Κλίμακα pH — Οξέα, Βάσεις και Πώς να Υπολογίσετε το pH

Η κλίμακα pH δείχνει πόσο όξινο ή βασικό είναι ένα υδατικό διάλυμα. Στην εισαγωγική χημεία, συνήθως γράφεται ως

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

όπου $[H_3O^+]$ είναι η συγκέντρωση υδροξωνίου σε mol ανά λίτρο. Μικρότερο pH σημαίνει πιο όξινο διάλυμα. Μεγαλύτερο pH σημαίνει πιο βασικό διάλυμα.

Η βασική ιδέα που κάνει το pH κατανοητό είναι ότι δεν είναι γραμμική κλίμακα. Μια μεταβολή κατά 1 μονάδα pH σημαίνει παράγοντα 10 στο $[H_3O^+]$. Άρα το pH 3 είναι πολύ πιο όξινο από το pH 4, όχι απλώς λίγο πιο όξινο.

Τι Μετρά Η Κλίμακα pH

Στο νερό, τα οξέα αυξάνουν τη συγκέντρωση υδροξωνίου και οι βάσεις τη μειώνουν. Επειδή το pH είναι ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος του $[H_3O^+]$, περισσότερο υδροξώνιο δίνει μικρότερο pH.

Πολλά βιβλία γράφουν το $[H^+]$ ως συντομογραφία. Στο νερό, το $[H_3O^+]$ είναι ο πιο ακριβής τρόπος να περιγραφεί το όξινο είδος.

Στα περισσότερα σχολικά προβλήματα, το pH παρουσιάζεται σε κλίμακα από 0 έως 14:

• κάτω από 7: όξινο
• περίπου 7: ουδέτερο
• πάνω από 7: βασικό

Αυτός ο κανόνας είναι ένας καλός σχολικός οδηγός για αραιά υδατικά διαλύματα κοντά στους $25^\circ \mathrm{C}$. Δεν είναι καθολικός κανόνας για κάθε θερμοκρασία ή κάθε συγκέντρωση.

Πώς Να Υπολογίσετε Το pH

Αν γνωρίζετε τη συγκέντρωση υδροξωνίου, χρησιμοποιήστε απευθείας τον ορισμό:

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

Αν γνωρίζετε πρώτα τη συγκέντρωση υδροξειδίου, μπορείτε να βρείτε το pOH:

$$\mathrm{pOH} = -\log_{10}[OH^-]$$

Έπειτα, για αραιά υδατικά διαλύματα περίπου στους $25^\circ \mathrm{C}$, χρησιμοποιήστε

$$\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = 14$$

Αυτή η τελευταία εξίσωση εξαρτάται από τη θερμοκρασία, οπότε να αναφέρετε τη συνθήκη όταν τη χρησιμοποιείτε.

Λυμένο Παράδειγμα: Βρείτε Το pH Ενός Διαλύματος Με $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

Ξεκινήστε από τον ορισμό:

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

Αντικαταστήστε τη συγκέντρωση:

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}(1.0 \times 10^{-3})$$

Αφού $\log_{10}(10^{-3}) = -3$,

$$\mathrm{pH} = 3$$

Άρα το διάλυμα είναι όξινο.

Αυτό το παράδειγμα δείχνει επίσης τη λογική της κλίμακας. Ένα διάλυμα με pH 3 έχει δεκαπλάσια συγκέντρωση υδροξωνίου από ένα διάλυμα με pH 4 και εκατονταπλάσια συγκέντρωση υδροξωνίου από ένα διάλυμα με pH 5.

Γιατί Η Κλίμακα Φαίνεται Αρχικά Μη Διαισθητική

Οι άνθρωποι συχνά διαβάζουν τις τιμές pH σαν να απέχουν ισόποσα. Δεν συμβαίνει αυτό. Ο λογάριθμος συμπιέζει μεγάλες μεταβολές συγκέντρωσης σε μικρά αριθμητικά βήματα.

Γι’ αυτό μια μεταβολή κατά 2 μονάδες σημαίνει παράγοντα $100$, και μια μεταβολή κατά 3 μονάδες σημαίνει παράγοντα $1000$:

$$10^2 = 100,\qquad 10^3 = 1000$$

Μόλις το έχετε αυτό στο μυαλό σας, οι συγκρίσεις pH γίνονται πολύ πιο εύκολες στην ερμηνεία.

Συνηθισμένα Λάθη

Αντιμετώπιση Του pH Ως Γραμμικής Κλίμακας

Η διαφορά ανάμεσα σε pH 2 και pH 3 δεν είναι του ίδιου είδους με τη διαφορά ανάμεσα σε 20 cm και 21 cm. Αντιπροσωπεύει δεκαπλάσια μεταβολή στη συγκέντρωση υδροξωνίου.

Η Υπόθεση Ότι Ουδέτερο Σημαίνει Πάντα pH 7

Αυτή είναι η τυπική σχολική τιμή για καθαρό νερό γύρω στους $25^\circ \mathrm{C}$. Το ακριβές ουδέτερο pH μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία.

Σύγχυση Μεταξύ Ισχύος Οξέος Και pH

Ένα ισχυρό οξύ ιοντίζεται πιο πλήρως από ένα ασθενές οξύ στις ίδιες συνθήκες, αλλά το pH εξαρτάται και από τη συγκέντρωση. Ένα αραιό ισχυρό οξύ μπορεί να έχει μεγαλύτερο pH από ένα πιο συμπυκνωμένο ασθενές οξύ.

Χρήση Των Εξισώσεων Του pH Έξω Από Το Δηλωμένο Πλαίσιο Τους

Οι απλοί τύποι παραπάνω είναι πιο αξιόπιστοι στην εισαγωγική χημεία υδατικών διαλυμάτων. Σε πιο ακριβείς υπολογισμούς, οι χημικοί χρησιμοποιούν ενεργότητα αντί για απλή συγκέντρωση.

Πότε Χρησιμοποιείται Η Κλίμακα pH

Η κλίμακα pH χρησιμοποιείται όποτε θέλετε ένα γρήγορο μέτρο της οξύτητας ή της βασικότητας σε συστήματα με βάση το νερό. Συνηθισμένα παραδείγματα είναι οι ογκομετρήσεις οξέος-βάσης, η ποιότητα νερού, η χημεία εδάφους, η χημεία τροφίμων και τα βιολογικά υγρά.

Είναι επίσης χρήσιμη επειδή συνδέει χημικές έννοιες που οι μαθητές συχνά μαθαίνουν χωριστά: συγκέντρωση, λογαρίθμους, οξέα και βάσεις, και ισορροπία στο νερό.

Δοκιμάστε Τη Δική Σας Εκδοχή

Υπολογίστε το pH για $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ και $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$. Έπειτα συγκρίνετε τα δύο διαλύματα με λόγια, όχι μόνο με αριθμούς. Αυτός είναι ο πιο γρήγορος τρόπος να γίνει η λογαριθμική κλίμακα πιο συγκεκριμένη.