Как рассчитать pH

Определение

pH = −log₁₀[H⁺], где [H⁺] — концентрация ионов водорода в моль/л. Каждая единица pH — это десятикратное изменение концентрации. При 25 °C pH + pOH = 14.

Сильные кислоты и основания

Сильные кислоты, например HCl, диссоциируют полностью, поэтому [H⁺] равна концентрации кислоты. У 0,01 M HCl pH = −log(0,01) = 2,00. Для сильного основания найдите pOH по [OH⁻] и вычтите его из 14: у 0,01 M NaOH pOH 2 и pH 12.

Слабые кислоты

Слабая кислота диссоциирует лишь частично, в соответствии с константой кислотности K_a. Если кислота не слишком разбавлена, [H⁺] ≈ √(K_a × C). Для 0,1 M уксусной кислоты с pK_a 4,76: √(10^−4,76 × 0,1) = 1,3 × 10⁻³ M, так что pH около 2,9.

Буферы

Буфер — это слабая кислота вместе с сопряжённым основанием. Его pH даёт уравнение Гендерсона — Хассельбаха: pH = pK_a + log([A⁻] ÷ [HA]). Для ацетатного буфера с pH 5,0 соотношение основания и кислоты — 10^{5,0 − 4,76} = 1,74. Буфер лучше всего работает в пределах примерно 1 единицы от своего pK_a.

Калькуляторы

Калькулятор pH работает с [H⁺], pOH, [OH⁻] и сильными или слабыми кислотами и основаниями. Калькулятор буферов даёт соотношение и количества кислоты и основания для буфера заданной концентрации и объёма.

Ещё разобранные примеры

• Смешивание кислоты и щёлочи. 50 мл 0,1 M HCl с 25 мл 0,1 M NaOH: 5,0 ммоль кислоты минус 2,5 ммоль щёлочи оставляют 2,5 ммоль кислоты в 75 мл, 0,0333 M. pH = −lg(0,0333) = 1,48.
• Слабое основание. 0,1 M аммиак, pKb 4,75: [OH−] ≈ √(10^−4,75 × 0,1) = 1,3 × 10⁻³ M, pOH 2,88, так что pH около 11,1.
• Очень разбавленная кислота. 10⁻⁸ M HCl — это не pH 8. Сама вода даёт 10⁻⁷ M H+, что перевешивает кислоту, так что pH около 6,98, чуть ниже нейтрального.

Температура

pH + pOH = 14 верно только при 25 °C. При 37 °C сумма около 13,6, так что у нейтральной воды pH около 6,8. Она всё равно нейтральна, потому что [H+] по-прежнему равно [OH−].

Частые ошибки

• Забыть о разбавлении после смешивания. Концентрации меняются, когда два раствора соединяются. Считайте в молях, затем делите на общий объём.
• Миллимоли в логарифме. Сначала переведите в моль/л. 1 мМ — это 10⁻³ M, pH 3 для сильной кислоты, а не −lg(1) = 0.
• Некалиброванный прибор. Калибруйте pH-метр хотя бы по двум буферам, охватывающим ожидаемое значение, например pH 4 и 7 для кислых образцов.