ตัวอักษร pH ยืนจมน้ำครึ่งหนึ่งอยู่ในบีกเกอร์ และสารละลายเหนือมันเปลี่ยนสีเหมือนอินดิเคเตอร์อเนกประสงค์ จากแดงผ่านเหลืองและเขียวไปจนถึงน้ำเงินและม่วง หยดหนึ่งตกจากบิวเรตต์ วงกระเพื่อมแผ่ไปบนผิว ฟองลอยขึ้นจากก้น แท่งคนหมุน กระเปาะของอิเล็กโทรดแก้วเรืองแสง เครื่องวัดที่มุมแสดงตัวเลข และเครื่องหมายบนแถบอินดิเคเตอร์ด้านล่างเลื่อนไปยังช่องเดียวกัน
แผ่นข้อมูลหน่วย
เคมีและห้องปฏิบัติการ แผ่นที่ 1/1 · ปรับปรุง 2026-09ค่า pH pH
ปริมาณนอก SI · ปริมาณ: ความเป็นกรดของสารละลาย ลอการิทึมไร้มิติของแอกทิวิตีของไอออนไฮโดรเจน
สเกลลอการิทึมที่ไม่มีหน่วย
ในปี 1909 นักเคมีชาวเดนมาร์ก เซอเรน เซอเรนเซน ศึกษาในห้องปฏิบัติการของโรงเบียร์คาร์ลสเบิร์กว่าเอนไซม์ขึ้นกับความเป็นกรดของน้ำมอลต์อย่างไร และจดความเข้มข้นอย่าง 0.000 000 1 โมลต่อลิตรทุกวัน เมื่อเบื่อการนับศูนย์ เขาเสนอให้เขียนเพียงเลขชี้กำลังที่ตัดเครื่องหมายลบออกแทนตัวเลขเอง หนึ่งในสิบล้านจึงกลายเป็นเลขเจ็ดธรรมดา และนับแต่นั้นความเป็นกรดก็วัดด้วยตัวเลขที่ไม่มีหน่วยใดตามหลัง
การเขียนแบบนี้สะดวกแต่หลอกตา: ขั้นละหนึ่งหน่วยหมายถึงการเปลี่ยนแปลงสิบเท่า สารละลาย pH 3 จึงไม่ได้เป็นกรดมากกว่าสารละลาย pH 5 หนึ่งในสาม แต่มากกว่าร้อยเท่า และค่า pH สองค่าก็บวกกันหรือหาค่าเฉลี่ยไม่ได้ ถ้าผสมสารละลาย pH 2 และ pH 4 ในปริมาตรเท่ากัน จะได้ไม่ใช่ 3 แต่เป็น 2.30 เพราะสิ่งที่บวกกันคือความเข้มข้นเอง แล้วจึงหาลอการิทึมจากผลรวม
หน้านี้แสดงว่า pH มีพฤติกรรมอย่างไรในการไทเทรต เหตุใดเลขเจ็ดจึงเป็นกลางเฉพาะที่ยี่สิบห้าองศา และเหตุใดปริมาณที่คนเลี้ยงปลาตู้ทุกคนวัดกันจึงยังวัดอย่างเคร่งครัดไม่ได้ หากไม่มีข้อตกลงว่าอะไรนับเป็นแอกทิวิตีของไอออนตัวเดียว
เขียนด้วย p ตัวเล็กและ H ตัวใหญ่ เรียงตามนี้เสมอและไม่เว้นวรรค: pH ไม่ใช่ PH หรือ Ph เพราะตัวเล็กหมายถึงการดำเนินการ ตัวใหญ่หมายถึงธาตุเคมี ตัวเลขเขียนตามหลังสัญลักษณ์เหมือนอุณหภูมิเป็นองศา: pH 7.40 และไม่เขียนหน่วยใดตามหลัง
pH ไม่ใช่ทั้งความเข้มข้นของกรดและความแรงของกรด: น้ำส้มสายชูกับกรดไฮโดรคลอริกที่ความเข้มข้นเท่ากันให้ pH 2.9 และ 1.0 ส่วนบัฟเฟอร์อาจมีกรดมากแต่ยังแสดงตัวเลขเกือบเป็นกลาง อย่าสับสนกับ pKa ด้วย ซึ่งเป็นสมบัติของตัวกรดเองและไม่ขึ้นกับว่าเทลงไปเท่าใด ขณะที่ pH เป็นสมบัติของสารละลาย
01 · นิยาม
