Skala pH — kwasy, zasady i jak obliczyć pH

Skala pH mówi, jak kwasowy lub zasadowy jest roztwór wodny. W chemii na poziomie podstawowym zwykle zapisuje się ją jako

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

gdzie $[H_3O^+]$ to stężenie jonów hydroniowych w molach na litr. Niższe pH oznacza bardziej kwasowy odczyn. Wyższe pH oznacza bardziej zasadowy odczyn.

Najważniejsza rzecz, która pozwala zrozumieć pH, to fakt, że nie jest to skala liniowa. Zmiana o 1 jednostkę pH oznacza 10-krotną zmianę $[H_3O^+]$. Dlatego pH 3 oznacza roztwór znacznie bardziej kwasowy niż pH 4, a nie tylko trochę bardziej.

Co mierzy skala pH

W wodzie kwasy zwiększają stężenie jonów hydroniowych, a zasady je zmniejszają. Ponieważ pH jest ujemnym logarytmem dziesiętnym z $[H_3O^+]$, większe stężenie jonów hydroniowych daje niższe pH.

W wielu podręcznikach zapisuje się $[H^+]$ jako skrót. W wodzie bardziej precyzyjnym opisem formy kwasowej jest $[H_3O^+]$.

W większości szkolnych zadań pH przedstawia się na skali od 0 do 14:

• poniżej 7: kwasowy
• około 7: obojętny
• powyżej 7: zasadowy

Ta zasada jest dobrym szkolnym przybliżeniem dla rozcieńczonych roztworów wodnych w pobliżu $25^\circ \mathrm{C}$. Nie jest to jednak uniwersalna reguła dla każdej temperatury i każdego stężenia.

Jak obliczyć pH

Jeśli znasz stężenie jonów hydroniowych, użyj bezpośrednio definicji:

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

Jeśli najpierw znasz stężenie jonów wodorotlenkowych, możesz obliczyć pOH:

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

Następnie, dla rozcieńczonych roztworów wodnych w temperaturze około $25^\circ \mathrm{C}$, użyj

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

To ostatnie równanie zależy od temperatury, więc warto podać warunek, gdy go używasz.

Przykład: oblicz pH roztworu o $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

Zacznij od definicji:

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

Podstaw stężenie:

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

Ponieważ $\log_{10}(10^{-3}) = -3$,

$$\mathrm{pH} = 3$$

Zatem roztwór ma odczyn kwasowy.

Ten przykład pokazuje też logikę skali. Roztwór o pH 3 ma dziesięć razy większe stężenie jonów hydroniowych niż roztwór o pH 4 oraz sto razy większe stężenie jonów hydroniowych niż roztwór o pH 5.

Dlaczego ta skala na początku wydaje się nieintuicyjna

Ludzie często odczytują wartości pH tak, jakby były rozmieszczone równomiernie. Tak nie jest. Logarytm „ściska” duże zmiany stężenia do małych kroków liczbowych.

Dlatego zmiana o 2 jednostki oznacza czynnik $100$, a zmiana o 3 jednostki oznacza czynnik $1000$:

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

Gdy o tym pamiętasz, porównywanie wartości pH staje się dużo łatwiejsze.

Typowe błędy

Traktowanie pH jak skali liniowej

Różnica między pH 2 a pH 3 nie jest takim samym rodzajem różnicy jak między 20 cm a 21 cm. Oznacza 10-krotną zmianę stężenia jonów hydroniowych.

Założenie, że odczyn obojętny zawsze oznacza pH 7

To standardowa szkolna wartość dla czystej wody w temperaturze około $25^\circ \mathrm{C}$. Dokładna wartość obojętnego pH zmienia się wraz z temperaturą.

Mylenie mocy kwasu z pH

Mocny kwas ulega dysocjacji pełniej niż słaby kwas w tych samych warunkach, ale pH zależy też od stężenia. Rozcieńczony mocny kwas może mieć wyższe pH niż bardziej stężony słaby kwas.

Stosowanie wzorów na pH poza zakresem ich założeń

Proste wzory podane wyżej są najbardziej wiarygodne we wprowadzającej chemii roztworów wodnych. W bardziej dokładnych obliczeniach chemicy używają aktywności zamiast prostego stężenia.

Kiedy używa się skali pH

Skali pH używa się zawsze wtedy, gdy chcesz szybko określić kwasowość lub zasadowość układów opartych na wodzie. Typowe przykłady to miareczkowanie kwasowo-zasadowe, jakość wody, chemia gleby, chemia żywności i płyny biologiczne.

Jest ona także użyteczna, ponieważ łączy pojęcia chemiczne, których uczniowie często uczą się osobno: stężenie, logarytmy, kwasy i zasady oraz równowagę w wodzie.

Spróbuj samodzielnie

Oblicz pH dla $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ oraz $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$. Następnie porównaj oba roztwory słowami, a nie tylko liczbami. To najszybszy sposób, by logarytmiczna skala stała się bardziej konkretna.