pH值

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pH值,亦称氢离子浓度指数酸鹼值[1],是溶液离子活度的一种标度,也就是通常意义上溶液程度的衡量标准。这个概念是1909年由丹麦生物化学家索倫·彼得·勞里茲·索倫森(Søren Peder Lauritz Sørensen)提出的。「pH」中的「H」代表氫離子(H+),而「p」的來源則有幾種說法。第一種稱p代表德语「Potenz」,意思是力度、強度;第二種稱pH代表拉丁文「pondus hydrogenii」,即「氫的量」;第三種認為p只是索倫森随意选定的符号,因为他也用了q。现今的化学界把p加在无量纲量前面表示该量的负对数

通常情况下(25、298K左右),当pH<7的时候,溶液呈酸性,当pH>7的时候,溶液呈碱性,当pH=7的时候,溶液为中性

pH值允许小于0,如鹽酸(10 mol/L)的pH为−1。

同样,pH值也允许大于14,如氫氧化鈉(10 mol/L)的pH为15。

定義[编辑]

一些常見物質的pH值(均保留三位有效数字)
物質 pH
酸性
鹽酸(10 mol/L) -1.00
鹽酸(1 mol/L) 0.00
鉛酸蓄電池的酸液 1.00
磷酸(0.083 mol/L) 1.08
胃酸 1.20
檸檬 2.40
可樂 2.50
食醋 2.90
3.50
蘋果 4.00
啤酒 4.50
咖啡 5.00
5.50
酸雨 < 5.60
牛奶 6.50
氯化钠溶液 7.00(中性
血液 7.34 - 7.45
海水 8.00
洗手 9.00 - 10.0
家用氨水除垢劑 11.5
漂白水(次氯酸鈉) 12.5
家用氫氧化鈉 13.5
氫氧化鈉(1 mol/L) 14.0
氫氧化鈉(10 mol/L) 15.0
鹼性

pH值的計算公式如下:

\mbox{pH} = -\log_{10} \left[ \mbox{H}^+ \right]= \log_{10} \frac{1}{\left[ \mbox{H}^+ \right]}

其中[H+]指的是溶液中氫離子的活度(有時也被寫為[H3O+],水合氫離子活度),單位為摩尔,在稀溶液中,氫離子活度約等於氫離子的濃度,可以用氫離子濃度來進行近似計算。

標準溫度和壓力下,pH=7的水溶液(如:純)為中性,這是因為水在標準溫度和壓力下自然電離出的氫離子和氫氧根離子濃度的乘積(水的離子積常數)始終是1×10−14,且兩種離子的濃度都是1×10−7mol/L。pH值小于7說明H+的濃度大於OH的濃度,故溶液酸性強,而pH值大于7則說明H+的濃度小於OH的濃度,故溶液鹼性強。所以pH值愈小,溶液的酸性愈強;pH愈大,溶液的鹼性也就愈強。

在非水溶液或非標準溫度和壓力的條件下,pH=7可能並不代表溶液呈中性,這需要通過計算該溶劑在這種條件下的電離常數來決定pH為中性的值。如373K(100℃)的溫度下,pH=6為中性溶液。 由于实际中的溶液不是理想溶液,所以仅仅用H+浓度是不可以准确测量的,因此也无法准确计算得到溶液的pH。故而应当采用H+活度,即pH=-lg aH+=-lgγ·cH+。这样从理论上讲只要知道氢离子的活度aH+就可以得到溶液的准确pH。[2]

于是人们给pH下了一个操作定义。[3]对于溶液X,测量下列伽伏尼电池的电动势Ex:
参比电极 | KCl浓溶液 | 溶液X | H2 | Pt
将未知pH(X)的溶液X换成标准pH(S)的溶液S,同样测量电池的电动势Es。则
pH(X)=pH(S)+(Es-Ex)F/(RTln10)
式中F为法拉第常数,R为摩尔气体常数,T为热力学温度。 因此可以通过测定未知溶液与标准溶液的电动势就可以计算出未知溶液的pH。为此IUPAC规定了一些标准溶液的pH。[4]

测量[编辑]

有很多方法来测量溶液的pH值:

  • 在待测溶液中加入pH指示剂,不同的指示剂根据不同的pH值会变化颜色,根据指示剂的研究就可以确定pH值的范围。滴定时,可以作精确的pH标准。
  • 使用pH试纸,pH试纸有广泛试纸和精密试纸,用玻棒沾一点待测溶液到试纸上,然后根据试纸的颜色变化并对照比色卡也可以得到溶液的pH值。上方的表格就相当于一张比色卡。
    • pH试纸不能夠顯示出油份的pH值,由於pH试纸以離子來量度待测溶液的pH值,但油中沒含有離子,因此pH试纸不能夠顯示出油份的pH值。
  • 使用pH计,pH计是一种测量溶液pH值的仪器,它通过pH选择电极(如玻璃电极)来测量出溶液的pH值。pH计可以精确到小数点后三位。

pOH[编辑]

pOH(氢氧根离子浓度指数)是和pH相对应的表示溶液中氢氧根离子活度的概念,定义如下:

\mbox{pOH} = -\log_{10} \left[ \mbox{OH}^- \right]

当在298K(25℃)的时候,水的离子积Kw = [H+][OH]=10−14 因为log Kw = log [H+] + log [OH],所以此时pOH=14-pH。

应用[编辑]

生物系統中的pH值
組織或物質 pH
胃酸 1
溶酶體 4.5
嗜鉻細胞顆粒 5.5
人類皮膚 5.5
尿 6.0
37 °C下的純水 6.81
細胞質 7.2
腦脊液(CSF) 7.5
血液 7.34–7.45
線粒體基質 8.0
胰腺分泌物 8.1

由pH值的定义可知,pH值是衡量溶液酸碱性的尺度,在很多方面需要控制溶液的酸碱,这些地方都需要知道溶液的pH值:

  • 医学上:人体血液的pH值通常在7.35-7.45之间,如果发生波动,就是病理现象。唾液的pH值也用于判断病情。
  • 化学和化工上:很多化学反应需要在特定的pH值下进行,否则得不到所期望的产物。
  • 农业上:很多植物有喜歡酸性土壤或碱性土壤的习性,例如的种植。控制土壤的pH值可以使种植的植物生长的更好。

参见[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ 高立出版集團 -- 普通化學實驗(彩色版)
  2. ^ http://www.xieshil.com/post/48714.htm pH的操作定义
  3. ^ 中华人民共和国国家标准 物理化学和分子物理学的量和单位 GB3102.8-1993 附录C
  4. ^ IUPAC, Definition of pH Scales, Standard Reference Values, Measurement of pH and Related Terminology, Pure Appl Chem, 57(1985), 531-542

延伸閱讀[编辑]