ลอการิทึม · แอกทิวิตี · จุดสะเทินค่า pH คือลอการิทึมฐานสิบที่กลับเครื่องหมายของแอกทิวิตีของไอออนไฮโดรเจนในสารละลาย แอกทิวิตีไร้มิติเพราะวัดเทียบกับความเข้มข้นมาตรฐานหนึ่งโมลต่อลิตร ตัวลอการิทึมจึงไร้มิติด้วย: pH ไม่ได้วัดด้วยหน่วยใด แต่แสดงด้วยตัวเลขเท่านั้น
ในสารละลายเจือจาง แอกทิวิตีแทบเท่ากับความเข้มข้น และคำนวณ pH จากโมลต่อลิตรได้โดยตรง ส่วนในสารละลายเข้มข้นและน้ำทะเล ไอออนรบกวนกันเอง และความต่างระหว่างความเข้มข้นกับแอกทิวิตีขึ้นไปถึงหลักทศนิยมหนึ่งตำแหน่งของหน่วย น้ำเองก็แตกตัวเป็นไอออนไฮโดรเจนและไฮดรอกไซด์เล็กน้อย ผลคูณแอกทิวิตีของทั้งสองที่ 25 °C เท่ากับ 10⁻¹⁴ และสารละลายที่มีทั้งสองเท่ากันเรียกว่าเป็นกลาง คือ pH 7
ผลคูณไอออนของน้ำเพิ่มขึ้นเร็วตามอุณหภูมิ จุดสะเทินจึงลดลงเหลือ 6.13 เมื่อน้ำเดือด และเพิ่มเป็น 7.47 ที่ศูนย์องศา สารละลาย pH 7 ที่ 50 °C จึงเป็นเบสอ่อน ๆ แล้ว แม้ตัวเลขจะเท่าเดิม
สองหยดที่เปลี่ยนสีทั้งบีกเกอร์
ทางซ้าย ไทแทรนต์หยดจากบิวเรตต์ลงในบีกเกอร์ที่มีสารละลาย 25 มิลลิลิตร ของเหลวถูกย้อมด้วยอินดิเคเตอร์อเนกประสงค์ตาม pH ขณะนั้น และเครื่องวัดที่มุมแสดงตัวเลข ทางขวา กราฟการไทเทรตค่อย ๆ ยาวขึ้น ส่วนที่ผ่านมาแล้ววาดด้วยเส้นหนาสีของอินดิเคเตอร์ ส่วนที่เหลือเป็นเส้นประสีเทาบาง เส้นประแนวนอนคือจุดสะเทิน pH 7 เส้นประแนวตั้งคือจุดสมมูล ซึ่งเติมไทแทรนต์พอดีกับกรดหรือเบสทั้งหมด
ผสม pH 2 กับ pH 4 — ไม่ได้สาม
สารละลาย pH 2 หนึ่งลิตรมีไอออนไฮโดรเจนหนึ่งในร้อยโมล ส่วน pH 4 หนึ่งลิตรมีหนึ่งในหมื่นโมล หลังผสมจึงมี 0.0101 โมลในสองลิตร คือ 0.00505 ต่อลิตร ซึ่งเท่ากับ pH 2.30 สารละลายที่เป็นกรดกำหนดผลลัพธ์เกือบทั้งหมด ส่วนที่เป็นกรดน้อยกว่าเพียงเพิ่มการเจือจาง ดังนั้นค่า pH เฉลี่ยของหลายตัวอย่างที่จดในรายงานแบบค่าเฉลี่ยธรรมดา จึงบอกความจริงผิดเพี้ยนเสมอเกี่ยวกับตัวอย่างที่เป็นกรดมากที่สุด
02 · การแปลงหน่วย
ความเข้มข้น · สาร · อุณหภูมิจากตัวเลขบนเครื่องวัดสู่โมลต่อลิตร
ป้อน pH ความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจนหรือไฮดรอกไซด์ หรือ pOH แล้วหน้านี้จะคำนวณส่วนที่เหลือทั้งหมด เปรียบเทียบสารละลายกับสารที่คุ้นเคย และแสดงว่าจุดสะเทินอยู่ที่ใดเมื่ออุณหภูมิต่างไป ทุกแท็บใช้สารละลายเดียวกัน ต่างกันเพียงสิ่งที่นำมาเปรียบเทียบ
กฎช่วยจำ: pH ทุกหนึ่งหน่วยคือความเข้มข้นเปลี่ยนสิบเท่า ทุก 0.3 หน่วยคือสองเท่า
