Kirjaimet pH seisovat puoliksi veden alla dekantterilasissa, ja liuos niiden yllä vaihtaa väriä kuin yleisindikaattori, punaisesta keltaisen ja vihreän kautta siniseen ja violettiin. Byretistä putoaa pisara, pinnalle leviää rengas, pohjalta nousee kuplia, sekoittaja pyörii, lasielektrodin pallo hehkuu. Mittari nurkassa näyttää luvun, ja merkki alhaalla indikaattoriliuskalla liukuu samaan ruutuun.
Yksikkösivu
kemia ja laboratorio lehti 1/1 · päiv. 2026-09pH-arvo pH
SI:n ulkopuolinen suure · suure: liuoksen happamuus, vetyionien aktiivisuuden dimensioton logaritmi
Logaritminen asteikko, jolla ei ole yksikköä
Vuonna 1909 tanskalainen kemisti Søren Sørensen tutki Carlsbergin panimon laboratoriossa, miten entsyymit riippuvat vierteen happamuudesta, ja kirjasi joka päivä pitoisuuksia kuten 0,000 000 1 moolia litrassa. Nollien laskemiseen kyllästyneenä hän ehdotti, että itse luvun sijaan kirjoitettaisiin vain eksponentti ilman miinusmerkkiä, jolloin kymmenesmiljoonasosasta tuli pelkkä seitsemän, ja siitä lähtien happamuutta on mitattu luvulla, jonka perässä ei ole mitään yksikköä.
Merkintä on kätevä mutta petollinen: yhden yksikön askel tarkoittaa kymmenkertaista muutosta, joten liuos, jonka pH on 3, ei ole kolmanneksen happamampi kuin pH 5 vaan sata kertaa, eikä kahta pH-arvoa voi laskea yhteen eikä keskiarvoistaa. Kun sekoitetaan yhtä suuret tilavuudet liuoksia, joiden pH on 2 ja 4, ei saada 3:a vaan 2,30, koska yhteen lasketaan itse pitoisuudet ja logaritmi otetaan vasta summasta.
Lehti näyttää, miten pH käyttäytyy titrauksessa, miksi seitsemän on neutraali vain kahdessakymmenessäviidessä asteessa ja miksi suuretta, jota jokainen akvaarionpitäjä mittaa, ei vieläkään voi mitata tarkasti ilman sopimusta siitä, mitä pidetään yksittäisen ionin aktiivisuutena.
Kirjoitetaan pienellä p:llä ja isolla H:lla, aina tässä järjestyksessä ja ilman väliä: pH, ei PH eikä Ph, sillä pieni kirjain merkitsee laskutoimitusta ja iso kemiallista alkuainetta. Luku tulee merkin jälkeen, kuten lämpötilassa asteina: pH 7,40, eikä sen perään kirjoiteta yksikköä.
pH ei ole hapon pitoisuus eikä sen vahvuus: samanvahvuinen etikka ja suolahappo antavat pH:n 2,9 ja 1,0, ja puskuri voi sisältää paljon happoa ja näyttää silti lähes neutraalia lukua. Sitä ei pidä sekoittaa myöskään pKa:han, joka kuuluu itse hapolle eikä riipu siitä, paljonko sitä on kaadettu, kun taas pH kuuluu liuokselle.
01 · Määritelmä
logaritmi · aktiivisuus · neutraalipistepH-arvo on vetyionien aktiivisuuden kymmenkantainen logaritmi vastakkaisella merkillä. Aktiivisuus on dimensioton, koska se mitataan suhteessa yhden moolin litrassa vakiopitoisuuteen, ja siksi myös logaritmi on dimensioton: pH:ta ei mitata missään yksikössä, se vain ilmaistaan lukuna.
Laimeissa liuoksissa aktiivisuus on lähes sama kuin pitoisuus, ja silloin pH voidaan laskea suoraan mooleista litrassa, kun taas väkevissä liuoksissa ja merivedessä ionit häiritsevät toisiaan ja pitoisuuden ja aktiivisuuden ero nousee yksikön kymmenyksiin. Vesi itse hajoaa hieman vety- ja hydroksidi-ioneiksi, niiden aktiivisuuksien tulo on 25 °C:ssa 10⁻¹⁴, ja neutraaliksi sanotaan liuosta, jossa kumpiakin on yhtä paljon, eli pH 7.
