Буква pH стоит в стакане наполовину под водой, и раствор над ней меняет цвет, как универсальный индикатор, от красного через жёлтый и зелёный к синему и фиолетовому. Из бюретки падает капля, по поверхности расходится кольцо, со дна поднимаются пузырьки, крутится мешалка, светится шарик стеклянного электрода. Прибор в углу показывает число, а метка на индикаторной полоске внизу доезжает до той же клетки.
Паспорт величины
химия и лаборатория лист 1/1 · ред. 2026-09Водородный показатель pH
Внесистемная величина · величина: кислотность раствора, безразмерный логарифм активности ионов водорода
Логарифмическая шкала, у которой нет единицы
В 1909 году датский химик Сёрен Сёренсен изучал в лаборатории пивоваренной компании Carlsberg, как ферменты зависят от кислотности сусла, и каждый день записывал концентрации вроде 0,000 000 1 моль на литр. Устав считать нули, он предложил писать вместо самого числа только показатель степени со снятым минусом, так что одна десятимиллионная превратилась в простую семёрку, и с тех пор кислотность меряют числом, за которым не стоит никакой единицы.
Такая запись удобна, но коварна: шаг на одну единицу означает десятикратную перемену, поэтому раствор с pH 3 кислее раствора с pH 5 не на треть, а в сто раз, и два значения pH нельзя ни сложить, ни усреднить. Смешав равные объёмы растворов с pH 2 и pH 4, получают не 3, а 2,30, поскольку складываются сами концентрации, а логарифм берут уже от суммы.
Лист показывает, как pH ведёт себя при титровании, почему семёрка нейтральна только при двадцати пяти градусах и отчего величину, которую меряет каждый аквариумист, до сих пор нельзя строго измерить без договорённости о том, что считать активностью одного иона.
Пишется строчной p и прописной H, всегда в этом порядке и без пробела: pH, а не PH и не Ph, потому что строчная буква обозначает операцию, а прописная — химический элемент. Число ставят после знака, как у температуры в градусах: pH 7,40, и никакой единицы за ним не пишут.
pH — не концентрация кислоты и не её крепость: уксус и соляная кислота одной концентрации дают pH 2,9 и 1,0, а буфер может содержать много кислоты и при этом показывать почти нейтральное число. Не путать и с pKa, который принадлежит самой кислоте и не зависит от того, сколько её налито, тогда как pH принадлежит раствору.
01 · Определение
логарифм · активность · нейтральВодородный показатель pH — это взятый с обратным знаком десятичный логарифм активности ионов водорода в растворе. Активность безразмерна, поскольку её отсчитывают от стандартной концентрации в один моль на литр, и потому безразмерен и сам логарифм: pH не измеряется ни в каких единицах, а только выражается числом.
В разбавленных растворах активность почти совпадает с концентрацией, и тогда pH можно считать прямо по молям на литр, тогда как в крепких растворах и морской воде ионы мешают друг другу, и разница между концентрацией и активностью доходит до десятых долей единицы. Вода сама понемногу распадается на ионы водорода и гидроксида, произведение их активностей при 25 °C равно 10⁻¹⁴, и нейтральным считается раствор, где тех и других поровну, то есть pH 7.
Ионное произведение воды быстро растёт с температурой, поэтому нейтральная точка при кипении опускается до 6,13, а при нуле градусов поднимается до 7,47; раствор с pH 7 при 50 °C уже слабо щелочной, хотя число осталось тем же.
Две капли, которые перекрашивают стакан
Слева из бюретки в стакан с 25 миллилитрами раствора капает титрант, жидкость окрашена универсальным индикатором по своему текущему pH, а прибор в углу показывает число. Справа растёт кривая титрования: пройденная часть нарисована толстой линией в цвет индикатора, оставшаяся — тонким серым пунктиром, горизонтальный пунктир — нейтраль pH 7, вертикальный — точка эквивалентности, где титранта добавлено ровно столько, сколько нужно на всю кислоту или основание.
Смешать pH 2 и pH 4 — получится не три
В литре раствора с pH 2 одна сотая моля ионов водорода, а в литре с pH 4 — одна десятитысячная, так что после смешивания в двух литрах окажется 0,0101 моля, то есть 0,00505 на литр, и это pH 2,30. Кислый раствор почти целиком определяет результат, а менее кислый добавляет к нему лишь разбавление, и поэтому средний pH нескольких проб, записанный в отчёт как простое среднее, всегда говорит неправду о самой кислой из них.
02 · Пересчёт
концентрации · вещества · температураОт числа на приборе к молям на литр
Введите pH, концентрацию ионов водорода или гидроксида либо pOH, и лист пересчитает всё остальное, сравнит раствор со знакомыми веществами и покажет, где проходит нейтраль при другой температуре. Во всех вкладках раствор один и тот же, а меняется только то, с чем его сравнивают.
Правило для памяти: каждая единица pH — десятикратная перемена концентрации, каждые 0,3 единицы — вдвое.