การแปลงนี้ถือว่าแอกทิวิตีเท่ากับความเข้มข้น ซึ่งจริงเฉพาะสารละลายเจือจาง ในน้ำทะเล เลือด และกรดแก่ การปรับแก้ด้วยสัมประสิทธิ์แอกทิวิตีทำให้คำตอบเลื่อนไปหนึ่งถึงสองในสิบ ค่า pH ของสารต่าง ๆ เป็นค่าทั่วไป ไม่ใช่ค่ามาตรฐาน น้ำมะนาว กาแฟ และฝนต่างกันได้ถึงครึ่งหน่วยจากตัวอย่างหนึ่งไปอีกตัวอย่าง
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · เครื่องมือวัด
กระดาษ · แก้ว · แพลทินัม · บัฟเฟอร์จับไอออนไฮโดรเจนด้วยอะไร
รุ้งบนแถบกระดาษ
อินดิเคเตอร์อเนกประสงค์เป็นสารผสมของสีย้อมหลายชนิด แต่ละชนิดเปลี่ยนสีในช่วงแคบของตัวเอง รวมกันจึงระบายสีทั้งสเกลตั้งแต่แดงถึงม่วง จุ่มแถบลงในสารละลาย สารละลายซึมขึ้นไปตามกระดาษ แล้วเทียบสีด้วยตากับแถบสีที่พิมพ์ไว้ ความแม่นยำราวหนึ่งหน่วย แต่ได้คำตอบในหนึ่งวินาทีและไม่ต้องใช้เครื่องมือใด
แก้วที่รับรู้กรด
กระเปาะบางที่ทำจากแก้วพิเศษพองตัวที่ผิว และไอออนไฮโดรเจนแลกเปลี่ยนกับชั้นที่ชุ่มน้ำของมัน จึงเกิดความต่างศักย์ระหว่างสารละลายด้านในและด้านนอก ที่ 25 °C ความต่างศักย์นี้เปลี่ยน 59.16 มิลลิโวลต์ต่อ pH หนึ่งหน่วย และเมื่อร้อนขึ้นความชันจะมากขึ้น เครื่องวัด pH ที่ดีจึงวัดอุณหภูมิด้วยเสมอ
ศูนย์ของเคมีไฟฟ้าทั้งหมด
แผ่นแพลทินัมที่เคลือบแพลทินัมแบล็กแบบฟองน้ำถูกพ่นด้วยไฮโดรเจนที่ความดันหนึ่งบาร์ บนแผ่นจึงเกิดสมดุลระหว่างแก๊สกับไอออนไฮโดรเจนในสารละลาย อิเล็กโทรดแบบนี้ใช้ยากและจุกจิก แต่ศักย์ของมันเป็นไปตามสูตรนิยามโดยตรงไม่ผ่านตัวกลาง และบัฟเฟอร์ปฐมภูมิที่ใช้สอบเทียบอิเล็กโทรดแก้วทั่วโลกก็กำหนดค่าด้วยอิเล็กโทรดนี้เอง
บีกเกอร์สามใบก่อนการวัดทุกครั้ง
อิเล็กโทรดแก้วเสื่อมตามอายุ จุดศูนย์และความชันจะเลื่อนไป ก่อนเริ่มงานจึงต้องตรวจเครื่องด้วยบัฟเฟอร์ที่ทราบค่า pH มักเป็น 4.01, 7.00 และ 10.01 ที่ 25 °C แล้วลากเส้นตรงใหม่จากค่าเหล่านั้น เครื่องที่ไม่ได้สอบเทียบเช่นนี้แสดงตัวเลขทศนิยมสองตำแหน่ง แต่ตำแหน่งที่สองเชื่อถือได้จนกว่าจะย้ายอิเล็กโทรดไปในสารละลายที่ไม่รู้จักเท่านั้น
05 · กฎการเขียน
สัญลักษณ์อยู่หน้าตัวเลข · ไม่มีหน่วย · ระบุอุณหภูมิตัวเลขตามหลังสัญลักษณ์ ไม่มีหน่วย
สัญลักษณ์ pH วางไว้หน้าตัวเลขเหมือนชื่อสเกล ไม่ใช่ตามหลังเหมือนหน่วย และข้างค่าที่แม่นยำต้องระบุอุณหภูมิที่ได้ค่านั้นมา
บรรทัดแรกทางขวาวางสัญลักษณ์ไว้หลังตัวเลข ราวกับ pH เป็นหน่วย บรรทัดที่สองเขียน P ตัวใหญ่ซึ่งไม่มีความหมายในเคมี บรรทัดที่สามใส่โมลต่อลิตรให้เลขชี้กำลัง ทั้งที่โมลมีอยู่ในความเข้มข้นเท่านั้น บรรทัดที่สี่แปลงลอการิทึมเป็นร้อยละ ทำให้การลดลง 0.3 ดูเล็กน้อย ทั้งที่ไอออนไฮโดรเจนลดลงครึ่งหนึ่ง บรรทัดที่ห้าเติม «หน่วย» ที่ไม่มีอยู่จริง และบรรทัดที่หกหาค่าเฉลี่ยของลอการิทึมในที่ที่ควรเฉลี่ยความเข้มข้น
