氢离子浓度指数(hydrogen ion concentration),一般称为“pH”,由丹麦生物化学家Soren Peter Lauritz Sorensen在1909年提出。符号p来自德语Potenz,意思是“浓度”。H代表氢离子(hydrogen ion)[1] 。
为了便于理解和说明pH,首先阐述一下水的电离和水的离子积常数。
水的电离:水是一种极弱的电解质,可以发生微弱的电离,其电离方程式为 ,简写为 ,是一个吸热过程。水的电离是水分子与水分子之间的相互作用而引起的,因此极难发生,受温度影响,加酸、加碱都能抑制水的电离。实验测得,25℃时,1L纯水中只有 的水分子发生电离。由水分子电离出的H+和OH-数目在任何情况下总相等。25℃时,纯水中, 。 水的电离
水的离子积常数定义为 。其中,KW称作水的离子积常数,简称水的离子积;[H+]和[OH-]是分别是指整个溶液中氢离子和氢氧根离子的总物质的量浓度。KW只随温度变化而变化,是温度常数。譬如,25℃时,[H+]=[OH-]=1×10-7mol/L,KW=1×10-14;100℃时,[H+]=[OH-]=1×10-6mol/L,KW=1×10-12。
溶液酸性、中性或碱性的判断依据是:[H+]和[OH-]的浓度的相对大小。在任意温度时,溶液[H+]>[OH-]时呈酸性,[H+]=[OH-]时呈中性,[H+]<[OH-]时呈碱性。但是,当溶液中[H+]、[OH-]较小时,直接用[H+]、[OH-]的大小关系表示溶液酸碱性强弱就显得很不方便。为了免于用氢离子浓度负幂指数进行计算的繁琐,数学上定义pH为氢离子浓度(不带单位)的常用对数的相反数,即pH=-lg[ ]。在pH的计算中,[H+]指的是溶液中氢离子的物质的量浓度,单位为mol/L。在稀溶液中,氢离子活度约等于氢离子的浓度,可以用氢离子浓度来进行近似计算[1] 。
由于我们计算pH值的时候,氢离子浓度只代入数值,不代入单位,故pH为无量纲量,没有计量单位(也可以认为单位是“1”)。这里需要额外说明的是,不是任何一个量都有计量单位,像pH、pOH、化学平衡常数、电离平衡常数等,都没有计量单位。在计量学中,有一个惯例:如果某个量的定义式带有指数、对数、三角函数等超越函数的运算,则计算时通常只带数值,不带单位,因而,实际上也就不存在诸如 、 、 这样的单位。
目前有很多方法用于测定溶液的pH:
1.使用pH指示剂。在待测溶液中加入pH指示剂,不同的指示剂根据不同的pH会变化颜色,根据指示剂的研究就可以确定pH的范围。滴定时,可以作精确的pH标准。
2.使用pH试纸。pH试纸有广泛试纸和精密试纸,用玻璃棒蘸一点待测溶液到试纸上,然后根据试纸的颜色变化对照标准比色卡可以得到溶液的pH。pH试纸不能够显示出油份的pH,因为pH试纸以氢离子来量度待测溶液的pH,但油中没含有氢离子,因此pH试纸不能够显示出油份的pH。