Пересчёт считает активность равной концентрации, что верно только для разбавленных растворов; в морской воде, крови и крепких кислотах поправка на коэффициент активности сдвигает ответ на одну-две десятых. Значения pH для веществ — типичные, а не нормативные: у лимонного сока, кофе и дождя разброс от пробы к пробе достигает половины единицы.
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · Приборы измерения
бумага · стекло · платина · буферыЧем ловят ион водорода
Радуга на полоске
Универсальный индикатор — смесь нескольких красителей, каждый из которых меняет цвет в своём узком интервале, так что вместе они раскрашивают всю шкалу от красного до фиолетового. Полоску опускают в раствор, раствор поднимается по бумаге, и цвет сравнивают с напечатанной шкалой на глаз; точность получается около единицы, зато ответ готов за секунду и не требует никакого прибора.
Стекло, которое чувствует кислоту
Тонкий шарик из особого стекла набухает с поверхности, и ионы водорода обмениваются с его гидратированным слоем, так что между внутренним и внешним раствором возникает разность потенциалов. При 25 °C она меняется на 59,16 милливольта на каждую единицу pH, а при нагреве наклон растёт, и поэтому приличный pH-метр всегда меряет ещё и температуру.
Нуль всей электрохимии
Платиновую пластинку, покрытую губчатой чернью, омывают водородом под давлением в один бар, и на ней устанавливается равновесие между газом и ионами водорода в растворе. Такой электрод неудобен и капризен, зато его потенциал отвечает самой определяющей формуле без посредников, и первичные буферы, по которым калибруют все стеклянные электроды мира, аттестуют именно им.
Три стакана перед каждым измерением
Стеклянный электрод стареет, и его нуль и наклон уплывают, поэтому прибор перед работой проверяют по буферам с известным pH, обычно 4,01, 7,00 и 10,01 при 25 °C, и по ним заново строят прямую. Прибор без такой калибровки показывает число с двумя знаками после запятой, но второй знак у него честен только до тех пор, пока электрод не переставили в незнакомый раствор.
05 · Правила записи
знак перед числом · без единицы · с температуройЧисло после знака, единицы нет
Знак pH ставят перед числом, как название шкалы, а не после, как единицу, и рядом с точным значением указывают температуру, при которой его получили.
Первая строка справа ставит знак после числа, как если бы pH был единицей, вторая пишет прописную P, которая в химии ничего не значит, а третья приписывает показателю моли на литр, хотя моли живут только в концентрации. Четвёртая переводит логарифм в проценты, из-за чего падение на 0,3 выглядит скромным, хотя ионов водорода стало вдвое меньше, пятая добавляет несуществующие «единицы», а шестая усредняет логарифмы там, где усреднять нужно концентрации.
06 · Соседние единицы
концентрация · логарифм · количествоПод логарифмом pH лежит концентрация в молях на литр, сам логарифм роднит его с децибелом, который так же сжимает десятки порядков в короткую шкалу, а моль остаётся единственной единицей СИ, через которую pH вообще связан с системой.
Та самая концентрация, от которой берут логарифм, и та, в которой считают, сколько кислоты налито.
Тоже логарифм без размерности, только от отношения мощностей и с множителем десять.
Количество вещества, через которое pH связан с Международной системой единиц.
07 · Исторический раздел
архив · от пивоварни до ИЮПАККак нули превратились в шкалу
{title}
{text}
Четыре ступени, которые не помещаются на одном листе
Высота столбика — концентрация ионов водорода в обычном, не логарифмическом масштабе, для pH 1, 2, 3 и 4. Каждый следующий столбик в десять раз ниже предыдущего, и четвёртый уже почти не виден; рамка обходит их по очереди.
Сёренсен выбрал логарифм не ради красоты, а потому что иначе величины, с которыми он работал, не умещались ни на одной бумаге: семь ступеней от pH 1 до pH 7 растянули бы линейную шкалу в десять миллионов раз.
Величина, которую нельзя измерить без договорённости
Определение говорит об активности одного иона водорода, но термодинамика умеет измерять только произведения активностей ионов противоположного знака, потому что раствор всегда электрически нейтрален и отдельный ион из него не вынешь. Поэтому строго по определению pH не измеряется никаким прибором, а доступна лишь величина, в которую вместе с водородом входит ион хлора.
Разрыв закрывают соглашением: по конвенции Бейтса — Гуггенгейма коэффициент активности хлорид-иона вычисляют по простой формуле теории растворов, и после этого ячейка Харнеда с водородным и хлорсеребряным электродами без жидкостного соединения даёт первичные значения pH для нескольких эталонных буферов. Все остальные измерения на Земле опираются на эти буферы через цепочку калибровок.
Таким образом, в каждом числе pH, кроме самого измерения, сидит ещё и договорённость, и две лаборатории сходятся в сотых долях единицы не потому, что измерили одну и ту же природу, а потому что приняли одно и то же соглашение и откалибровались по одним и тем же буферам.