06 · หน่วยข้างเคียง
ความเข้มข้น · ลอการิทึม · ปริมาณสารใต้ลอการิทึมของ pH คือความเข้มข้นเป็นโมลต่อลิตร ตัวลอการิทึมทำให้มันเป็นญาติกับเดซิเบล ซึ่งก็บีบหลายสิบอันดับขนาดลงในสเกลสั้น ๆ เช่นกัน และโมลยังเป็นหน่วย SI เดียวที่ทำให้ pH เชื่อมกับระบบได้เลย
คือความเข้มข้นที่นำมาหาลอการิทึม และใช้นับว่าเทกรดลงไปเท่าใด
เป็นลอการิทึมไร้มิติเช่นกัน แต่ของอัตราส่วนกำลังและคูณด้วยสิบ
ปริมาณสาร ซึ่งเป็นทางที่ pH เชื่อมกับระบบหน่วยระหว่างประเทศ
07 · ภาคประวัติ
คลังเอกสาร · จากโรงเบียร์สู่ IUPACศูนย์กลายเป็นสเกลได้อย่างไร
{title}
{text}
สี่ขั้นที่ใส่ในกระดาษแผ่นเดียวไม่ได้
ความสูงของแท่งคือความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจนในสเกลธรรมดาที่ไม่ใช่ลอการิทึม สำหรับ pH 1, 2, 3 และ 4 แต่ละแท่งต่ำกว่าแท่งก่อนหน้าสิบเท่า และแท่งที่สี่แทบมองไม่เห็นแล้ว กรอบไล่ผ่านทีละแท่ง
เซอเรนเซนไม่ได้เลือกลอการิทึมเพราะความสวยงาม แต่เพราะมิฉะนั้นปริมาณที่เขาทำงานด้วยจะไม่พอใส่ในกระดาษใดเลย เจ็ดขั้นจาก pH 1 ถึง pH 7 จะยืดสเกลเชิงเส้นออกไปสิบล้านเท่า
ปริมาณที่วัดไม่ได้หากไม่มีข้อตกลง
นิยามพูดถึงแอกทิวิตีของไอออนไฮโดรเจนตัวเดียว แต่อุณหพลศาสตร์วัดได้เพียงผลคูณแอกทิวิตีของไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน เพราะสารละลายเป็นกลางทางไฟฟ้าเสมอ และดึงไอออนตัวเดียวออกมาไม่ได้ ดังนั้นหากยึดนิยามอย่างเคร่งครัด ไม่มีเครื่องมือใดวัด pH ได้ ที่เข้าถึงได้มีเพียงปริมาณที่ไอออนคลอไรด์เข้ามาเกี่ยวพร้อมกับไฮโดรเจน
ช่องว่างนี้ปิดด้วยข้อตกลง: ตามธรรมเนียมเบตส์–กุกเกนไฮม์ สัมประสิทธิ์แอกทิวิตีของไอออนคลอไรด์คำนวณจากสูตรง่าย ๆ ของทฤษฎีสารละลาย จากนั้นเซลล์ฮาร์เน็ดที่มีอิเล็กโทรดไฮโดรเจนและอิเล็กโทรดเงิน–ซิลเวอร์คลอไรด์ โดยไม่มีรอยต่อของเหลว จะให้ค่า pH ปฐมภูมิของบัฟเฟอร์อ้างอิงจำนวนหนึ่ง การวัดอื่นทั้งหมดบนโลกอาศัยบัฟเฟอร์เหล่านี้ผ่านสายโซ่ของการสอบเทียบ
ดังนั้นในค่า pH ทุกค่า นอกจากการวัดแล้วยังมีข้อตกลงอยู่ด้วย และห้องปฏิบัติการสองแห่งที่ได้ค่าตรงกันถึงหนึ่งในร้อยของหน่วย ไม่ใช่เพราะวัดธรรมชาติเดียวกัน แต่เพราะใช้ธรรมเนียมเดียวกันและสอบเทียบกับบัฟเฟอร์ชุดเดียวกัน