PH表明

我们知道水是pH为7的中性溶液,另外,任何酸性溶液的pH都小于7,碱性溶液的pH大于7。然而,这些数字是什么或者它们想告诉我们什么?溶液的pH只能在0到14之间吗,还是有可能超出这个范围?

PH是拉丁文“Pondushydrogenii”一词的缩写,用来量度物质中氢离子的活性。这一活性直接关系到水溶液的酸性、中性和碱性。在20度时pH》7碱性pH=7中性pH《7酸性温度能改变pH值,温度越高,pH值越低,高温能促进水的电离。水的电离水在化学上是中性的,但不是没有离子,即使化学纯水也有微量被电离:事实上,在水中没有以自由态存在的氢核。H2O+H2O=OHˉ+H3O?由于水合氢离子的浓度是与氢离子浓度等同看待,上式可以简化成下述常用的形式:H2O=OHˉ+H?此处的质子人们在化学中表示为“氢离子”或“氢核”。水合氢核表示为“水合氢离子”。负的氢氧根离子称为“氢氧根离子”。根据质量作用定律,对于纯水的离解可以找到一平衡常数加以表示:这叫电离平衡由于水只有极少量被离解,并且水的氢离子浓度实际为一常数,所以用平衡常数K可求出水的离子积KW。KW=K×H2O=H3O?·OHˉ=·=10—7mol/L(25℃)也就是说,一升纯水在25℃时存在10-7摩尔氢离子和10-7摩尔OHˉ离子。即在中性溶液中,氢离子和氢氧根离子OHˉ的浓度都是10-7mol/L。PH的变化在水分子的冲击作用下,酸会电离出氢离子。此时氢离子过量,溶液呈酸性。且氢离子越多,酸性越强。同样,如果碱在水中电离出过量的氢氧根离子,那么溶液就是碱性的。且氢氧根离子越多,氢离子就越少,碱性就越强。所以,只要给出一个值就可以表示溶液的酸碱性的强弱,为了免于用氢离子浓度负冥指数进行计算的繁琐,生物学家泽伦森在1909年建议将此不便使用的数值用对数代替,并定义为“pH值”。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用对数负值。即:pH=-lgC(H+)PH值的测量简单测量可用广泛PH试纸,量程:0—14,7为中性,分度值:1精密的PH试纸分度值可达0.1此外还可用电流表改装PH计原理:酸碱性越强,导电性越好。判断溶液的酸碱性,最简单的方法就是利用酸碱指示剂,常用的酸碱指示剂有紫色石蕊指示剂和酚酞试液。酸性溶液能使紫色石蕊指示剂变红色,但不会让酚酞试液变色碱性溶液能使紫色石蕊指示剂变蓝色,使酚酞试液变红色。常见物质的PH值水7.0盐水(NaCl水溶液)7.0唾液6.5-7.5胃液1-3血液7.3-7.5尿5-8牛奶6.3-6.6醋2.4-3.4橘子汁3-4苹果汁2.9-3.3葡萄酒2.8-3.8啤酒4-5人体液的PH与智商
许多人都知道,健康人体的体液(主要为血液)应呈微碱性(PH值约为7.3-7.5),这样有利于机体对蛋白质等营养物质的吸收和利用,并使体内的血液循环和免疫系统保持良好状态,人的精力充沛。近年来科学研究又发现,人体体液的酸碱度与智商水平也有密切关系,在体液的酸碱度允许的范围内,酸性偏高(即PH值偏低)智商较低;碱性偏高(即PH值偏高)则智商高。科学家以数十名年龄在6岁-13岁的男孩为研究对象,测试发现,大脑皮层中的体液PH值大于7.0的孩子,比小于7.0的孩子的智商高出一倍。这是科学家第一次把人发现称为智力水平的“化学标记”。