Veden ionitulo kasvaa nopeasti lämpötilan mukana, joten neutraalipiste laskee kiehumispisteessä 6,13:een ja nousee nollassa asteessa 7,47:ään; pH 7 -liuos on 50 °C:ssa jo heikosti emäksinen, vaikka luku on sama.
Kaksi pisaraa, jotka värjäävät lasin uudelleen
Vasemmalla byretistä tippuu titranttia dekantterilasiin, jossa on 25 millilitraa liuosta; neste on värjätty yleisindikaattorilla sen hetkisen pH:n mukaan, ja mittari nurkassa näyttää luvun. Oikealla kasvaa titrauskäyrä: kuljettu osa on piirretty paksulla viivalla indikaattorin värillä, loput ohuella harmaalla pisteviivalla; vaakasuora pisteviiva on neutraalipiste pH 7 ja pystysuora ekvivalenttipiste, jossa titranttia on lisätty täsmälleen niin paljon kuin koko happo tai emäs vaatii.
Sekoita pH 2 ja pH 4 — tulos ei ole kolme
Litrassa liuosta, jonka pH on 2, on sadasosa moolia vetyioneja, ja litrassa, jonka pH on 4, kymmenestuhannesosa, joten sekoittamisen jälkeen kahdessa litrassa on 0,0101 moolia, eli 0,00505 litrassa, ja se on pH 2,30. Hapan liuos määrää tuloksen lähes kokonaan, vähemmän hapan tuo siihen vain laimennusta, ja siksi useiden näytteiden keskimääräinen pH, raporttiin kirjattuna tavallisena keskiarvona, kertoo aina väärin niistä happamimmasta.
02 · Muunnos
pitoisuudet · aineet · lämpötilaMittarin luvusta mooleihin litrassa
Syötä pH, vety- tai hydroksidi-ionien pitoisuus tai pOH, niin lehti laskee kaiken muun, vertaa liuosta tuttuihin aineisiin ja näyttää, missä neutraalipiste on toisessa lämpötilassa. Kaikilla välilehdillä liuos on sama; vain se, mihin sitä verrataan, vaihtuu.
Muistisääntö: jokainen pH-yksikkö on kymmenkertainen muutos pitoisuudessa, jokainen 0,3 yksikköä kaksinkertainen.
Muunnos olettaa aktiivisuuden yhtä suureksi kuin pitoisuuden, mikä pätee vain laimeisiin liuoksiin; merivedessä, veressä ja vahvoissa hapoissa aktiivisuuskertoimen korjaus siirtää vastausta kymmenyksen tai kaksi. Aineiden pH-arvot ovat tyypillisiä eivätkä normatiivisia: sitruunamehussa, kahvissa ja sateessa vaihtelu näytteestä toiseen on jopa puoli yksikköä.
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Mittalaitteet
paperi · lasi · platina · puskuritMillä vetyioni pyydetään
Sateenkaari liuskalla
Yleisindikaattori on usean väriaineen seos, joista kukin vaihtaa väriä omalla kapealla alueellaan, joten yhdessä ne värjäävät koko asteikon punaisesta violettiin. Liuska kastetaan liuokseen, liuos nousee paperia pitkin, ja väriä verrataan silmämääräisesti painettuun asteikkoon; tarkkuus on noin yksi yksikkö, mutta vastaus on valmis sekunnissa eikä vaadi mitään laitetta.
Lasi, joka tuntee hapon
Ohut erikoislasinen pallo turpoaa pinnastaan, ja vetyionit vaihtuvat sen hydratoituneen kerroksen kanssa, jolloin sisemmän ja ulomman liuoksen välille syntyy potentiaaliero. 25 °C:ssa se muuttuu 59,16 millivolttia jokaista pH-yksikköä kohden, ja lämmitettäessä kulmakerroin kasvaa, minkä vuoksi kunnollinen pH-mittari mittaa aina myös lämpötilan.
Koko sähkökemian nollapiste
Huokoisella platinamustalla päällystettyä platinalevyä huuhdotaan vedyllä yhden baarin paineessa, ja siihen asettuu tasapaino kaasun ja liuoksen vetyionien välille. Tällainen elektrodi on hankala ja oikukas, mutta sen potentiaali noudattaa ilman välikäsiä itse määrittelevää kaavaa, ja juuri sillä varmennetaan ne primaaripuskurit, joilla kaikki maailman lasielektrodit kalibroidaan.
