15.3
pH Skalası
Hidronyum ve hidroksit iyonları hem saf suda hem de tüm sulu çözeltilerde bulunur ve konsantrasyonları, suyun iyon ürünü (Kw). Bir çözeltideki bu iyon…
Sulu bir çözeltideki hidronyum iyonlarının konsantrasyonu genellikle negatif üslerle yazılır ve 1×10⁻¹⁴ M kadar küçük olabilir. PH ölçeği, 1909'da kimyager Soren Sorenson tarafından, farklı çözeltilerin asitliğini hızlı bir şekilde karşılaştırmanın daha uygun bir yolu olarak geliştirilmiştir. Bir çözeltinin pH değeri, hidronyum iyon konsantrasyonunun negatif logaritmasıdır.
Örneğin, 1×10⁻⁵ M hidronyum konsantrasyonuna sahip bir çözeltinin pH değeri 5'tir. Bir çözeltinin hidronyum iyon konsantrasyonu ne kadar yüksekse, pH değeri o kadar düşük olur. PH, logaritmik bir ölçekte ifade edildiğinden, tek birimlik bir değişiklik, hidronyum iyon konsantrasyonunun 10 kat artmasına veya azalmasına karşılık gelir.
PH değeri 3 olan bir çözelti, pH'ı 4 olan bir çözeltiden on kat, pH'ı 5 olan bir çözeltiden yüz kat daha fazla hidronyum iyonuna sahip olacaktır. Asidik bir çözelti, hidroksit iyonlarından daha yüksek konsantrasyonda hidronyum iyonuna ve 7'den düşük bir pH değerine sahipken, bazik bir çözelti, hidroksit iyonlarından daha düşük bir hidronyum iyon konsantrasyonuna ve 7'den büyük bir pH değerine sahiptir. Eşit konsantrasyonda hidronyum ve hidroksit iyonlarına sahip nötr bir çözeltinin pH değeri 7'dir.
Hidroksit iyonlarının konsantrasyonu ayrıca pOH olarak da ifade edilebilir. pOH, hidroksit iyon konsantrasyonunun negatif logaritmasıdır. Hidroksit iyon konsantrasyonu ne kadar yüksekse, pOH değeri o kadar düşüktür.
Sulu bir çözeltinin pH veya pOH değeri 0-14 arasında değişir. Bunun nedeni, suyun kendiliğinden iyonlaşması için denge sabiti Kw'nin 1×10⁻¹⁴'e eşit olmasıdır. Denklemin her iki tarafının negatif logaritmasının alınması, pKw'nin pH ve pOH toplamına eşit olduğu bir denklemle sonuçlanır.
1×10⁻¹⁴ negatif logu 14 olduğundan, sulu bir çözeltinin pH ve pOH toplamı her zaman 14 olacaktır. Bu, pOH değeri bilindiğinde pH değerini belirlemek için kullanılabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Örneğin, pOH değeri 10 olan bir çözeltinin pH değeri 4'tür.
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.