pH — це міра кислотності або лужності водного розчину. Вона визначає, скільки йонів водню є в розчині, і дозволяє швидко оцінити, чи є речовина кислотою, основою, чи має нейтральну реакцію. У цій статті ми пояснюємо формулу pH, шкалу pH та показуємо обчислення на прикладі.
Формула pH
pH визначаємо як від'ємний десятковий логарифм концентрації йонів водню:
- pH = -log[H⁺] — де [H⁺] — це концентрація йонів водню в моль/дм³
- [H⁺] = 10⁻ᵖᴴ — обернена формула дозволяє обчислити концентрацію з відомого pH
Квадратні дужки позначають молярну концентрацію даного йона.
Шкала pH
Шкала pH зазвичай охоплює діапазон від 0 до 14:
- pH нижче 7 — кисла реакція (більше йонів водню)
- pH дорівнює 7 — нейтральна реакція (чиста вода)
- pH вище 7 — лужна реакція (менше йонів водню)
Шкала логарифмічна, тому зміна pH на одну одиницю означає десятикратну зміну концентрації йонів водню. Розчин із pH 4 у десять разів кисліший за розчин із pH 5.
Приклад обчислення
Концентрація йонів водню в розчині становить [H⁺] = 0,001 моль/дм³, тобто 10⁻³. Обчислюємо pH.
- Застосовуємо формулу pH = -log[H⁺].
- Підставляємо: pH = -log(10⁻³).
- Логарифм: log(10⁻³) = -3.
- Результат: pH = -(-3) = 3.
Розчин має pH, що дорівнює 3, тому він кислий.
Обчислення концентрації з відомого pH
Якщо знаємо pH і хочемо обчислити концентрацію йонів водню, користуємося оберненою формулою. Для pH = 5 маємо [H⁺] = 10⁻⁵ = 0,00001 моль/дм³. Що нижче pH, то вища концентрація йонів водню.
Кислотно-лужні індикатори
Щоб орієнтовно визначити pH без обчислень, застосовують індикатори — речовини, що змінюють колір залежно від реакції. Фенолфталеїн залишається безбарвним у кислому та нейтральному середовищі, а в лужному набуває малинового кольору. Метиловий оранжевий червоний у кислоті та жовтий у лузі. Найпопулярніший універсальний папірець охоплює весь діапазон шкали і після занурення в розчин набуває кольору, що відповідає даному значенню pH. Індикатори швидкі та зручні, але менш точні, ніж обчислення чи вимірювання pH-метром.
pOH і зв'язок із pH
Поряд із pH визначають pOH для гідроксильних йонів. За температури 25°C діє проста залежність:
- pH + pOH = 14
Отже, якщо pOH розчину становить 4, то pH = 14 - 4 = 10, тобто розчин лужний.
Приклади pH повсякденних речовин
Для орієнтиру варто знати приблизні значення pH:
- Сік лимона — близько 2 (сильно кислий)
- Оцет — близько 3
- Чорна кава — близько 5
- Чиста вода — 7 (нейтральна)
- Морська вода — близько 8
- Розчин харчової соди — близько 9
- Відбілювач — близько 12,5 (сильно лужний)
Ці значення допомагають оцінити, чи має обчислений результат сенс.
Другий приклад: обчислення pH основи
Розчин має концентрацію гідроксильних йонів [OH⁻] = 0,01 моль/дм³, тобто 10⁻². Обчислюємо pH.
- Спочатку pOH = -log[OH⁻] = -log(10⁻²) = 2.
- Користуємося залежністю pH + pOH = 14.
- Звідси pH = 14 - 2 = 12.
Розчин має pH, що дорівнює 12, тому він сильно лужний.
Найпоширеніші помилки
- Пропуск знака мінус — pH є від'ємним логарифмом, тому кислі розчини мають додатне, але низьке pH.
- Плутання натурального логарифма з десятковим — у формулі застосовуємо логарифм за основою 10.
- Хибна концентрація — значення [H⁺] має бути виражене в моль/дм³.
- Плутання pH з pOH — pH стосується йонів водню, а pOH — гідроксильних йонів.
Найчастіші запитання
- Як виміряти pH без обчислень? Застосовують індикаторні папірці або електронні pH-метри, що показують значення безпосередньо.
- Чи може pH бути від'ємним? Так, для дуже концентрованих кислот концентрація йонів водню може перевищити 1 моль/дм³, даючи pH нижче нуля.
- Чому шкала логарифмічна? Бо концентрації йонів змінюються на багато порядків величини, а логарифм зводить їх до зручного діапазону чисел.
Підсумок
pH = -log[H⁺] — це міра кислотності розчину. Значення нижче 7 означають кислоту, 7 — нейтральну реакцію, а вище 7 — основу. Шкала логарифмічна, тому невелика зміна pH означає велику зміну концентрації йонів водню.
Обчисліть pH розчину одразу: Калькулятор pH →