15.3
توجد أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد في كل من الماء النقي وفي جميع المحاليل المائية ، وتتناسب تركيزاتهما عكسيًا على النحو الذي يحدده المنتج الأيوني لل…
يُكتب تركيز أيونات الهيدرونيوم،في محلول مائي عادة بأرقام أسية سالبة وقد يكون صغيرًا لدرجة 1 10⁻¹⁴ مولار. مقياس الحموضة pH،طوره عالم الكيمياء سورن سورنسون عام 1909،كطريقة أسهل لإجراء مقارنة سريعة بين درجة حموضة المحاليل المختلفة. درجة حموضة محلول ما،هي اللوغاريتم السالب لتركيز أيونات الهيدرونيوم فيه.
على سبيل المثال،محلول تركيزه 1 10⁻⁵ مولار تكون درجة حموضته pH 5. كلما زاد تركيز أيونات الهيدرونيوم في المحلول،قلّت درجة حموضته. بما أن درجة الحموضة pH تُمثّل على مقياس لوغاريتمي،فإن تغيير وحدة واحدة يقابله ارتفاع أو انخفاض بمقدار 10 أضعاف في تركيز أيونات الهيدرونيوم.
محلول درجة حموضته pH 3 سيحتوي على عشرة أضعاف أيونات هيدرونيوم من محلول درجة حموضته pH 4،ومائة ضعف من محلول درجة حموضته pH 5. تركيز أيونات الهيدرونيوم في محلول حمضي أعلى من تركيز أيونات الهيدروكسيد،ودرجة حموضته أقل من pH 7،بينما يكون تركيز أيونات الهيدرونيوم في محلول قاعدي أقل من تركيز أيونات الهيدروكسيد،وتكون درجة حموضته أعلى من pH 7. المحلول المتعادل الذي يحتوي على تركيزين متساويين من أيونات الهيدرونيوم والهيدروكسيد،تكون درجة حموضته pH 7.
يمكن كذلك التعبير عن تركيز أيونات الهيدروكسيد بالرمز pOH. وتساوي اللوغاريتم السالب لتركيز أيونات الهيدروكسيد. كلما ارتفع تركيز أيونات الهيدروكسيد،انخفضت قيمة pOH لتلك الأيونات.
قيمة pH أو pOH لمحلول مائي تتراوح بين 0 14. وسبب ذلك أن Kw،ثابت التوازن لتأين الماء التلقائي يساوي 1 10⁻¹⁴. إذا أخذنا اللوغاريتم السالب لطرفي المعادلة،تنتج معادلة يكون فيها pKw مساويًا لكمية pH و pOH.
بما أن اللوغاريتم السالب لـ 1 10⁻¹⁴،هو 14،فإن كمية pH و pOH لمحلول مائي ستكون دائمًا 14. يمكن استخدام هذا لتحديد قيمة pH عندما تكون قيمة pOH معروفة والعكس صحيح. على سبيل المثال،محلول فيه قيمة pOH تساوي 10،تكون قيمة pH فيه 4.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why was the pH scale developed?
Chemist Soren Sorenson developed the pH scale in 1909 to provide a more convenient way to quickly compare the acidity of different solutions. Since hydronium ion concentrations can range from 1 M to 1 × 10−14 M, expressing these values directly is impractical. The pH scale uses logarithms to compress this enormous range into a simple 0-14 scale.
Q2: How does a single pH unit change affect hydronium ion concentration?
Because pH is expressed on a logarithmic scale, a single-unit change corresponds to a 10-fold increase or decrease in hydronium ion concentration. For example, a solution with pH 3 contains ten times more hydronium ions than a solution with pH 4, and one hundred times more than a solution with pH 5. This logarithmic relationship makes pH a convenient way to express vast concentration differences.
Q3: What is the relationship between pH and pOH in aqueous solutions?
The pH and pOH of any aqueous solution always sum to 14 at 25°C because the ion product of water (Kw) equals 1 × 10−14. Since pH is the negative logarithm of hydronium ion concentration and pOH is the negative logarithm of hydroxide ion concentration, this relationship allows you to calculate one value when the other is known. For instance, a solution with pOH of 10 has a pH of 4.
Q4: How do acidic, basic, and neutral solutions differ in ion concentration?
An acidic solution has a higher concentration of hydronium ions than hydroxide ions and a pH less than 7. A basic solution has a lower concentration of hydronium ions than hydroxide ions and a pH greater than 7. A neutral solution has equal concentrations of hydronium and hydroxide ions with a pH of 7. These distinctions apply at 25°C, where Kw equals 1 × 10−14.
Q5: What determines the pH range of 0 to 14?
The pH range of 0 to 14 is determined by the ion product of water (Kw), which equals 1 × 10−14 at 25°C. Taking the negative logarithm of this value yields 14, establishing the upper limit. The relationship pH + pOH = 14 ensures that aqueous solutions at standard temperature fall within this range, with pH values below 7 indicating acidity and above 7 indicating basicity.
Q6: How does temperature affect pH classifications of solutions?
Temperature changes alter the ion product of water (Kw), which shifts the pH values that define acidic, neutral, and basic solutions. At 80°C, pure water has a hydronium ion concentration of 4.9 × 10−7 M, giving pH and pOH values of 6.31, making neutral solutions have pH = 6.31 rather than 7. This distinction is important when studying processes like enzyme reactions in warm-blooded organisms at 36-40°C.
Q7: How is pH mathematically calculated from hydronium ion concentration?
pH is calculated as the negative logarithm of the hydronium ion concentration: pH = −log[H3O+]. For example, a solution with 1 × 10−5 M hydronium concentration has a pH of 5. This formula can be rearranged to find hydronium concentration from pH, allowing chemists to understand weak acid solutions and dissociation constant calculations when analyzing solution properties.