De letters pH staan half onder water in een bekerglas, en de oplossing erboven verandert van kleur als een universele indicator, van rood via geel en groen naar blauw en violet. Uit de buret valt een druppel, over het oppervlak breidt een kring zich uit, van de bodem stijgen belletjes op, de roerder draait, het bolletje van de glaselektrode licht op. Het meetapparaat in de hoek toont een getal, en het merkteken op de indicatorstrook onderaan schuift naar hetzelfde vakje.
Eenheidsblad
chemie en laboratorium blad 1/1 · herz. 2026-09Zuurgraad pH
Grootheid buiten het SI · grootheid: zuurgraad van een oplossing, dimensieloze logaritme van de activiteit van waterstofionen
Een logaritmische schaal zonder eenheid
In 1909 bestudeerde de Deense chemicus Søren Sørensen in het laboratorium van brouwerij Carlsberg hoe enzymen afhangen van de zuurgraad van het wort, en elke dag noteerde hij concentraties als 0,000 000 1 mol per liter. Moe van het nullen tellen stelde hij voor om in plaats van het getal zelf alleen de exponent zonder minteken te schrijven, zodat een tienmiljoenste een gewone zeven werd, en sindsdien meet men de zuurgraad met een getal waar geen eenheid achter staat.
Die notatie is handig maar verraderlijk: een stap van één eenheid betekent een verandering met een factor tien, dus een oplossing met pH 3 is niet een derde zuurder dan een met pH 5, maar honderd keer, en twee pH-waarden kun je niet optellen of middelen. Meng je gelijke volumes oplossingen met pH 2 en pH 4, dan krijg je niet 3 maar 2,30, want het zijn de concentraties zelf die je optelt, en de logaritme neem je pas van de som.
Het blad laat zien hoe de pH zich gedraagt bij een titratie, waarom zeven alleen bij vijfentwintig graden neutraal is en waarom de grootheid die elke aquariumhouder meet nog steeds niet streng te meten is zonder afspraak over wat geldt als de activiteit van één enkel ion.
Geschreven met een kleine p en een hoofdletter H, altijd in deze volgorde en zonder spatie: pH, niet PH of Ph, want de kleine letter staat voor een bewerking en de hoofdletter voor een chemisch element. Het getal komt na het symbool, zoals bij een temperatuur in graden: pH 7,40, en er komt geen eenheid achter.
De pH is niet de concentratie van een zuur en ook niet de sterkte ervan: azijn en zoutzuur van dezelfde concentratie geven pH 2,9 en 1,0, en een buffer kan veel zuur bevatten en toch een bijna neutraal getal tonen. Verwar hem ook niet met de pKa, die bij het zuur zelf hoort en niet afhangt van hoeveel ervan is ingeschonken, terwijl de pH bij de oplossing hoort.
01 · Definitie
logaritme · activiteit · neutraal puntDe zuurgraad pH is de negatieve tiendelige logaritme van de activiteit van waterstofionen in een oplossing. Activiteit is dimensieloos, omdat ze wordt gemeten ten opzichte van een standaardconcentratie van één mol per liter, en daarom is ook de logaritme dimensieloos: pH wordt in geen enkele eenheid gemeten, maar alleen uitgedrukt in een getal.
In verdunde oplossingen valt de activiteit bijna samen met de concentratie, en dan kun je de pH rechtstreeks uit mol per liter berekenen, terwijl in sterke oplossingen en zeewater de ionen elkaar hinderen en het verschil tussen concentratie en activiteit tienden van een eenheid bereikt. Water zelf splitst een beetje in waterstof- en hydroxide-ionen, het product van hun activiteiten is bij 25 °C 10⁻¹⁴, en neutraal heet een oplossing waarin van beide evenveel is, dus pH 7.
Het ionenproduct van water groeit snel met de temperatuur, daarom zakt het neutrale punt bij het kookpunt tot 6,13 en stijgt het bij nul graden tot 7,47; een oplossing met pH 7 is bij 50 °C al licht basisch, ook al is het getal hetzelfde gebleven.
