pH:n matemaattis-kemiallinen tulkinta

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Kari SormunenKevät 2012

Jotta voisimme ymmärtää vesiliuoksen happamuutta kuvaavaa pH-arvoa (vrt. kemian 4. harjoitukset), on meidän tutustuttava tarkemmin pH:n käsitteeseen.

Vesiliuoksesta mitattu pH-arvo kuvaa liuoksen happamuutta tai emäksisyyttä. Liuoksen happamuuden aiheuttavat oksonium- eli H3O+-ionit ja toisaalta emäksisyyden vastaavasti hydroksidi- eli OH--ionit (vrt. edelliset luentodiat reaktiotyypeistä, kohta 4).

Liuoksen pH-arvo voidaan laskea, kun tiedetään liuoksen oksonium-ionipitoisuus, jota merkitään [H3O+]:lla. Se siis kertoo kuinka paljon kyseisiä ioneja on suhteessa koko vesimäärään. Ks. taulukko 1.

Taulukko 1: Liuoksen pH-arvon yhteys oksoniumioni- ja hydroksidi-ionikonsentraatioon (+25 oC).

pH[H3O

+] [OH-] Esimerkkejä

-1,0 1*101 1*10-15 HCl-liuos, jonka c=10 mol/l

0,0 1*100 1*10-14 HCl-liuos, jonka c=1 mol/l

1,0 1*10-1 1*10-13 mahaneste, kalkinpoistoliuos

2,0 1*10-2 1*10-12 kolajuoma

3,0 1*10-3 1*10-11 sitruunamehu

4,0 1*10-4 1*10-10 piimä, appelsiinimehu

5,0 1*10-5 1*10-9 hunaja, kivennäisvesi, kahvi, tee

6,0 1*10-6 1*10-8 maito, kosteusvoide

7,0 1*10-7 1*10-7 tislattu vesi, sylki, veri, shampoo

8,0 1*10-8 1*10-6 vesijohtovesi

9,0 1*10-9 1*10-5 pesusoodaliuos

10,0 1*10-10 1*10-4 pyykinpesujauheen vesiliuos

11,0 1*10-11 1*10-3 konetiskiaineen vesiliuos

12,0 1*10-12 1*10-2 uuninpuhdistusaine

13,0 1*10-13 1*10-1 NaOH-liuos, jonka c=0,1 mol/l

14,0 1*10-14 1*100 NaOH-liuos, jonka c=1 mol/l

15,0 1*10-15 1*101 NaOH-liuos, jonka c=10 mol/l

Kysymys on siis em. Ionien pitoisuuksista ja niiden keskinäisestä suhteesta vesimolekyylien määrään. Katsotaan simulaatio: http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=pH_Scale

pH lasketaan kaavasta pH = -lg[H3O+] Esimerkkejä pH-arvon ja oksoniumioni-pitoisuuksien välisestä

riippuvuudesta em. taulukossa: Tarkasteltava aine 1:

Tarkasteltava aine 2:

Tarkasteltava aine 3:

Eo. taulukosta nähdään, että (täydennä =, > tai < sopiviin kohtiin):

neutraalissa vesiliuoksessa [H3O+] __ [OH-] ja pH __ 7

happamassa vesiliuoksessa [H3O+] __ [OH-] ja pH __ 7

emäksisessä vesiliuoksessa [H3O+] __ [OH-] ja pH __ 7.

Määritelmänsä mukaan pH-asteikko on logaritminen: Kun liuoksen oksonium-ionien konsentraatio esimerkiksi kymmenkertaistuu, pH-arvo pienenee yhden yksikön verran. Kun taas hydroksidi-ionien konsentraatio tulee esimerkiksi satakertaiseksi, pH-arvo kasvaa kaksi yksikköä.