pH는 용액이 얼마나 산성인지 염기성인지를 나타내는 척도입니다. 첫 번째 원리로부터 이를 계산하는 방법을 이해하는 것은 화학, 생물학, 의학 및 환경 과학의 기본입니다.
pH 공식
pH는 수소 이온 농도의 음의 기본 10 로그로 정의됩니다.
pH = −log₁₀[H⁺]
여기서 [H⁺]는 리터당 몰(mol/L 또는 M) 단위의 수소 이온 농도입니다.
예 1: [H⁺] = 0.001M(10⁻³ M):
- pH = −log(0.001) = −(−3) = 3 (산성)
예 2: [H⁺] = 1 × 10⁻7 M(순수):
- pH = −log(10⁻⁷) = 7 (중성)
예 3: [H⁺] = 1 × 10⁻¹¹ M:
- pH = 11(염기성/알칼리성)
pH 척도
| pH | 분류 | 예 |
|---|---|---|
| 0~2 | 강산성 | 배터리산, 위산(1~2) |
| 3~4 | 산성 | 식초(2.4), 오렌지주스(3.5) |
| 5~6 | 약산성 | 블랙커피(5), 빗물(5.6) |
| 7 | 중립적 | 순수한 물 |
| 8~9 | 약간 기본적인 | 바닷물(8), 베이킹소다(8.3) |
| 10~12 | 기초적인 | 마그네시아 우유 (10.5) |
| 13~14 | 매우 기본적인 | 표백제(12.5), 배수구 클리너(14) |
pH에서 [H⁺] 계산하기
역 계산 - pH에서 이온 농도 찾기:
[H⁺] = 10^(−pH)
예: pH = 4.5:
- [H⁺] = 10^(−4.5) = 3.16 × 10⁻⁵ mol/L
pH와 pOH의 관계
25°C의 수용액에서:
pH + pOH = 14
pOH = −log₁₀[OH⁻]
수소 이온 대신 수산화물 이온 농도를 알고 있는 경우:
예: [OH⁻] = 1 × 10⁻³ M:
- pOH = −log(10⁻³) = 3
- pH = 14 − 3 = 11(기본)
강산의 pH 계산
강산(HCl, HNO₃, H2SO₄)은 물에서 완전히 해리됩니다.
[H⁺] = Concentration of acid (for monoprotic acids)
pH = −log[acid concentration]
예: 0.05M HCl:
- [H⁺] = 0.05M
- pH = -log(0.05) = 1.30
H2SO₄(이양성자성)의 경우: [H⁺] = 2 × [H2SO₄]
약산의 pH 계산(Ka 사용)
약산은 부분적으로 해리됩니다. 산 해리 상수 Ka를 사용하십시오.
[H⁺] = √(Ka × C)
pH = −log(√(Ka × C)) = ½ × (pKa − log C)
여기서 C = 초기 산 농도, Ka = 해리 상수.
예: 0.1M 아세트산(Ka = 1.8 × 10⁻⁵):
- [H⁺] = √(1.8 × 10⁻⁵ × 0.1) = √(1.8 × 10⁻⁶) = 1.34 × 10⁻³
- pH = −log(1.34 × 10⁻³) = 2.87
(강산과 비교: 0.1M HCl의 pH = 1.0 - 훨씬 더 산성임)
강염기의 pH 계산
강염기(NaOH, KOH)는 완전히 해리됩니다.
[OH⁻] = concentration of base
pOH = −log[OH⁻]
pH = 14 − pOH
예: 0.02M NaOH:
- pOH = -log(0.02) = 1.70
- pH = 14 − 1.70 = 12.30
버퍼 솔루션
완충액은 pH 변화에 저항합니다. Henderson-Hasselbalch 방정식은 완충액 pH를 계산합니다.
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
여기서 [A⁻] = 짝염기 농도, [HA] = 약산 농도.
예: 아세트산/아세트산 완충액, pKa = 4.74, 동일 농도:
- pH = 4.74 + log(1) = 4.74 + 0 = 4.74
버퍼는 pKa의 ±1 pH 단위 내에서 가장 잘 작동합니다.
실제 적용
혈액 pH: 중탄산염 완충을 통해 7.35~7.45로 유지됩니다. 7.35 미만 = 산증; 7.45 이상 = 알칼리증.
수영장: 최적 pH 7.2~7.8. 7.0 미만에서는 눈을 자극하고 장비를 부식시킵니다. 7.8 이상이면 염소 효과가 감소합니다.
토양 pH: 영양분 가용성에 영향을 미칩니다. 대부분의 식물은 6.0-7.0에서 번성합니다. 블루베리는 4.5~5.5를 선호합니다.
pH 및 pOH 계산을 위한 -log 값을 빠르게 계산하려면 로그 계산기를 사용하세요.