Twee druppels die het bekerglas omkleuren
Links druppelt uit een buret titrant in een bekerglas met 25 milliliter oplossing; de vloeistof is met universele indicator gekleurd naar haar huidige pH, en het meetapparaat in de hoek toont het getal. Rechts groeit de titratiecurve: het afgelegde deel is als dikke lijn in de indicatorkleur getekend, de rest als dunne grijze stippellijn; de horizontale stippellijn is het neutrale punt pH 7, de verticale het equivalentiepunt, waar precies zoveel titrant is toegevoegd als al het zuur of alle base nodig heeft.
Meng pH 2 en pH 4 en je krijgt geen drie
Een liter oplossing met pH 2 bevat een honderdste mol waterstofionen, een liter met pH 4 een tienduizendste, dus na het mengen zit er in twee liter 0,0101 mol, dat is 0,00505 per liter, en dat is pH 2,30. De zure oplossing bepaalt het resultaat bijna helemaal, de minder zure voegt alleen verdunning toe, en daarom zegt de gemiddelde pH van meerdere monsters, als gewoon gemiddelde in een rapport gezet, altijd iets onwaars over het zuurste ervan.
02 · Omrekening
concentraties · stoffen · temperatuurVan het getal op het meetapparaat naar mol per liter
Voer de pH, de concentratie van waterstof- of hydroxide-ionen of de pOH in, en het blad rekent al het andere om, vergelijkt de oplossing met bekende stoffen en laat zien waar het neutrale punt bij een andere temperatuur ligt. In alle tabbladen is de oplossing dezelfde; alleen waarmee je haar vergelijkt verandert.
Ezelsbruggetje: elke pH-eenheid is een tienvoudige verandering van de concentratie, elke 0,3 eenheid een verdubbeling.
De omrekening neemt de activiteit gelijk aan de concentratie, wat alleen klopt voor verdunde oplossingen; in zeewater, bloed en sterke zuren verschuift de correctie voor de activiteitscoëfficiënt het antwoord met een of twee tienden. De pH-waarden van stoffen zijn typisch, niet normatief: bij citroensap, koffie en regen loopt het verschil van monster tot monster op tot een halve eenheid.
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Meetinstrumenten
papier · glas · platina · buffersWaarmee je het waterstofion vangt
Een regenboog op de strook
Universele indicator is een mengsel van meerdere kleurstoffen, die elk in hun eigen smalle gebied van kleur veranderen, zodat ze samen de hele schaal van rood tot violet kleuren. De strook wordt in de oplossing gedoopt, de oplossing trekt op in het papier, en de kleur wordt op het oog vergeleken met de gedrukte schaal; de nauwkeurigheid is ongeveer één eenheid, maar het antwoord is er in een seconde en vraagt geen enkel apparaat.
Glas dat zuur voelt
Een dun bolletje van speciaal glas zwelt aan het oppervlak op, en waterstofionen wisselen uit met de gehydrateerde laag, zodat tussen de binnen- en buitenoplossing een potentiaalverschil ontstaat. Bij 25 °C verandert het met 59,16 millivolt per pH-eenheid, en bij verwarming wordt de helling groter, en daarom meet een fatsoenlijke pH-meter altijd ook de temperatuur.
Het nulpunt van de hele elektrochemie
Een platinaplaatje bedekt met sponsachtig platinazwart wordt omspoeld met waterstof onder een druk van één bar, en daarop stelt zich een evenwicht in tussen het gas en de waterstofionen in de oplossing. Zo'n elektrode is onhandig en grillig, maar haar potentiaal volgt zonder tussenpersoon de definiërende formule zelf, en de primaire buffers waarmee alle glaselektroden ter wereld worden gekalibreerd, worden juist met haar gecertificeerd.
