pH — это численная мера кислотности или щёлочности водных растворов, определяемая как отрицательный десятичный логарифм активности ионов водорода: pH = −log10 a(H+). Низкие значения pH указывают на кислую среду, высокие — на щёлочную, а при 25 °C нейтральная среда соответствует pH ≈ 7.
Шкала pH и примеры из повседневной жизни 🧪
| pH | Тип среды | Пример | Комментарий |
|---|---|---|---|
| 0–1 | Сильнокислая | Акумуляторная кислота 🔋 | Коррозионно-активная, опасна |
| 2 | Кислая | Лимонный сок 🍋 | Характерная кислая реакция |
| 3 | Кислая | Газировка, уксус 🥤 | Пищевые кислоты |
| 4–5 | Слабокислая | Кофе, чёрный чай ☕ | Мягкая кислинка |
| 6 | Слабокислая | Молоко 🥛 | Близко к нейтральному |
| 7 | Нейтральная | Дистиллированная вода 💧 | При 25 °C условная нейтральность |
| 7.4 | Слабощёлочная | Кровь человека 🩸 | Физиологическая норма 7.35–7.45 |
| 8–9 | Слабощёлочная | Морская вода 🌊, сода | Умеренная щёлочность |
| 10–11 | Щёлочная | Раствор аммиака 🧼 | Скользкость на ощупь |
| 12–14 | Сильнощёлочная | Отбеливатель, щёлочь 🧴 | Едкая, опасна |
Теоретические основы
Шкала pH логарифмическая, поэтому изменение pH на 1 единицу соответствует изменению активности H+ примерно в 10 раз. Это означает, что раствор с pH 4 в десять раз «кислее», чем pH 5. В чистой воде происходит автопротолиз (самоионизация): H2O ⇌ H+ + OH−, и при 25 °C ионное произведение воды Kw ≈ 1×10^-14, так что pH + pOH = 14. Впрочем, это соотношение зависит от температуры и ионной силы раствора.
Формально pH строится на активности, а не просто на концентрации иона H+, что важно для концентрированных растворов и сильных электролитов. В очень концентрированных кислотах возможно pH < 0, а в концентрированных основаниях — pH > 14, хотя в быту часто оперируют диапазоном 0–14.
Нейтральность определяется равенством активностей H+ и OH−, поэтому при нагреве нейтральный pH смещается ниже 7. Нейтральная точка — не фиксированное «7», а функция температуры.
Как измеряют pH 🧫
- Индикаторные бумаги и универсальные индикаторы: быстрые и дешёвые, но точность обычно ±0.5 pH; подходят для ориентировочных измерений в быту и учебных опытах.
- Стеклянный электрод (pH-метр): лабораторный стандарт с точностью до ±0.01–0.05 pH; требует калибровки буферами (pH 4.01, 7.00, 10.01), ухода за электродом и температурной компенсации.
- Оптические/флуоресцентные индикаторы: применяются в биологии и микрофлюидики; позволяют картировать pH в микрообъёмах.
- Полевые тест-наборы для аквариумов, бассейнов и почвы: удобны на практике, точность зависит от бренда и условий хранения реагентов.
Расчёты и буферные системы
Для сильных кислот/оснований при разбавлении pH можно приблизить из молярной концентрации (учитывая полное диссоциирование). Для слабых кислот и оснований используют постоянные диссоциации Ka/Kb и приближённые формулы. В буферных системах полезно уравнение Хендерсона — Хассельбалха: pH ≈ pKa + log10([основание]/[кислота]). Буферы поддерживают pH при добавлении умеренных количеств кислоты/щёлочи; их эффективность характеризуют ёмкость буфера, максимум которой в районе pH ≈ pKa.
Типичные лабораторные буферы: ацетатный (около pH 4–5), фосфатный (pH 6–8), ТРИС (около pH 8–9). В биохимии поддержание pH критично для активности ферментов, сворачивания белков и стабильности нуклеиновых кислот.
Практическое значение 🌿
Качество воды: для питьевой воды обычно рекомендуют pH 6.5–8.5; отклонения влияют на вкус, коррозию труб и эффективность дезинфекции. В бассейнах держат pH ~7.2–7.6 для комфорта кожи и эффективности хлора.
Почвы и сельское хозяйство: pH определяет доступность питательных элементов; кислая почва (pH < 5.5) может фиксировать фосфаты и повышать токсичность Al/Fe, щёлочная — вызывать дефицит Fe, Mn, Zn. Коррекция: известкование повышает pH, внесение серы/кислых удобрений — снижает.
Пищевая промышленность: ферментация, консервация (уксус, молочнокислые бактерии) и безопасность продуктов тесно связаны с pH. Косметика и кожа: кислотная мантия кожи ~pH 4.7; слишком щёлочные моющие средства нарушают барьер.
Медицина: артериальная кровь поддерживается в узком диапазоне 7.35–7.45; сдвиги приводят к ацидозу или алкалозу и требуют диагностики причин (дыхательных или метаболических).
Частые ошибки и мифы
- Считать, что «pH 7 всегда нейтральный». На самом деле точка нейтральности зависит от температуры; при 37 °C нейтральный pH ниже 7.
- Путать логарифмическую и линейную шкалы. Сдвиг на 2 единицы pH — это 100-кратное изменение активности H+.
- Игнорировать роль ионной силы и активности. В концентрированных растворах расчёты по «чистой» концентрации дают ощутимые ошибки.
Помните о безопасности: концентрированные кислоты и щёлочи вызывают химические ожоги; всегда добавляйте кислоту в воду, а не наоборот, используйте перчатки и защитные очки.
Контроль pH — ключ к управлению реакциями, стабильностью материалов и биологическими процессами.
FAQ по смежным темам
Что такое pOH и как он связан с pH?
pOH — это −log10 a(OH−). В разбавленных водных растворах при 25 °C выполняется pH + pOH = 14. При других температурах сумма меняется вслед за Kw.
Почему pH чистой воды может быть не равен 7?
Из-за растворённого CO2 (образует угольную кислоту) pH падает до ~5.6 на воздухе. Также на нейтральную точку влияет температура и загрязнения.
Можно ли измерить pH смартфоном?
Камера смартфона с индикаторной бумагой и цветовой калибровкой даёт грубую оценку. Для точности используйте калиброванный pH-метр со стеклянным электродом.
Чем активность H+ отличается от концентрации?
Активность учитывает межионные взаимодействия в растворе (коэффициент активности). В разбавленных растворах a ≈ c, в концентрированных — существенно отличается.
Что такое щёлочь и чем она отличается от «основания»?
Основание — вещество, способное принимать протон (по Бренстеду). Щёлочи — растворимые сильные основания (обычно гидроксиды щелочных/щелочноземельных металлов), дающие высокое pH.
Как pH почвы влияет на растения?
Он регулирует доступность питательных элементов и активность микробиоты. Большинство культур предпочитает pH 6.0–7.0; голубика и рододендроны — более кислую почву.
