في عالم الكيمياء والبيولوجيا والعلوم البيئية، يعد الرقم الهيدروجيني (pH) أحد أهم وأبسط القياسات التي يتم إجراؤها بشكل روتيني. يعبر هذا المقياس عن درجة حمضية أو قلوية محلول مائي، وهو عامل حاسم يؤثر على كل شيء، من معدل التفاعلات الكيميائية ونشاط الإنزيمات إلى صحة النظم البيئية المائية وجودة المنتجات الصناعية. إن القدرة على قياس الرقم الهيدروجيني بدقة وموثوقية ليست مجرد مهارة أساسية لأي كيميائي، بل هي ضرورة لضمان جودة البيانات ونجاح التجارب. من شرائط ورقية بسيطة تغير لونها إلى أجهزة إلكترونية متطورة، تتعدد طرق القياس وتختلف في دقتها وتكلفتها. في هذا الدليل الشامل، سنستعرض الطرق الأكثر شيوعًا لقياس الرقم الهيدروجيني في المختبر، ونقارن بينها، ونقدم إرشادات عملية للحصول على قراءات دقيقة في كل مرة.

تذكير سريع: ما هو الرقم الهيدروجيني (pH)؟

الرقم الهيدروجيني هو مقياس لوغاريتمي لتركيز أيونات الهيدروجين ($H^+$) في محلول مائي. تتراوح قيمة الـ pH عادةً من 0 إلى 14:

• pH < 7: يشير إلى محلول حمضي (تركيز $H^+$ مرتفع).
• pH = 7: يشير إلى محلول متعادل (تركيز $H^+$ يساوي تركيز $OH^-$).
• pH > 7: يشير إلى محلول قاعدي أو قلوي (تركيز $H^+$ منخفض).

بسبب طبيعته اللوغاريتمية، فإن تغييرًا بسيطًا في قيمة الـ pH يمثل تغييرًا كبيرًا في الحمضية. على سبيل المثال، محلول بقيمة pH تبلغ 3 هو أكثر حمضية بعشر مرات من محلول بقيمة pH تبلغ 4. هذا يؤكد على أهمية الدقة في القياس. لمعلومات أساسية، راجع مقالنا عن الفرق بين الأحماض والقواعد.

الطريقة الأولى: الكواشف وورق قياس الـ pH (الطريقة النوعية)

هذه هي الطريقة الأبسط والأسرع والأقل تكلفة للحصول على تقدير تقريبي لقيمة الـ pH. تعتمد هذه الطريقة على مواد كيميائية تسمى “الكواشف” (Indicators)، وهي أصباغ عضوية يتغير لونها عند قيم pH محددة.

1. ورق عباد الشمس (Litmus Paper)

هو أبسط أشكال الكواشف. يأتي على شكل ورقتين: زرقاء وحمراء. لا يعطي قيمة رقمية، بل يحدد فقط ما إذا كان المحلول حمضيًا أم قاعديًا:

• ورقة عباد الشمس الزرقاء: تتحول إلى اللون الأحمر في وسط حمضي.
• ورقة عباد الشمس الحمراء: تتحول إلى اللون الأزرق في وسط قاعدي.

الاستخدام: مثالي للاختبارات السريعة في الفصول الدراسية للتمييز بين حمض وقاعدة.

2. ورق الـ pH واسع النطاق (Universal Indicator Paper)

هذا الورق أكثر تطورًا من ورق عباد الشمس. إنه مشبع بمزيج من عدة كواشف مختلفة، مما يسمح له بإظهار سلسلة من الألوان عبر نطاق واسع من قيم الـ pH (عادة من 1 إلى 14).

كيفية الاستخدام:

1. اغمس طرف الشريط في المحلول المراد اختباره لبضع ثوانٍ.
2. أخرج الشريط وقارن اللون الناتج على الفور مع دليل الألوان المرفق مع العبوة.
3. كل لون يتوافق مع قيمة pH تقريبية.

المميزات: سريع، سهل الاستخدام، غير مكلف، لا يحتاج إلى معايرة.

العيوب: غير دقيق (يعطي تقديرًا بنطاق ±0.5 إلى ±1 وحدة pH)، يتأثر لونه بلون المحلول نفسه، وقد يتأثر بالمواد المؤكسدة أو المختزلة في العينة.

الطريقة الثانية: مقياس الـ pH الرقمي (الطريقة الكمية)

للحصول على قراءات دقيقة وموثوقة، لا يوجد بديل عن مقياس الـ pH الرقمي (pH meter). هذا الجهاز هو أداة أساسية في أي مختبر جاد.

مكونات مقياس الـ pH:

1. إلكترود (قطب) الـ pH: هذا هو “قلب” الجهاز. وهو جهاز استشعار حساس للغاية يتكون عادة من قطب زجاجي وقطب مرجعي مدمجين معًا. يولد هذا القطب جهدًا كهربائيًا (بالمللي فولت) يتناسب طرديًا مع قيمة الـ pH للمحلول.
2. مقياس الجهد (الفولتميتر) الرقمي: يقوم هذا الجزء بقراءة الجهد الناتج عن القطب ويترجمه مباشرة إلى قيمة pH رقمية تُعرض على الشاشة.
3. مستشعر درجة الحرارة (اختياري ولكن مهم): يتأثر قياس الـ pH بدرجة الحرارة. الأجهزة الحديثة تحتوي على مستشعر حرارة يقوم بـ “تعويض درجة الحرارة التلقائي” (ATC) لتصحيح القراءة.

