สเกล pH — กรด เบส และวิธีคำนวณ pH

สเกล pH บอกว่าสารละลายในน้ำมีความเป็นกรดหรือเป็นเบสมากน้อยเพียงใด ในเคมีระดับเริ่มต้น มักเขียนได้เป็น

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

โดยที่ $[H_3O^+]$ คือความเข้มข้นของไฮโดรเนียมในหน่วยโมลต่อลิตร pH ที่ต่ำกว่าหมายถึงเป็นกรดมากกว่า pH ที่สูงกว่าหมายถึงเป็นเบสมากกว่า

แนวคิดสำคัญที่ทำให้เข้าใจ pH ได้จริงคือ มันไม่ใช่สเกลเชิงเส้น การเปลี่ยนไป 1 หน่วย pH หมายถึง $[H_3O^+]$ เปลี่ยนไป 10 เท่า ดังนั้น pH 3 จึงเป็นกรดมากกว่า pH 4 อย่างมาก ไม่ใช่มากกว่าเพียงเล็กน้อย

สเกล pH วัดอะไร

ในน้ำ กรดจะเพิ่มความเข้มข้นของไฮโดรเนียม และเบสจะลดความเข้มข้นนี้ เนื่องจาก pH เป็นลอการิทึมฐาน 10 เชิงลบของ $[H_3O^+]$ ไฮโดรเนียมที่มากขึ้นจึงทำให้ pH ต่ำลง

หนังสือเรียนหลายเล่มเขียน $[H^+]$ เป็นรูปย่อ ในสารละลายในน้ำ การใช้ $[H_3O^+]$ จะอธิบายชนิดที่เป็นกรดได้แม่นยำกว่า

สำหรับโจทย์ระดับโรงเรียนส่วนใหญ่ คุณจะเห็นการนำเสนอ pH บนสเกลตั้งแต่ 0 ถึง 14:

• ต่ำกว่า 7: เป็นกรด
• ประมาณ 7: เป็นกลาง
• สูงกว่า 7: เป็นเบส

กฎนี้เป็นแนวทางที่ดีในห้องเรียนสำหรับสารละลายในน้ำแบบเจือจางใกล้ $25^\circ \mathrm{C}$ แต่ไม่ใช่กฎสากลสำหรับทุกอุณหภูมิหรือทุกความเข้มข้น

วิธีคำนวณ pH

ถ้าคุณทราบความเข้มข้นของไฮโดรเนียม ให้ใช้คำนิยามโดยตรง:

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

ถ้าคุณทราบความเข้มข้นของไฮดรอกไซด์ก่อน คุณสามารถหา pOH ได้:

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

จากนั้น สำหรับสารละลายในน้ำแบบเจือจางที่ประมาณ $25^\circ \mathrm{C}$ ใช้

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

สมการสุดท้ายนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นควรระบุเงื่อนไขทุกครั้งเมื่อใช้งาน

ตัวอย่างทำโจทย์: หาค่า pH ของสารละลายที่มี $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

เริ่มจากคำนิยาม:

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

แทนค่าความเข้มข้น:

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

เนื่องจาก $\log_{10}(10^{-3}) = -3$

$$\mathrm{pH} = 3$$

ดังนั้นสารละลายนี้เป็นกรด

ตัวอย่างนี้ยังแสดงให้เห็นตรรกะของสเกลด้วย สารละลายที่มี pH 3 มีความเข้มข้นของไฮโดรเนียมมากกว่าสารละลายที่มี pH 4 อยู่ 10 เท่า และมากกว่าสารละลายที่มี pH 5 อยู่ 100 เท่า

ทำไมสเกลนี้จึงดูไม่ค่อยเป็นธรรมชาติในตอนแรก

ผู้คนมักอ่านค่า pH ราวกับว่าค่าต่าง ๆ ห่างกันเท่า ๆ กัน แต่จริง ๆ แล้วไม่ใช่ ลอการิทึมจะย่อการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นขนาดใหญ่ให้กลายเป็นการเปลี่ยนแปลงของตัวเลขเพียงเล็กน้อย

นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการเปลี่ยนไป 2 หน่วยจึงเท่ากับ $100$ เท่า และการเปลี่ยนไป 3 หน่วยจึงเท่ากับ $1000$ เท่า:

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

เมื่อจำประเด็นนี้ไว้ได้ การเปรียบเทียบค่า pH จะตีความได้ง่ายขึ้นมาก

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

มองว่า pH เป็นสเกลเชิงเส้น

ความต่างระหว่าง pH 2 กับ pH 3 ไม่ใช่ความต่างแบบเดียวกับระหว่าง 20 cm กับ 21 cm แต่มันแทนการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นไฮโดรเนียมถึง 10 เท่า

คิดว่าสภาวะเป็นกลางต้องมี pH 7 เสมอ

นี่เป็นค่ามาตรฐานในห้องเรียนสำหรับน้ำบริสุทธิ์ที่ประมาณ $25^\circ \mathrm{C}$ แต่ค่า pH ที่เป็นกลางจริงจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ

สับสนระหว่างความแรงของกรดกับค่า pH

กรดแก่แตกตัวเป็นไอออนได้สมบูรณ์กว่ากรดอ่อนภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน แต่ค่า pH ยังขึ้นอยู่กับความเข้มข้นด้วย กรดแก่ที่เจือจางอาจมี pH สูงกว่ากรดอ่อนที่เข้มข้นกว่าได้

ใช้สมการ pH นอกขอบเขตที่กำหนด

สูตรอย่างง่ายด้านบนเชื่อถือได้มากที่สุดในเคมีสารละลายในน้ำระดับเบื้องต้น ในงานที่ต้องการความแม่นยำมากขึ้น นักเคมีจะใช้ activity แทนความเข้มข้นอย่างง่าย

สเกล pH ใช้เมื่อใด

สเกล pH ใช้ทุกครั้งที่คุณต้องการค่าคร่าว ๆ เพื่อบอกความเป็นกรดหรือความเป็นเบสในระบบที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ ตัวอย่างที่พบบ่อย ได้แก่ การไทเทรตกรด-เบส คุณภาพน้ำ เคมีดิน เคมีอาหาร และของเหลวทางชีวภาพ

สเกลนี้ยังมีประโยชน์เพราะเชื่อมโยงแนวคิดทางเคมีที่นักเรียนมักเรียนแยกกัน ได้แก่ ความเข้มข้น ลอการิทึม กรดและเบส และสมดุลในน้ำ

ลองทำด้วยตัวเอง

คำนวณค่า pH สำหรับ $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ และ $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$ จากนั้นเปรียบเทียบสารละลายทั้งสองด้วยคำพูด ไม่ใช่แค่ตัวเลข นี่คือวิธีที่เร็วที่สุดที่จะทำให้สเกลลอการิทึมนี้เห็นภาพชัดเจน