pH:n matemaattis-kemiallinen tulkinta Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 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). [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 tislattu vesi, sylki, veri, shampoo 8,0 vesijohtovesi 9,0 pesusoodaliuos 10,0 pyykinpesujauheen vesiliuos 11,0 konetiskiaineen vesiliuos 12,0 uuninpuhdistusaine 13,0 NaOH-liuos, jonka c=0,1 mol/l 14,0 NaOH-liuos, jonka c=1 mol/l 15,0 NaOH-liuos, jonka c=10 mol/l

pH lasketaan kaavasta pH = -lg[H3O+] 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.