المميزات: دقيق للغاية (يصل إلى ±0.01 وحدة pH)، يوفر قراءات رقمية سهلة، لا يتأثر بلون العينة.

العيوب: أغلى ثمنًا، يتطلب معايرة منتظمة، يحتاج إلى صيانة وتخزين مناسب للقطب.

فن المعايرة: مفتاح القراءات الدقيقة لمقياس الـ pH

لا يمكنك ببساطة تشغيل مقياس الـ pH والبدء في القياس. يجب معايرته أولاً. المعايرة هي عملية ضبط الجهاز ليتوافق مع قيم معروفة، مما يضمن دقة قراءاته. تتم هذه العملية باستخدام “محاليل منظمة” (Buffer Solutions)، وهي محاليل لها قيمة pH ثابتة ومعروفة جدًا.

خطوات المعايرة الأساسية (معايرة بنقطتين):

1. ابدأ بالمحلول المنظم المتعادل (pH 7.00): اغسل قطب الـ pH بالماء المقطر وجففه بلطف بمنديل ورقي. اغمس القطب في محلول منظم pH 7.00 وانتظر حتى تستقر القراءة. اضبط الجهاز (عادةً عبر زر “Calibrate” أو “Cal”) ليقرأ 7.00.
2. انتقل إلى محلول منظم حمضي أو قاعدي: اغسل القطب مرة أخرى. اختر محلولًا منظمًا آخر قريبًا من قيمة الـ pH المتوقعة لعينتك. إذا كنت ستقيس عينات حمضية، استخدم محلول pH 4.01. إذا كنت ستقيس عينات قلوية، استخدم محلول pH 10.01.
3. اغمس القطب في المحلول الثاني: انتظر حتى تستقر القراءة واضبط الجهاز ليقرأ القيمة الصحيحة (4.01 أو 10.01).

بإجراء هذه المعايرة، تكون قد “علمت” الجهاز كيفية الاستجابة بشكل صحيح عبر نطاق من قيم الـ pH. يجب إجراء المعايرة يوميًا قبل الاستخدام، أو حتى أكثر من مرة إذا كنت تقوم بقياسات حرجة.

أفضل الممارسات للحصول على قياسات pH موثوقة

• العناية بالقطب: قطب الـ pH هو الجزء الأكثر حساسية وتكلفة. يجب دائمًا الحفاظ على غشائه الزجاجي رطبًا عن طريق تخزينه في محلول تخزين مخصص (عادةً محلول كلوريد البوتاسيوم – KCl). لا تخزنه أبدًا في ماء مقطر، فهذا “يستنزف” الأيونات من القطب ويتلفه.
• التحريك: عند وضع القطب في العينة، قم بتحريكها بلطف لضمان تجانس العينة حول القطب والحصول على قراءة مستقرة بشكل أسرع.
• درجة الحرارة: اسمح دائمًا للمحاليل المنظمة وعيناتك بالوصول إلى نفس درجة حرارة الغرفة قبل القياس لتقليل الأخطاء.
• الشطف: اغسل القطب جيدًا بالماء المقطر بين كل قياس وآخر (بين المحاليل المنظمة وبين العينات) لمنع التلوث المتبادل (Cross-contamination).

مقارنة بين الطرق: متى تستخدم كل طريقة؟

خاتمة: الدقة تبدأ من القياس الصحيح

إن اختيار طريقة قياس الرقم الهيدروجيني يعتمد كليًا على الغرض من القياس ومستوى الدقة المطلوب. في حين أن ورق الـ pH يوفر حلاً سريعًا ورخيصًا للتقديرات العامة، فإن مقياس الـ pH الرقمي يظل الأداة التي لا غنى عنها للعمل العلمي الدقيق والموثوق. إن إتقان استخدام مقياس الـ pH، وخاصة عملية المعايرة والعناية بالقطب، هو مهارة أساسية تفصل بين النتائج العشوائية والبيانات العلمية القوية. من خلال اتباع الممارسات الصحيحة، يمكنك ضمان أن تكون قراءاتك للرقم الهيدروجيني دقيقة وموثوقة، مما يضع أساسًا متينًا لنجاح أي عمل مختبري يعتمد على هذا القياس الحيوي.

روابط خارجية لمزيد من المعلومات:

• Fondriest Environmental – قياس الـ pH في البيئة (شرح مفصل لعمل مقياس الـ pH وأهميته البيئية باللغة الإنجليزية)
• Thermo Fisher Scientific – إرشادات العناية بأقطاب الـ pH (دليل من شركة رائدة في تصنيع الأجهزة العلمية باللغة الإنجليزية)