pH值

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pH值,亦稱氫離子濃度指數酸鹼值[1],是溶液離子活度的一種標度,也就是通常意義上溶液程度的衡量標準。這個概念是1909年由丹麥生物化學家索倫·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代表德語「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只是索倫森隨意選定的符號,因為他也用了q。現今的化學界把p加在無量綱量前面表示該量的負對數

通常情況下(25、298K左右),當pH<7的時候,溶液呈酸性,當pH>7的時候,溶液呈鹼性,當pH=7的時候,溶液為中性

pH值允許小於0,如鹽酸(10 mol/L)的pH為−1。

同樣,pH值也允許大於14,如氫氧化鈉(10 mol/L)的pH為15。

定義[編輯]

一些常見物質的pH值(均保留三位有效數字)
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
氯化鈉溶液 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),單位為摩爾,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值小於7說明H+的濃度大於OH的濃度,故溶液酸性強,而pH值大於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。 由於實際中的溶液不是理想溶液,所以僅僅用H+濃度是不可以準確測量的,因此也無法準確計算得到溶液的pH。故而應當採用H+活度,即pH=-lg aH+=-lgγ·cH+。這樣從理論上講只要知道氫離子的活度aH+就可以得到溶液的準確pH。[2]

於是人們給pH下了一個操作定義。[3]對於溶液X,測量下列伽伏尼電池的電動勢Ex:
參比電極 | KCl濃溶液 | 溶液X | H2 | Pt
將未知pH(X)的溶液X換成標準pH(S)的溶液S,同樣測量電池的電動勢Es。則
pH(X)=pH(S)+(Es-Ex)F/(RTln10)
式中F為法拉第常數,R為摩爾氣體常數,T為熱力學溫度。 因此可以通過測定未知溶液與標準溶液的電動勢就可以計算出未知溶液的pH。為此IUPAC規定了一些標準溶液的pH。[4]

測量[編輯]

有很多方法來測量溶液的pH值:

  • 在待測溶液中加入pH指示劑,不同的指示劑根據不同的pH值會變化顏色,根據指示劑的研究就可以確定pH值的範圍。滴定時,可以作精確的pH標準。
  • 使用pH試紙,pH試紙有廣泛試紙和精密試紙,用玻棒沾一點待測溶液到試紙上,然後根據試紙的顏色變化並對照比色卡也可以得到溶液的pH值。上方的表格就相當於一張比色卡。
    • pH試紙不能夠顯示出油份的pH值,由於pH試紙以離子來量度待測溶液的pH值,但油中沒含有離子,因此pH試紙不能夠顯示出油份的pH值。
  • 使用pH計,pH計是一種測量溶液pH值的儀器,它通過pH選擇電極(如玻璃電極)來測量出溶液的pH值。pH計可以精確到小數點後三位。

pOH[編輯]

pOH(氫氧根離子濃度指數)是和pH相對應的表示溶液中氫氧根離子活度的概念,定義如下:

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

當在298K(25℃)的時候,水的離子積Kw = [H+][OH]=10−14 因為log Kw = log [H+] + log [OH],所以此時pOH=14-pH。

應用[編輯]

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值的定義可知,pH值是衡量溶液酸鹼性的尺度,在很多方面需要控制溶液的酸鹼,這些地方都需要知道溶液的pH值:

  • 醫學上:人體血液的pH值通常在7.35-7.45之間,如果發生波動,就是病理現象。唾液的pH值也用於判斷病情。
  • 化學和化工上:很多化學反應需要在特定的pH值下進行,否則得不到所期望的產物。
  • 農業上:很多植物有喜歡酸性土壤或鹼性土壤的習性,例如的種植。控制土壤的pH值可以使種植的植物生長的更好。

參見[編輯]

參考[編輯]

  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的操作定義
  3. ^ 中華人民共和國國家標準 物理化學和分子物理學的量和單位 GB3102.8-1993 附錄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[編輯]