغذائية والوظائف البيولوجية والنشاط الجرثومي وسلوك المواد الكيميائية. لهذا السبب، فإن مراقبة والتحكم في درجة الحموضة والقاعدية في التربة والمياه والأطعمة أو المشروبات مهمة لعدة تطبيقات، ومن أهم هذه التطبيقات التي تعتمد على الرقم الهيدروجيني ما يلي:

• الزراعة

التربة هي نظام معقد يتضمن العديد من العوامل المختلفة التي تتأثر بدرجة حموضة التربة، مثل النشاط الجرثومي، ونمو الفطريات، وتوافر العناصر الغذائية، ونمو الجذور؛ وفي ظل الظروف الحمضية، تصبح العديد من المعادن في التربة قابلة للذوبان، مطلقةً معادن سامة مثل الألمنيوم، وتصبح بعض العناصر الغذائية مثل: الفوسفور والموليبدينوم، أقل توفرًا عند قيم الأس الهيدروجيني المنخفضة، بينما في ظل الظروف القلوية  يمكن أن تصبح التربة ناقصة في العناصر الغذائية مثل: الزنك والنحاس والحديد والمنغنيز والبورون والفوسفور.

عندما يكون الرقم الهيدروجيني للتربة خارج النسبة المرغوب فيها، يمكن تغيير الرقم الهيدروجيني عن طريق إضافة مادة حمضية (الكبريت) أو مادة قاعدية (الجير) إلى التربة، ولتصحيح الأس الهيدروجيني للتربة الحمضية عن طريق الجير، يجب إجراء تحليل الحموضة القابلة للتبديل بحيث يمكن حساب الكمية المطلوبة من الجير.

• تربية الأسماك والأحياء المائية

قد تكون المياه التي تحتوي على درجة حموضة منخفضة جدا أو مرتفعة جدا ضارة للأسماك والكائنات الحية الأخرى في البيئة المائية. عندما تكون درجة الحموضة منخفضة، يمكن للمعادن السامة مثل الألمنيوم أن تنتشر في الماء بتركيزات أعلى، وتزداد سمية بعض المواد الكيميائية التي تحمل النيتروجين. يمكن أن تتأثر عمليات الاستقلاب الغذائي للأسماك وتصبح أقل كفاءة، وقد يؤدي الماء الحامضي الذي يحتوي على حموضة أقل من 5 إما إلى عدم التكاثر أو الموت. تكون الأسماك الصغيرة والكائنات المائية الأخرى أكثر عرضة للإصابة في مثل هذه الحالات.

• معالجة المياه

يجب أن يكون الرقم الهيدروجيني لمياه الشرب بين 6.5 و 8.5، ويمكن لمياه الشرب منخفضة الأس الهيدروجيني أن تتحلل من الأنابيب، مما يتسبب في وجود معادن سامة مثل النحاس وتؤدي إلى الارتشاح في إمدادات المياه، بينما الماء الذي يحتوي على درجة حموضة عالية جدًا له طعم مزعج، كما أن فعالية المطهرات مثل الكلور تنخفض.

في معالجة مياه الصرف الصحي، يتم التحكم في الرقم الهيدروجيني (pH) لضمان استمرارية التفاعلات الكيميائية أو الميكروبية المرغوبة بأكبر كفاءة ممكنة. ولذلك، يتم مراقبة درجة الحموضة بعناية وضبطها بشكل دقيق لتلائم الظروف الكيميائية أو الميكروبيولوجية المتغيرة.

• صيانة حمامات السباحة

تتراوح قيمة الرقم الهيدروجيني لأحواض السباحة عادة بين 7.2 و 7.8. إذا كان الرقم الهيدروجيني مرتفعا، فإن فعالية مطهر الكلور تقل، مما يزيد من احتمالية نمو الطحالب ويقلل من قدرتها على قتل الفيروسات والبكتيريا بشكل فعال في حمام السباحة. أما إذا كان الرقم الهيدروجيني منخفضا، فإن الماء يسبب تهيجا للعينين والأنف ويمكن أن يتسبب في تآكل الأسطح المعدنية.

• الصناعات الغذائية

في صناعة الأغذية، يتم قياس قيمة الأس الهيدروجيني لاختبار الجودة والتحكم في النشاط الميكروبي والتحكم في الطعم والخصائص الأخرى وتمديد عمر الأغذية المفترض. على سبيل المثال، في حالة الحليب، يتم اختبار قيمة الأس الهيدروجيني للتحقق من وجود شوائب أو عدوى، ويحدد الأس الهيدروجيني مدى ليونة الجبن أو صلابته، كما يستخدم قيمة الأس الهيدروجيني في تقييم جودة الطعام؛ حيث يمكن أن تشير قيمة الأس الهيدروجيني المرتفعة جدا إلى تلف اللحم.