15.3: Skala pH

Jony wodorotlenkowe i wodorotlenkowe występują zarówno w czystej wodzie, jak i we wszystkich roztworach wodnych, a ich stężenia są odwrotnie proporcjonalne. Określa to iloczyn jonowy wody (Kw). Stężenia tych jonów w roztworze są często krytycznymi wyznacznikami właściwości roztworu i zachowania chemicznego innych substancji rozpuszczonych. Dwa różne roztwory mogą różnić się stężeniem jonów hydroniowych lub wodorotlenkowych milion, miliard, a nawet bilion razy. Powszechnym sposobem wyrażania wielkości, które mogą obejmować wiele rzędów wielkości, jest użycie skali logarytmicznej. Dlatego pH roztworu definiuje się w sposób pokazany poniżej, gdzie [H3O+] oznacza stężenie molowe jonu hydroniowego w roztworze:

Przekształcenie tego równania w celu wyizolowania molarności jonu hydroniowego daje równoważne wyrażenie:

Podobnie molarność jonów wodorotlenkowych można wyrazić jako funkcję p lub pOH:

Lub

Wreszcie związek między tymi dwoma stężeniami jonów wyrażonymi jako funkcje p można łatwo wyprowadzić z wyrażenia KW:

W temperaturze 25°C wartość KW wynosi 1,0 × 10−14 i tak:

Molarność jonu hydroniowego w czystej wodzie (lub dowolnym roztworze obojętnym) wynosi 1,0 × 10-7 M w temperaturze 25 ° C. Zatem pH i pOH obojętnego roztworu w tej temperaturze wynoszą:

Tak oto w tej temperaturze roztworami kwasowymi są roztwory o molarności jonów hydroniowych większych niż 1,0 × 10-7 M i molarności jonów wodorotlenkowych mniejszych niż 1,0 × 10-7 M (odpowiadające wartościom pH mniejszym niż 7,00 i wartościom pOH większym niż 7,00). Roztwory zasadowe składają się z jonów hydroniowych molarności mniejszej niż 1,0 × 10-7 M i molarności jonów wodorotlenkowych większych niż 1,0 × 10-7 M (odpowiadające wartościom pH większym niż 7,00 i wartościom pOH mniejszym niż 7,00).

Ponieważ stała autojonizacji KW zależy od temperatury, te korelacje między wartościami pH a przymiotnikami kwasowy/neutralny/zasadowy będą inne w temperaturach innych niż 25°C. Na przykład molarność hydroniowa czystej wody w temperaturze 80°C wynosi 4,9 × 10-7 M, co odpowiada wartościom pH i pOH:

W tej temperaturze roztwory obojętne wykazują pH = pOH = 6,31, roztwory kwaśne wykazują pH mniejsze niż 6,31 i pOH większe niż 6,31, natomiast roztwory zasadowe wykazują pH większe niż 6,31 i pOH mniejsze niż 6,31. To rozróżnienie może być ważne przy badaniu pewnych procesów zachodzących w innych temperaturach, takich jak reakcje enzymatyczne w organizmach stałocieplnych w temperaturze około 36–40 °C. O ile nie wskazano inaczej, przyjmuje się, że odniesienia do wartości pH dotyczą temperatury 25 °C.

Stężenie jonów hydroniowych w roztworze wodnym jest zwykle zapisywane za pomocą ujemnych wykładników i może wynosić nawet 1 × 10⁻¹⁴ M. Skala pH została opracowana przez chemika Sorena Sorensona w 1909 roku jako wygodniejszy sposób szybkiego porównywania kwasowości różnych roztworów.

pH roztworu jest ujemnym logarytmem stężenia jonów hydroniowych. Na przykład roztwór o stężeniu hydroniowym 1 × 10⁻⁵ M ma pH 5. Im większe stężenie jonów hydroniowych w roztworze, tym niższe jest jego pH.

Ponieważ pH jest wyrażane w skali logarytmicznej, zmiana o jedną jednostkę odpowiada 10-krotnemu wzrostowi lub spadkowi stężenia jonów hydroniowych. Roztwór o pH 3 będzie miał dziesięć razy więcej jonów hydroniowych niż roztwór o pH 4 i sto razy więcej niż roztwór o pH 5.

Roztwór kwaśny ma wyższe stężenie jonów hydroniowych niż jonów wodorotlenkowych i pH mniejsze niż 7, podczas gdy roztwór zasadowy ma niższe stężenie jonów hydroniowych niż jony wodorotlenkowe i pH większe niż 7.

Obojętny roztwór o równym stężeniu jonów hydroniowych i wodorotlenkowych ma pH 7.

Stężenie jonów wodorotlenkowych można również wyrazić jako pOH. pOH jest ujemnym logarytmem stężenia jonów wodorotlenkowych. Im wyższe stężenie jonów wodorotlenkowych, tym niższa jest jego wartość pOH.

Wartość pH lub pOH roztworu wodnego mieści się w zakresie od 0 do 14. Dzieje się tak, ponieważ K_W, stała równowagi dla autojonizacji wody, jest równa 1 × 10⁻¹⁴.

Wzięcie ujemnego logarytmu obu stron równania daje równanie, w którym pK_W jest równe sumie pH i pOH. Ponieważ logarytm ujemny 1 × 10⁻¹⁴ wynosi 14, suma pH i pOH roztworu wodnego zawsze będzie wynosić 14. Można to wykorzystać do określenia wartości pH, gdy znana jest wartość pOH i odwrotnie.

Na przykład roztwór o pH 10 ma pH 4.