Độ pH

Độ pH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion H₃O⁺ (H) trong dung dịch và do đó là độ axit hoặc bazơ của nó. Trong các hệ dung dịch nước, hoạt độ của ion hiđrô được quyết định bởi hằng số điện li của nước (K_w) = 1,008 × 10 ở 25°C) và tương tác với các ion khác có trong dung dịch. Do hằng số điện li này, một dung dịch trung tính (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion hiđrôxít) có pH xấp xỉ 7. Các dung dịch nước có giá trị pH nhỏ hơn 7 được coi là có tính axit, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 được coi là có tính kiềm.

Khái niệm này được S.P.L. Sørensen (và Linderström-Lang) đưa ra vào năm 1909 và có nghĩa là 'pondus hydrogenii' ('độ hoạt động của hiđrô') trong tiếng Latinh. Tuy nhiên, các nguồn khác cho rằng tên gọi này bắt nguồn từ thuật ngữ tiếng Pháp 'pouvoir hydrogène'.

Định nghĩa

Mặc dù pH không có đơn vị đo, nhưng nó không phải là thang đo ngẫu nhiên; số đo này phát sinh từ định nghĩa dựa trên độ hoạt động của các ion hiđrô trong dung dịch.

Công thức để tính pH là:

$\text{Độ pH}=-<!--\; -\; -->\log <!--\; \; -->\left[{\text{H}}^{+}\right]$

[H] biểu thị hoạt độ của các ion H (hay chính xác hơn là [H₃O], tức các ion hiđrônium), được đo theo mol trên lít (còn gọi là phân tử gam). Trong các dung dịch loãng (như nước sông hay từ vòi nước) thì hoạt độ xấp xỉ bằng nồng độ của ion H.

Log₁₀ biểu thị lôgarit cơ số 10, và Độ pH vì thế được định nghĩa là thang đo lôgarít của tính axít. Ví dụ, dung dịch có Độ pH=8,2 sẽ có độ hoạt động [H] (nồng độ) là 10 mol/L, hay khoảng 6,31 × 10 mol/L; một dung dịch có hoạt độ của [H] là 4,5 × 10 mol/L sẽ có giá trị Độ pH là −log₁₀(4,5 × 10), hay khoảng 3,35.

Trong dung dịch nước ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (STP), giá trị Độ pH bằng 7 chỉ ra tính trung hòa (tức nước tinh khiết) do nước phân ly một cách tự nhiên thành các ion H và OH với nồng độ tương đương 1×10 mol/L. Một giá trị Độ pH thấp hơn (ví dụ Độ pH = 3) chỉ ra rằng độ axít đã tăng lên, và một giá trị Độ pH cao hơn (ví dụ Độ pH = 11) chỉ ra rằng độ kiềm đã tăng lên.

Độ pH trung hòa không chính xác là 7; điều này chỉ ngụ ý rằng nồng độ các ion H là chính xác là 1×10 mol/L. Tuy nhiên, các giá trị gần đúng cho Độ pH trung hòa là 7,00 đến ba chữ số có ý nghĩa nhất, đủ để coi nó là gần bằng 7. Trong các dung dịch không chứa nước hoặc ở điều kiện không tiêu chuẩn, giá trị Độ pH trung hòa có thể không gần với 7. Thay vào đó, nó phụ thuộc vào hằng số điện ly của dung môi cụ thể đang được sử dụng. (Chú ý rằng nước tinh khiết, khi tiếp xúc với không khí, sẽ hấp thụ một phần CO₂, một số CO₂ này sẽ phản ứng với nước tạo ra axit cacbonic, axit cacbonic phân ly để tạo ra H⁺, làm giảm Độ pH xuống khoảng 5,7).

Hầu hết các chất có Độ pH nằm trong khoảng từ 0 đến 14, mặc dù các chất cực axit hoặc cực kiềm có thể có Độ pH < 0 hoặc Độ pH > 14.

