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수소이온과 수산화이온은 순수한 물과 모든 수용액에 모두 존재하며, 그 농도는 물의 이온곱(Kw)에 따라 반비례합니다. 용액 내 이러한 이온의 농도는 종종 용액의 특성과 다른 용질의 화학적 거동을 결정하는 중요한 요소입니다. 두 가지 서로 다른 용액의 수소 또는 수산화물…
수용액에서 하이드로늄 이온의 농도는 보통 음의 지수로 되며 10 의 마이너스 14승 몰농도 정도로 작을 수 있습니다. pH 척도는 화학자 소렌 소렌슨이 1909년에 다른 용액의 산도를 빠르게 비교할 수 있는 더 편리한 방법으로 개발했습니다. 용액의 pH는 하이드로늄 이온 농도의 음의 대수입니다.
예를 들어, 하이드로늄 농도가 10의 마이너스 5승 몰농도인 용액의 pH는 5입니다. 용액의 하이드로늄 이온 농도가 높을수록 pH는 낮아집니다. pH는 로그 척도로 표현되므로 단일 단위 변화는 하이드로늄 이온 농도의 10배 증가 또는 감소에 해당합니다.
pH가 3인 용액은 pH 4인 솔루션보다 10배, pH 5인 솔루션보다 100배 많은 하이드로늄 이온을 가집니다. 산성 용액은 수산화 이온보다 하이드로늄 이온의 농도가 높고 pH가 7보다 적지만 염기 용액은 수산화 이온보다 하이드로늄 이온의 농도가 낮고 pH가 7보다 큽니다. 하이드로늄 이온과 수산화 이온의 농도가 동일한 중성 용액은 pH가 7입니다.
수산화물 이온의 농도는 또한 pOH로 표현될 수 있습니다. pOH는 수산화물 이온 농도의 마이너스 로그입니다. 수산화 이온 농도가 높을수록 pOH 값이 낮아집니다.
수용액의 pH 또는 pOH 값 범위는 0에서 14입니다. 물의 자동 이온화를 위한 평형 상수인 Kw가 10의 마이너스 14승이기 때문입니다. 방정식 양쪽에 음의 로그를 취하면 pKw가 pH와 pOH의 합과 같은 방정식이 됩니다.
10의 마이너스 14승의 음의 로그는 14이므로 수용액의 pH와 pOH의 합은 항상 14가 됩니다. 이 값은 pOH 값이 알려진 경우 pH 값을 결정하는 데 사용할 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 예를 들어, pOH가 10인 용액의 pH는 4입니다.
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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.