pH的计算

pH是用来确定一种物质是酸性或碱性的,并用来计算一种化学物质的强度。pH是一个从1到14的数字,对于大多数常见的化学物质,越接近表示越显中性。

7以下的值是酸度的指标,随着数值的减少而酸度增加,而7以上的值是碱度的指标,随着数值的增加而碱性增加。

值得注意的是,pH并不是线性的,换句话说,pH为3的酸,其强度不是pH为6的酸的两倍。

需要理解的一个重要区别是pH是一个对数刻度。pH的正式定义表明,pH只是在给定溶剂中氢离子活性的一种度量。

这里的活性表示它们的运动是自由的,只有当化学物质电离,从而将离子释放到溶液中时才有可能,而计算pH的公式是这样的:
pH= -lg[H+]。

这是一个以10为底的对数方程。在这个范围内,pH为3的物质的酸性是pH为4的物质的10倍,pH为5的物质的100倍。

同样,pH为9的物质的碱性是pH为8的物质的10倍,是pH为6的物质的碱性的1000倍。

图为:丹麦化学家索伦·佩德·劳里茨

pH中的p代表什么?

pH发现背后的故事非常有趣,pH的概念最初是由一位名叫索伦·佩德·劳里茨的化学家提出的,他在丹麦哥本哈根的嘉士伯实验室工作。第一次提到这个词是这样的,这个H是小p的下标,这里没法输入。

当H代表氢离子浓度时,整个概念就围绕着它旋转,而p的确切含义则备受争议。这个量表基本上是通过计算10的负幂来测量不同解之间的电位差。

这两个词——“力量”和“潜力”——都以p开头,这三种语言(法语、德语和丹麦语)都是索伦使用并发表其研究成果的语言。

鉴于这种模糊性,p的意义仍然是化学领域最大的谜团之一,尽管对这个概念本身并不是很重要。

pH可以在0-14范围之外吗?

从理论上讲,pH范围应该从负无穷到正无穷。这种说法是根据它的定义,即物质的pH是氢离子浓度的负对数所定义的值。

然而,在标准实验室中能找到的大多数溶液pH都在0-14之间,这是因为,要达到pH低于0或高于14的水平,就分别需要非常强的酸性或碱性溶液。

根据摩尔浓度,饱和氢氧化钠溶液(NaOH)的pH应该是15。然而,由于水的存在,这种化学物质将不能完全溶解,因为水会阻碍大分子的溶解(分解)。

这反过来就会导致氢氧根离子(OH-)的释放下降,而氢氧根离子是一种能吸收氢离子的离子,可以增加溶液的pH。

pH可能为负吗?

pH为负绝对是可能的。实际上,任何酸的摩尔浓度大于1时,其pH为负。然而,一种酸的pH是否为负并不能在实验室中得到有效的验证。

为了更好地理解这一点,考虑一个12M的盐酸溶液(HCL)。这种化学物质的pH应该是-1.08,比标准pH高一个单位,但是我们不能用任何已知的仪器来测量它。

石蕊试纸(测量pH最常用的方法)只显示pH是高于还是低于7。因此,pH计是确定实际值所必需的。

然而,即使是pH玻璃电极在这种极端的测量中也会失败,原因是一种叫做酸误差的东西,这使得即使是这些非常先进的设备也会测量出高于真实值的pH。

即使我们提高这些工具的效率并达到完美(这似乎几乎是不可能的),仍然有最后一个问题——有效浓度。

什么是有效浓度?

强酸在水中永远不会完全分解,并释放出使仪器仪表显示负值所需的氢离子。

强调这个问题的是氢离子的有效浓度,它总是低于真实浓度,因为在强酸和浓酸溶液中,单位酸中的水很少。

水有助于分解酸,在这个过程中释放氢离子,这是因为水是偶极分子,会产生净有效偶极运动。

然而,在没有水的情况下,酸分子不会像它们应该分解的那样分解,这使得基于它们的摩尔浓度,酸碱度比我们预期的要高得多。

图为:生活中的物质pH-来源网络

最后

总之,pH确实有可能超出常规的0-14范围。但由于仪器和溶液本身的各种限制,pH并不是一个有效的测量值。对于高浓度溶液的标签,必须直接使用浓度,如摩尔浓度。

从一个简单的角度来看,pH的作用是将极少量的氢离子浓度带到一个更直观的数值范围,但随着浓度的增加,这种做法失去了价值,反而会适得其反。

希望,随着时间的推移,会有一些修改,可以提高极端测量的效率和准确性。

毕竟,pH是化学世界中最有名和最有用的概念之一,在科学领域,准确性是至关重要的!