15.3
pHスケール
ヒドロニウムイオンと水酸化物イオンは、純水にもすべての水溶液にも存在し、その濃度は水のイオン積（Kw）で決まる反比例の関係にあります。水溶液中のこれらのイオンの濃度は、しばしば溶液の特性や他の溶質の化学的挙動を決定する重要な要素となります。2つの異なる溶液のヒドロニウムイオンや水酸化物イオンの濃度は…
水溶液中のヒドロニウムイオンの濃度は、通常、負の指数で記述され、1 × 10-14 Mまで小さくすることができます。pHスケールは、1909年に化学者のSoren Sorensonによって、さまざまな溶液の酸性度をすばやく比較するためのより便利な方法として開発されました。
溶液のpHは、そのヒドロニウムイオン濃度の負の対数です。例えば、1 × 10-5 Mのヒドロニウム濃度の溶液のpHは5です。溶液のヒドロニウムイオン濃度が高いほど、そのpHは低くなります。
pHは対数スケールで表されるため、1単位の変化はヒドロニウムイオン濃度の10倍の増加または減少に相当します。pH 3の溶液は、pH 4の溶液の10倍、pH 5の溶液の100倍のヒドロニウムイオンを持ちます。
酸性溶液は、水酸化物イオンよりもヒドロニウムイオンの濃度が高く、pH が 7 未満であるのに対し、塩基性溶液は、水酸化物イオンよりもヒドロニウムイオンの濃度が低く、pH が 7 を超えています。
ヒドロニウムイオンと水酸化物イオンを等濃度に含む中性溶液のpHは7です。
水酸化物イオンの濃度はpOHとして表すこともできます。水酸化物イオン濃度が高いほど、そのpOH値は低くなります。
水溶液のpHまたはpOH値は0〜14の範囲です。これは、水の自己イオン化の平衡定数である K W が 1 × 10-14 に等しいためです。
方程式の両側の負の対数を取ると、pKWがpHとpOHの合計に等しい方程式が得られます。1 × 10-14の負の対数が14であるため、水溶液のpHとpOHの合計は常に14になります。これは、pOH値がわかっている場合、またはその逆の場合にpH値を決定するために使用できます。
例えば、pOHが10の溶液のpHは4です。
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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.