pH - це міра того, наскільки кислим або основним є розчин. Розуміння того, як його обчислити з перших принципів, є фундаментальним для хімії, біології, медицини та науки про навколишнє середовище.
Формула pH
pH визначається як від’ємний логарифм концентрації іонів водню за основою 10:
pH = −log₁₀[H⁺]
Де [H⁺] – це концентрація іонів водню в молях на літр (моль/л або М).
Приклад 1: [H⁺] = 0,001 М (10⁻³ М):
- pH = −log(0,001) = −(−3) = 3 (кислий)
Приклад 2: [H⁺] = 1 × 10⁻⁷ M (чиста вода):
- pH = −log(10⁻⁷) = 7 (нейтральний)
Приклад 3: [H⁺] = 1 × 10⁻¹¹ M:
- pH = 11 (основний/лужний)
Шкала pH
| pH | Класифікація | приклад |
|---|---|---|
| 0–2 | Сильно кислий | Акумуляторна кислота, шлункова кислота (1–2) |
| 3–4 | кислий | Оцет (2,4), апельсиновий сік (3,5) |
| 5–6 | Злегка кислий | Чорна кава (5), дощова вода (5,6) |
| 7 | Нейтральний | Чиста вода |
| 8–9 | М'яко базовий | Морська вода (8), харчова сода (8,3) |
| 10–12 | Базовий | Магнезіальне молоко (10,5) |
| 13–14 | Сильно базовий | Відбілювач (12,5), очисник каналізації (14) |
Розрахунок [H⁺] за pH
Зворотний розрахунок — знаходження концентрації іонів за pH:
[H⁺] = 10^(−pH)
Приклад: pH = 4,5:
- [H⁺] = 10^(−4,5) = 3,16 × 10⁻⁵ моль/л
Зв'язок між pH і pOH
У водних розчинах при 25°C:
pH + pOH = 14
pOH = −log₁₀[OH⁻]
Якщо вам відома концентрація гідроксид-іонів замість іонів водню:
Приклад: [OH⁻] = 1 × 10⁻³ M:
- pOH = −log(10⁻³) = 3
- pH = 14 − 3 = 11 (базовий)
Розрахунок рН сильних кислот
Сильні кислоти (HCl, HNO₃, H₂SO₄) повністю дисоціюють у воді:
[H⁺] = Concentration of acid (for monoprotic acids)
pH = −log[acid concentration]
Приклад: 0,05 М HCl:
- [H⁺] = 0,05 М
- pH = −log(0,05) = 1,30
Для H₂SO₄ (дипротонний): [H⁺] = 2 × [H₂SO₄]
Обчислення pH слабких кислот (за допомогою Ka)
Слабкі кислоти частково дисоціюють. Використовуйте константу кислотної дисоціації Ka:
[H⁺] = √(Ka × C)
pH = −log(√(Ka × C)) = ½ × (pKa − log C)
Де C = початкова концентрація кислоти, Ka = константа дисоціації.
Приклад: 0,1 М оцтова кислота (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
(Порівняно з сильною кислотою: 0,1 М HCl матиме pH = 1,0 — набагато кисліший)
Розрахунок pH сильних основ
Сильні основи (NaOH, KOH) повністю дисоціюють:
[OH⁻] = concentration of base
pOH = −log[OH⁻]
pH = 14 − pOH
Приклад: 0,02 М NaOH:
- pOH = −log(0,02) = 1,70
- pH = 14 − 1,70 = 12,30
Буферні розчини
Буфер протистоїть зміні pH. Рівняння Хендерсона-Гассельбалха розраховує pH буфера:
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
Де [A⁻] = концентрація сполученої основи, [HA] = концентрація слабкої кислоти.
Приклад: Оцтова кислота/ацетатний буфер, pKa = 4,74, рівні концентрації:
- pH = 4,74 + log(1) = 4,74 + 0 = 4,74
Буфери найкраще працюють у межах ±1 одиниці pH від pKa.
Практичні застосування
РН крові: Підтримується на рівні 7,35–7,45 за допомогою бікарбонатного буфера. Нижче 7,35 = ацидоз; вище 7,45 = алкалоз.
Плавальні басейни: Оптимальний pH 7,2–7,8. Нижче 7,0 подразнює очі та роз'їдає обладнання; вище 7,8 знижує ефективність хлору.
**pH ґрунту: ** впливає на доступність поживних речовин. Більшість рослин процвітають при 6,0–7,0; лохина воліє 4,5–5,5.
Використовуйте наш калькулятор логарифмів, щоб швидко обчислити значення −log для розрахунків рН і рОН.