Litery pH stoją do połowy pod wodą w zlewce, a roztwór nad nimi zmienia barwę jak wskaźnik uniwersalny, od czerwieni przez żółć i zieleń do błękitu i fioletu. Z biurety spada kropla, po powierzchni rozchodzi się krąg, z dna wznoszą się pęcherzyki, kręci się mieszadło, świeci bańka elektrody szklanej. Przyrząd w rogu pokazuje liczbę, a znacznik na pasku wskaźnikowym na dole dojeżdża do tego samego pola.
Karta jednostki
chemia i laboratorium karta 1/1 · wyd. 2026-09Wykładnik stężenia jonów wodorowych pH
Wielkość spoza SI · wielkość: kwasowość roztworu, bezwymiarowy logarytm aktywności jonów wodorowych
Skala logarytmiczna, która nie ma jednostki
W 1909 roku duński chemik Søren Sørensen badał w laboratorium browaru Carlsberg, jak enzymy zależą od kwasowości brzeczki, i codziennie zapisywał stężenia w rodzaju 0,000 000 1 mola na litr. Zmęczony liczeniem zer, zaproponował, by zamiast samej liczby pisać tylko wykładnik potęgi bez minusa, tak że jedna dziesięciomilionowa zamieniła się w zwykłą siódemkę, i od tamtej pory kwasowość mierzy się liczbą, za którą nie stoi żadna jednostka.
Taki zapis jest wygodny, lecz zdradliwy: krok o jedną jednostkę oznacza dziesięciokrotną zmianę, dlatego roztwór o pH 3 nie jest kwaśniejszy od roztworu o pH 5 o jedną trzecią, lecz sto razy, a dwóch wartości pH nie można ani dodać, ani uśrednić. Mieszając równe objętości roztworów o pH 2 i pH 4, otrzymuje się nie 3, lecz 2,30, ponieważ dodają się same stężenia, a logarytm bierze się dopiero z sumy.
Karta pokazuje, jak pH zachowuje się przy miareczkowaniu, dlaczego siódemka jest obojętna tylko w dwudziestu pięciu stopniach i czemu wielkości, którą mierzy każdy akwarysta, wciąż nie da się ściśle zmierzyć bez umowy, co uważać za aktywność pojedynczego jonu.
Pisze się małym p i wielkim H, zawsze w tej kolejności i bez spacji: pH, a nie PH ani Ph, ponieważ mała litera oznacza działanie, a wielka — pierwiastek chemiczny. Liczbę stawia się po znaku, jak przy temperaturze w stopniach: pH 7,40, i żadnej jednostki się za nią nie pisze.
pH to nie stężenie kwasu ani jego moc: ocet i kwas solny o tym samym stężeniu dają pH 2,9 i 1,0, a bufor może zawierać dużo kwasu i mimo to pokazywać liczbę prawie obojętną. Nie mylić też z pKa, które należy do samego kwasu i nie zależy od tego, ile go nalano, podczas gdy pH należy do roztworu.
01 · Definicja
logarytm · aktywność · punkt obojętnościWykładnik stężenia jonów wodorowych pH to wzięty ze znakiem przeciwnym logarytm dziesiętny aktywności jonów wodorowych w roztworze. Aktywność jest bezwymiarowa, ponieważ odnosi się ją do stężenia standardowego jednego mola na litr, i dlatego bezwymiarowy jest też sam logarytm: pH nie mierzy się w żadnych jednostkach, wyraża się je tylko liczbą.
W roztworach rozcieńczonych aktywność prawie pokrywa się ze stężeniem i wtedy pH można liczyć wprost z moli na litr, natomiast w roztworach stężonych i w wodzie morskiej jony przeszkadzają sobie nawzajem, a różnica między stężeniem a aktywnością sięga dziesiątych części jednostki. Woda sama w niewielkim stopniu rozpada się na jony wodorowe i wodorotlenkowe, iloczyn ich aktywności w 25 °C wynosi 10⁻¹⁴, a obojętnym nazywa się roztwór, w którym jednych i drugich jest po równo, czyli pH 7.