Drie bekerglazen vóór elke meting
Een glaselektrode veroudert, haar nulpunt en helling verlopen, daarom controleert men het apparaat vóór het werk met buffers van bekende pH, meestal 4,01, 7,00 en 10,01 bij 25 °C, en legt men daarmee de rechte lijn opnieuw vast. Een apparaat zonder zo'n kalibratie toont een getal met twee decimalen, maar de tweede is alleen eerlijk zolang de elektrode niet in een onbekende oplossing is gezet.
05 · Schrijfregels
symbool vóór het getal · zonder eenheid · met temperatuurHet getal na het symbool, geen eenheid
Het symbool pH staat vóór het getal, als de naam van een schaal, en niet erachter zoals een eenheid, en naast een nauwkeurige waarde vermeldt men de temperatuur waarbij die is verkregen.
De eerste regel rechts zet het symbool achter het getal, alsof pH een eenheid is, de tweede schrijft een hoofdletter P, die in de chemie niets betekent, en de derde hangt mol per liter aan de exponent, terwijl mol alleen in de concentratie thuishoort. De vierde zet de logaritme om in procenten, waardoor een daling van 0,3 bescheiden lijkt, terwijl er half zoveel waterstofionen zijn, de vijfde voegt niet-bestaande „eenheden” toe, en de zesde middelt logaritmen waar je concentraties zou moeten middelen.
06 · Naburige eenheden
concentratie · logaritme · hoeveelheidOnder de logaritme van de pH ligt een concentratie in mol per liter, de logaritme zelf maakt hem verwant aan de decibel, die op dezelfde manier tientallen ordes in een korte schaal perst, en de mol blijft de enige SI-eenheid waarmee de pH überhaupt met het stelsel verbonden is.
Precies de concentratie waarvan je de logaritme neemt, en waarin je telt hoeveel zuur er is ingeschonken.
Ook een dimensieloze logaritme, maar van een vermogensverhouding en met een factor tien.
Hoeveelheid stof, waarmee de pH verbonden is met het Internationale Stelsel van Eenheden.
07 · Historisch deel
archief · van de brouwerij tot IUPACHoe nullen een schaal werden
{title}
{text}
Vier treden die niet op één blad passen
De hoogte van de kolom is de concentratie van waterstofionen op een gewone, niet-logaritmische schaal, voor pH 1, 2, 3 en 4. Elke volgende kolom is tien keer lager dan de vorige, en de vierde is al nauwelijks te zien; het kader loopt ze om beurten langs.
Sørensen koos de logaritme niet om de schoonheid, maar omdat de grootheden waarmee hij werkte anders op geen enkel papier pasten: de zeven treden van pH 1 tot pH 7 zouden een lineaire schaal tien miljoen keer uitrekken.
Een grootheid die je niet kunt meten zonder afspraak
De definitie spreekt over de activiteit van één enkel waterstofion, maar de thermodynamica kan alleen producten van activiteiten van ionen met tegengestelde lading meten, omdat een oplossing altijd elektrisch neutraal is en je er geen afzonderlijk ion uit kunt halen. Strikt volgens de definitie meet dus geen enkel apparaat de pH; toegankelijk is alleen een grootheid waarin samen met waterstof het chloride-ion meedoet.
De kloof wordt gedicht met een afspraak: volgens de conventie van Bates en Guggenheim berekent men de activiteitscoëfficiënt van het chloride-ion met een eenvoudige formule uit de theorie van oplossingen, en daarna levert de Harned-cel met waterstof- en zilver-zilverchloride-elektroden zonder vloeistofovergang primaire pH-waarden voor enkele referentiebuffers. Alle andere metingen op aarde steunen via een keten van kalibraties op deze buffers.
In elk pH-getal zit dus behalve de meting zelf ook een afspraak, en twee laboratoria komen tot op honderdsten van een eenheid overeen, niet omdat ze dezelfde natuur hebben gemeten, maar omdat ze dezelfde conventie hebben aangenomen en op dezelfde buffers hebben gekalibreerd.