Experimental realization and applications of the unified acidity scale

Abstract

Happelisus on keskkonna, toodete ja toidu puhul tähtis näitaja. Kõik teavad, et sidrun on hapum kui maasikas, kuid kõiki asju ei saa maitsta. Kuidas sellisel juhul happelisust hinnata? Happelisuse hindamiseks on kasutusel pH ning mida väiksem on mingi olluse pH näit, seda happelisem see on. Vees on pH skaala ulatus 0 kuni 14 ning skaala keskel, pH 7 juures on vesi neutraalne. Vees on pH mõõtmine lihtne, olles üks levinumaid mõõtmisi keemia laborites. Hoopis keerulisem on asi mittevesikeskkondades – bensiinis, taimeõlis, lihas jne. Sisuliselt võib öelda, et igal keskkonnal on oma pH skaala, kuid need ei ole omavahel võrreldavad. Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse näiteks Celsiuse ja Kelvini skaalat, kuid temperatuuri osatakse ühest skaalast teise teisendada. Sama ei saa öelda pH puhul, kuna skaalade nullpunktid eri keskkondades on teadmata. Seega kehtis kuni viimase ajani kahetsusväärne olukord, kus mõiste pH tähendab igas keskkonnas ise asja ja need pH väärtused ei ole omavahel võrreldavad. 2010. aastal töötati välja üldistatud happelisuse (pHabs) skaala kontseptsioon – üks skaala kõigi keskkondade jaoks. Selles skaalas esitatuna on võimalik kõikide keskkondade happelisusi omavahel võrrelda. Teoorias asendas üks skaala kõiki neid sadu ja tuhendeid pH skaalasid, kuid see kontseptsioon oli algselt olemas vaid teooria tasemel – mõõta pHabs väärtusi veel ei osatud. Doktoritöö eesmärk oli viia see teooria ellu ehk arendada välja meetod pHabs mõõtmiseks ning esimest korda ajaloos mõõta üldistatud happelisusi. Töö eesmärk täideti edukalt ning nüüd on olemas võimalus mõõta üldistatud happelisusi. Loodud meetodi esmaseks rakenduseks oli vesi-metanooli ja vesi-atsetonitriili segude üldistatud happelisuste mõõtmine. Neid segusid kasutatakse mobiilfaasidena vedelikkromatograafia-massispektromeetria meetodis, mis on praegusel ajal üks levinumaid ja võimekamaid analüüsimeetodeid. Valdavalt käib mobiilfaasi pH valimine katse-eksitusmeetodil. Tegeliku happelisuse teadmine võimaldab valida sobivaima mobiilfaasi, säästes keskkonda, aega ja raha. Selle töö suurim saavutus on mõõtevõimekuse tekitamine. Nüüdsest saab mõõta järgmiste huvipakkuvate objektide üldistatud happelisusi ning järjest avardada inimkonna arusaama happelisusest väljaspool teada-tuntud vesikeskkonda.

Acidity is an important property of environment, products and food. Everybody knows that a lemon is more sour than a strawberry, but one cannot taste everything. In such a case, how can you evaluate the acidity? The typical measure of acidity is pH. The lower the pH value of a substance, the more acidic it is. The acidity scale in water ranges from 0 to 14 and in the middle, near pH 7, the water is neutral. It is easy to measure pH in water, being one of the most common measurements in chemical laboratories. It is a different story in nonaqueous medium – in gasoline, vegetable oil, meat etc. Basically one can say that every medium has its own pH scale but these scales are unfortunately incomparable. Temperature also has several scales, for example Celsius and Kelvin scale, but one can convert temperature value from one scale to another. The same is not true for pH, where the shifts of the zero points are unknown. So until now there was an unfortunate situation, where the term pH value had a different meaning in every medium and it was not possible to compare these values to each other. In 2010 the concept of unified acidity (pHabs) was put forward – one pH scale for all media! In this scale one can compare the acidities of every medium to one another. In theory this one scale substitutes all of those hundreds and thousands of pH scales, but only in theory – no one knew how to measure it. The aim of my work was to put the theory into practice, in other words develop a method to measure pHabs and for the first time in history measure unified acidities. This aim has been reached and now there is a possibility to measure unified acidities. The first experiments with the developed method were unified acidity measurements of water-methanol and water-acetonitrile mixtures. These mixtures are used as mobile phases in liquid chromatography mass spectrometry, currently one of the most used and capable method of analysis. Usually, choosing the pH of a mobile phase is done by trial and error. Knowing the pHabs helps to choose the most appropriate mobile phase, thus saving environment, time and money. The biggest achievement in this work is the measurement capability. From now on one can measure unified acidities of substances of interest and broaden the mankind’s knowledge about acidities beyond the well-known water.