Kolme lasia ennen jokaista mittausta
Lasielektrodi vanhenee, ja sen nollakohta ja kulmakerroin ryömivät, siksi mittari tarkistetaan ennen työtä puskureilla, joiden pH tunnetaan, yleensä 4,01, 7,00 ja 10,01 25 °C:ssa, ja niiden avulla suora piirretään uudelleen. Ilman tällaista kalibrointia mittari näyttää luvun kahdella desimaalilla, mutta toinen desimaali on rehellinen vain siihen asti, kun elektrodi siirretään tuntemattomaan liuokseen.
05 · Kirjoitussäännöt
merkki ennen lukua · ei yksikköä · lämpötilan kanssaLuku merkin jälkeen, ei yksikköä
Merkki pH tulee ennen lukua, kuten asteikon nimi, eikä sen jälkeen kuin yksikkö, ja tarkan arvon viereen merkitään lämpötila, jossa se on saatu.
Oikean sarakkeen ensimmäinen rivi panee merkin luvun perään, ikään kuin pH olisi yksikkö, toinen kirjoittaa ison P:n, joka ei kemiassa tarkoita mitään, ja kolmas liittää eksponenttiin moolit litrassa, vaikka moolit kuuluvat vain pitoisuuteen. Neljäs muuntaa logaritmin prosenteiksi, jolloin 0,3:n lasku näyttää vaatimattomalta, vaikka vetyioneja on puolet vähemmän, viides lisää olemattomia ”yksiköitä”, ja kuudes keskiarvoistaa logaritmeja siellä, missä pitäisi keskiarvoistaa pitoisuuksia.
06 · Naapuriyksiköt
pitoisuus · logaritmi · ainemääräpH:n logaritmin alla on pitoisuus mooleina litrassa, logaritmi itse tekee siitä desibelin sukulaisen, joka samoin puristaa kymmeniä suuruusluokkia lyhyeksi asteikoksi, ja mooli on yhä ainoa SI-yksikkö, jonka kautta pH ylipäätään liittyy järjestelmään.
Juuri se pitoisuus, josta logaritmi otetaan ja jossa lasketaan, paljonko happoa on kaadettu.
Myös dimensioton logaritmi, mutta tehojen suhteesta ja kertoimella kymmenen.
Ainemäärä, jonka kautta pH liittyy kansainväliseen yksikköjärjestelmään.
07 · Historiallinen osa
arkisto · panimosta IUPAC:iinMiten nollista tuli asteikko
{title}
{text}
Neljä porrasta, jotka eivät mahdu yhdelle sivulle
Pylvään korkeus on vetyionipitoisuus tavallisella, ei-logaritmisella asteikolla, pH-arvoille 1, 2, 3 ja 4. Jokainen seuraava pylväs on kymmenen kertaa matalampi kuin edellinen, ja neljäs näkyy jo tuskin; kehys kiertää ne vuorotellen.
Sørensen ei valinnut logaritmia kauneuden vuoksi, vaan koska muuten suureet, joiden kanssa hän työskenteli, eivät olisi mahtuneet millekään paperille: seitsemän porrasta pH 1:stä pH 7:ään venyttäisi lineaarista asteikkoa kymmenmiljoonakertaisesti.
Suure, jota ei voi mitata ilman sopimusta
Määritelmä puhuu yksittäisen vetyionin aktiivisuudesta, mutta termodynamiikka osaa mitata vain vastakkaismerkkisten ionien aktiivisuuksien tuloja, koska liuos on aina sähköisesti neutraali eikä siitä voi ottaa yksittäistä ionia. Tarkasti määritelmän mukaan pH:ta ei siis mittaa mikään laite; saatavilla on vain suure, johon vedyn kanssa tulee mukaan kloridi-ioni.
Aukko suljetaan sopimuksella: Batesin–Guggenheimin konvention mukaan kloridi-ionin aktiivisuuskerroin lasketaan liuosteorian yksinkertaisella kaavalla, minkä jälkeen Harnedin kenno vety- ja hopea-hopeakloridielektrodilla ilman nesteliitosta antaa primaariset pH-arvot muutamalle vertailupuskurille. Kaikki muut mittaukset maapallolla nojaavat näihin puskureihin kalibrointien ketjun kautta.
Jokaisessa pH-luvussa on siis itse mittauksen lisäksi myös sopimus, ja kaksi laboratoriota päätyy samaan yksikön sadasosan tarkkuudella, ei siksi, että ne olisivat mitanneet samaa luontoa, vaan koska ne ovat ottaneet käyttöön saman konvention ja kalibroineet samoilla puskureilla.