Thang pH — Axit, Bazơ và Cách Tính pH

Thang pH cho biết một dung dịch nước có tính axit hay bazơ đến mức nào. Trong hóa học nhập môn, nó thường được viết là

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

trong đó $[H_3O^+]$ là nồng độ hydroni tính theo mol trên lít. pH càng thấp thì càng có tính axit. pH càng cao thì càng có tính bazơ.

Ý chính giúp bạn thực sự hiểu pH là đây không phải thang tuyến tính. Thay đổi 1 đơn vị pH tương ứng với thay đổi theo hệ số 10 của $[H_3O^+]$. Vì vậy pH 3 có tính axit mạnh hơn pH 4 rất nhiều, chứ không chỉ hơn một chút.

Thang pH Đo Đại Lượng Gì

Trong nước, axit làm tăng nồng độ hydroni còn bazơ làm giảm nồng độ này. Vì pH là logarit thập phân âm của $[H_3O^+]$, nên hydroni càng nhiều thì pH càng thấp.

Nhiều sách giáo khoa viết $[H^+]$ như một cách viết tắt. Trong nước, $[H_3O^+]$ là cách mô tả chính xác hơn cho loài mang tính axit.

Trong hầu hết các bài tập ở trường, pH được trình bày trên thang từ 0 đến 14:

• nhỏ hơn 7: axit
• khoảng 7: trung tính
• lớn hơn 7: bazơ

Quy tắc đó là một hướng dẫn tốt trong lớp học cho các dung dịch nước loãng ở gần $25^\circ \mathrm{C}$. Nó không phải là quy tắc đúng cho mọi nhiệt độ hay mọi nồng độ.

Cách Tính pH

Nếu bạn biết nồng độ hydroni, hãy dùng trực tiếp định nghĩa:

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

Nếu trước tiên bạn biết nồng độ hydroxide, bạn có thể tính pOH:

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

Sau đó, với các dung dịch nước loãng ở khoảng $25^\circ \mathrm{C}$, dùng

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

Phương trình cuối cùng này phụ thuộc vào nhiệt độ, nên hãy nêu rõ điều kiện khi sử dụng.

Ví Dụ Có Lời Giải: Tìm pH Của Dung Dịch Có $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

Bắt đầu với định nghĩa:

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

Thay nồng độ vào:

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

Vì $\log_{10}(10^{-3}) = -3$,

$$\mathrm{pH} = 3$$

Vậy dung dịch có tính axit.

Ví dụ này cũng cho thấy logic của thang đo. Một dung dịch có pH 3 có nồng độ hydroni gấp mười lần dung dịch có pH 4, và gấp một trăm lần dung dịch có pH 5.

Vì Sao Ban Đầu Thang Này Có Thể Gây Khó Hiểu

Mọi người thường đọc các giá trị pH như thể chúng cách đều nhau. Nhưng không phải vậy. Logarit nén những thay đổi lớn về nồng độ thành những bước thay đổi nhỏ về số.

Đó là lý do vì sao thay đổi 2 đơn vị tương ứng với hệ số $100$, còn thay đổi 3 đơn vị tương ứng với hệ số $1000$:

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

Khi bạn luôn nhớ điều đó, việc so sánh các giá trị pH sẽ dễ hiểu hơn nhiều.

Những Lỗi Thường Gặp

Xem pH Như Một Thang Tuyến Tính

Sự khác nhau giữa pH 2 và pH 3 không giống kiểu chênh lệch giữa 20 cm và 21 cm. Nó biểu thị sự thay đổi gấp mười lần về nồng độ hydroni.

Cho Rằng Trung Tính Luôn Có pH 7

Đó là giá trị chuẩn thường dùng trong lớp học cho nước tinh khiết ở khoảng $25^\circ \mathrm{C}$. Giá trị pH trung tính chính xác thay đổi theo nhiệt độ.

Nhầm Lẫn Giữa Độ Mạnh Của Axit Và pH

Một axit mạnh phân li hoàn toàn hơn một axit yếu trong cùng điều kiện, nhưng pH còn phụ thuộc vào nồng độ. Một axit mạnh nhưng loãng có thể có pH cao hơn một axit yếu nhưng đậm đặc hơn.

Dùng Công Thức pH Ngoài Phạm Vi Điều Kiện Đã Nêu

Các công thức đơn giản ở trên đáng tin cậy nhất trong hóa học dung dịch nước nhập môn. Trong các phép tính chính xác hơn, các nhà hóa học dùng hoạt độ thay vì chỉ dùng nồng độ đơn giản.

Khi Nào Thang pH Được Sử Dụng

Thang pH được dùng bất cứ khi nào bạn muốn có một thước đo nhanh về độ axit hay độ bazơ trong các hệ có nước. Các ví dụ phổ biến gồm chuẩn độ axit–bazơ, chất lượng nước, hóa học đất, hóa học thực phẩm và các dịch sinh học.

Nó cũng hữu ích vì kết nối những ý tưởng hóa học mà học sinh thường học tách rời: nồng độ, logarit, axit và bazơ, và cân bằng trong nước.

Tự Thử Một Phiên Bản Của Bạn

Hãy tính pH cho $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ và $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$. Sau đó so sánh hai dung dịch này bằng lời, không chỉ bằng các con số. Đó là cách nhanh nhất để biến thang logarit thành điều gì đó cụ thể và dễ cảm nhận.