Skala pH – definicja

Skala pH to skala ilościowa definiująca kwasowość i zasadowość roztworów wodnych. Skala opiera się na aktywności molowej jonów hydroniowych [H3O+] w roztworach wodnych i wyliczana jest ze wzoru:

pH = –log[H3O+]

Skala pH została opracowana przez duńskiego biochemika Søren Sørensena w 1909 r. „P” w nazwie skali pochodzi od łacińskiego potentio, oznaczającego potęgę, natomiast „H” to oznaczenie atomu wodoru.

Skala obejmuje 15 stopni od 0 do 14, gdzie wartość 7 oznacza roztwór obojętny, 0 silnie kwasowy a 14 silnie zasadowy.

Do pełnego zrozumienia skali pH konieczne jest objaśnienie procesu autodysocjacji wody. Jest to reakcja samorzutna i przebiega zgodnie z równaniem:

2H2O ⇌ H3O+ + OH-

Jest to proces odwracalny, ze stałą równowagi silnie przesuniętą w stronę wody niezdysocjowanej. Stężenie jonów hydroniowych w czystej wodzie (w temp. 25°C) jest równe 10-7 mol/dm3, co oznacza, że jej pH wynosi:

pH = -log(10-7) = 7 – woda ma odczyn obojętny

W wodzie obecnych jest tyle samo jonów wodorotlenowych i  hydroniowych, natomiast w roztworach kwasowych lub zasadowych równowaga ta jest przesunięta, co wpływa wartość pH. Dodany do wody silny kwas np. HCl ulega dysocjacji:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-

W odróżnieniu od autodysocjacji wody, równowaga tej reakcji przesunięta jest bardzo silnie w stronę produktów, dlatego rozpuszczenie w wodzie silnego kwasu prowadzi do znacznego wzrostu stężenia (i aktywności molowej) jonów hydroniowych – stężenie kwasu solnego wynoszące 1 mol/dm3daje stężenie jonów H3O+ równe 1 mol/dm3. Obliczając wartość pH, uzyskuje się:

pH = -log(1) = 0

Analogiczna sytuacja ma miejsce w przypadku rozpuszczania silnych zasad, które dostarczają jonów wodorotlenowych - stężenie jonów H3O+ maleje (w stosunku do roztworu czystej wody), co prowadzi do wzrostu wartości pH powyżej 7.

Skala pH została pierwotnie stworzona dla roztworów rozcieńczonych i wykorzystywanie jej poza zakresem 0-14 może dawać nieprawidłowe wartości. Wynika to z faktu, że dla wysokich stężeń odczyn roztworów przestaje być logarytmiczną funkcją stężenia jonów hydroniowych. W praktyce przy określaniu odczynu roztworów o wysokich stężeniach nie korzysta się ze skali pH, a z wartości opartych na stałych równowagi autodysocjacji kwasów i zasad – pKa dla kwasów i pKb dla zasad, które są ujemnym logarytmem ze stałych równowagi danych związków.

Do wyznaczania pH roztworów wykorzystywane są wskaźniki kwasowości, czyli związki, które zmieniają kolor w zależności od pH roztworu. Wskaźnikami takimi są np. fenoloftaleina, lakmus, oranż metylowy, błękit bromotymolowy, czerwień metylenowa czy sok z czerwonej kapusty.