Iloczyn jonowy wody szybko rośnie z temperaturą, dlatego punkt obojętności przy wrzeniu spada do 6,13, a w zerze stopni wzrasta do 7,47; roztwór o pH 7 w 50 °C jest już słabo zasadowy, choć liczba pozostała ta sama.
Dwie krople, które przebarwiają zlewkę
Po lewej z biurety do zlewki z 25 mililitrami roztworu kapie titrant, ciecz jest zabarwiona wskaźnikiem uniwersalnym według swojego bieżącego pH, a przyrząd w rogu pokazuje liczbę. Po prawej rośnie krzywa miareczkowania: przebyta część jest narysowana grubą linią w kolorze wskaźnika, pozostała — cienką szarą linią przerywaną, pozioma linia przerywana to punkt obojętności pH 7, pionowa — punkt równoważnikowy, w którym dodano dokładnie tyle titranta, ile potrzeba na cały kwas lub całą zasadę.
Zmieszaj pH 2 i pH 4 — nie wyjdzie trzy
Litr roztworu o pH 2 zawiera jedną setną mola jonów wodorowych, a litr o pH 4 — jedną dziesięciotysięczną, więc po zmieszaniu w dwóch litrach będzie 0,0101 mola, czyli 0,00505 na litr, a to jest pH 2,30. Roztwór kwaśny niemal w całości wyznacza wynik, mniej kwaśny dodaje do niego jedynie rozcieńczenie, i dlatego średnie pH kilku prób, wpisane do raportu jako zwykła średnia, zawsze mówi nieprawdę o najkwaśniejszej z nich.
02 · Przeliczanie
stężenia · substancje · temperaturaOd liczby na przyrządzie do moli na litr
Wpisz pH, stężenie jonów wodorowych lub wodorotlenkowych albo pOH, a karta przeliczy całą resztę, porówna roztwór ze znanymi substancjami i pokaże, gdzie leży punkt obojętności w innej temperaturze. We wszystkich zakładkach roztwór jest ten sam, zmienia się tylko to, z czym się go porównuje.
Reguła do zapamiętania: każda jednostka pH to dziesięciokrotna zmiana stężenia, każde 0,3 jednostki — dwukrotna.
Przeliczenie przyjmuje aktywność równą stężeniu, co jest prawdą tylko dla roztworów rozcieńczonych; w wodzie morskiej, krwi i mocnych kwasach poprawka na współczynnik aktywności przesuwa wynik o jedną–dwie dziesiąte. Wartości pH substancji są typowe, a nie normatywne: w soku z cytryny, kawie i deszczu rozrzut między próbkami sięga połowy jednostki.
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Przyrządy pomiarowe
papier · szkło · platyna · buforyCzym łapie się jon wodorowy
Tęcza na pasku
Wskaźnik uniwersalny to mieszanina kilku barwników, z których każdy zmienia barwę w swoim wąskim przedziale, tak że razem barwią całą skalę od czerwieni do fioletu. Pasek zanurza się w roztworze, roztwór podsiąka w papierze, a barwę porównuje się na oko z wydrukowaną skalą; dokładność wynosi około jednej jednostki, za to odpowiedź jest gotowa w sekundę i nie wymaga żadnego przyrządu.
Szkło, które czuje kwas
Cienka bańka ze specjalnego szkła pęcznieje na powierzchni, a jony wodorowe wymieniają się z jej uwodnioną warstwą, tak że między roztworem wewnętrznym a zewnętrznym powstaje różnica potencjałów. W 25 °C zmienia się ona o 59,16 miliwolta na każdą jednostkę pH, a przy ogrzewaniu nachylenie rośnie, dlatego porządny pehametr zawsze mierzy też temperaturę.
Zero całej elektrochemii
Blaszkę platynową pokrytą gąbczastą czernią platynową omywa się wodorem pod ciśnieniem jednego bara, a na niej ustala się równowaga między gazem a jonami wodorowymi w roztworze. Taka elektroda jest niewygodna i kapryśna, za to jej potencjał odpowiada samej wzorcowej definicji bez pośredników, i to właśnie nią atestuje się bufory pierwotne, według których kalibruje się wszystkie elektrody szklane na świecie.
Trzy zlewki przed każdym pomiarem
Elektroda szklana starzeje się, jej zero i nachylenie dryfują, dlatego przed pracą przyrząd sprawdza się buforami o znanym pH, zwykle 4,01, 7,00 i 10,01 w 25 °C, i na ich podstawie na nowo wyznacza się prostą. Przyrząd bez takiej kalibracji pokazuje liczbę z dwoma miejscami po przecinku, ale drugie miejsce jest uczciwe tylko do chwili, gdy elektrodę przeniesie się do nieznanego roztworu.
05 · Zasady zapisu
znak przed liczbą · bez jednostki · z temperaturąLiczba po znaku, jednostki brak
Znak pH stawia się przed liczbą, jak nazwę skali, a nie po niej jak jednostkę, a przy dokładnej wartości podaje się temperaturę, w której ją uzyskano.
Pierwszy wiersz po prawej stawia znak za liczbą, jakby pH było jednostką, drugi pisze wielkie P, które w chemii nic nie znaczy, a trzeci przypisuje wykładnikowi mole na litr, choć mole żyją tylko w stężeniu. Czwarty przelicza logarytm na procenty, przez co spadek o 0,3 wygląda skromnie, choć jonów wodorowych jest o połowę mniej, piąty dodaje nieistniejące „jednostki”, a szósty uśrednia logarytmy tam, gdzie uśredniać trzeba stężenia.
06 · Jednostki sąsiednie
stężenie · logarytm · licznośćPod logarytmem pH leży stężenie w molach na litr, sam logarytm czyni je krewnym decybela, który tak samo ściska dziesiątki rzędów w krótką skalę, a mol pozostaje jedyną jednostką SI, przez którą pH w ogóle wiąże się z układem.
To samo stężenie, z którego bierze się logarytm, i w którym liczy się, ile kwasu nalano.
Również bezwymiarowy logarytm, tyle że ze stosunku mocy i z mnożnikiem dziesięć.
Liczność materii, przez którą pH wiąże się z Międzynarodowym Układem Jednostek.
07 · Dział historyczny
archiwum · od browaru do IUPACJak zera stały się skalą
{title}
{text}
Cztery stopnie, które nie mieszczą się na jednej kartce
Wysokość słupka to stężenie jonów wodorowych w zwykłej, nielogarytmicznej skali, dla pH 1, 2, 3 i 4. Każdy kolejny słupek jest dziesięć razy niższy od poprzedniego, a czwarty jest już ledwie widoczny; ramka obchodzi je po kolei.
Sørensen wybrał logarytm nie dla piękna, lecz dlatego, że inaczej wielkości, z którymi pracował, nie zmieściłyby się na żadnym papierze: siedem stopni od pH 1 do pH 7 rozciągnęłoby skalę liniową dziesięć milionów razy.
Wielkość, której nie da się zmierzyć bez umowy
Definicja mówi o aktywności pojedynczego jonu wodorowego, ale termodynamika umie mierzyć tylko iloczyny aktywności jonów o przeciwnych znakach, ponieważ roztwór jest zawsze elektrycznie obojętny i pojedynczego jonu nie da się z niego wyjąć. Dlatego ściśle według definicji pH nie mierzy żaden przyrząd, a dostępna jest tylko wielkość, w którą wraz z wodorem wchodzi jon chlorkowy.
Lukę zamyka umowa: według konwencji Batesa–Guggenheima współczynnik aktywności jonu chlorkowego oblicza się z prostego wzoru teorii roztworów, a potem ogniwo Harneda z elektrodą wodorową i chlorosrebrową bez połączenia ciekłego daje pierwotne wartości pH dla kilku buforów wzorcowych. Wszystkie inne pomiary na Ziemi opierają się na tych buforach poprzez łańcuch kalibracji.
Tak więc w każdej liczbie pH oprócz samego pomiaru tkwi jeszcze umowa, a dwa laboratoria zgadzają się co do setnych części jednostki nie dlatego, że zmierzyły tę samą naturę, lecz dlatego, że przyjęły tę samą konwencję i skalibrowały się według tych samych buforów.