Đo lường

Độ pH có thể được đo bằng các cách sau:

• Bằng cách thêm chất chỉ thị pH vào dung dịch đang nghiên cứu. Màu sắc của chất chỉ thị sẽ thay đổi tùy thuộc vào Độ pH của dung dịch. Đối với việc sử dụng các chất chỉ thị, xác định tính chất có thể thực hiện bằng cách sử dụng các chất chỉ thị phổ biến có khoảng thay đổi màu rộng trên một khoảng Độ pH lớn và xác định lượng có thể thực hiện bằng cách sử dụng các chất chỉ thị có sự thay đổi màu mạnh trên một khoảng Độ pH nhỏ. Màu sắc của các chất chỉ thị Độ pH có thể được chia thành 14 thang bậc phổ biến như hình bên. Các phép đo cực kỳ chính xác có thể được thực hiện trên một khoảng Độ pH rộng bằng cách sử dụng các chất chỉ thị có nhiều trạng thái cân bằng (ví dụ NH₄I) kết hợp với các phương pháp phổ để xác định sự hiện diện tương đối của mỗi thành phần phụ thuộc vào Độ pH đã tạo ra màu của dung dịch.
• Bằng cách sử dụng máy đo Độ pH cùng với các điện cực pH có lựa chọn (điện cực thủy tinh pH, điện cực hiđrô, điện cực quinhiđrôn và nhiều loại khác).

Độ pH

Còn có khái niệm pOH, ngược lại với pH, đo nồng độ các ion OH. Vì nước tự ion hóa và ghi [OH] là nồng độ các ion hiđrôxít, chúng ta có

$K_w=\left[{\text{H}}^{+}\right]\left[{\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}\right]\approx <!--\; \approx \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->14}$ (*)(**)

K_w là hằng số ion hóa của nước.

Vì

${\log }_{10}<!--\; \; -->K_w={\log }_{10}<!--\; \; -->\left[{\text{H}}^{+}\right]+{\log }_{10}<!--\; \; -->\left[{\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}\right]$

bằng cách sử dụng phương trình logarit, chúng ta có mối quan hệ sau đây:

$-<!--\; -\; -->14={\log }_{10}<!--\; \; -->\left[{\text{H}}^{+}\right]+{\log }_{10}<!--\; \; -->\left[{\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}\right]$ (*)

và vì vậy:

$\text{pOH}=-<!--\; -\; -->{\log }_{10}<!--\; \; -->\left[{\text{OH}}^{-<!--\; -\; -->}\right]=14+{\log }_{10}<!--\; \; -->\left[{\text{H}}^{+}\right]=14-<!--\; -\; -->\text{pH}$ (*)

(*) Chỉ đúng ở nhiệt độ 298,15 K (25°C), phù hợp cho hầu hết các tính toán trong phòng thí nghiệm.

(**) $K_w=1,008\times <!--\; \times \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->14}$

Phép tính pH cho axit mạnh và axit yếu

Các giá trị pH cho axit yếu và mạnh có thể xấp xỉ được tính dựa trên các giả thiết nhất định.

Theo lý thuyết axit-base Brønsted-Lowry, sự mạnh yếu của axit chỉ là một khái niệm tương đối. Tuy nhiên, ở đây, axit mạnh được xác định là loại có tính axit mạnh hơn ion hiđrôni (H₃O). Trong trường hợp này, phản ứng phân ly (chặt chẽ như HX + H₂O↔H₃O+X, đơn giản hóa thành HX↔H+X) xảy ra hoàn toàn, tức là không còn axit chưa phản ứng trong dung dịch. Do đó, quá trình hòa tan của axit mạnh HCl trong nước có thể biểu thị như sau:

HCl(dd) → H + Cl

Điều này có ý nghĩa là trong dung dịch 0,01 mol/L của HCl, xấp xỉ có nồng độ 0,01 mol/L các ion hyđrô hòa tan. Từ đây, pH được tính như sau: pH = −log₁₀ [H]:

pH = −log (0,01)

Điều này tương đương với số 2.

Với các axit yếu, phản ứng phân li không diễn ra hoàn toàn. Sự cân bằng đạt được giữa các ion hyđrô và các ion gốc của bazơ. Dưới đây là minh họa cho sự cân bằng phản ứng của axit fomic và các ion tạo thành từ nó:

HCOOH(dd) ↔ H + HCOO

Để tính pH của mỗi axit, việc quan trọng là biết hằng số cân bằng của phản ứng. Trong ngữ cảnh của pH, hằng số này được gọi là hằng số axit (hay còn gọi là hằng số phân ly axit) và được tính theo công thức sau (xem cân bằng hóa học):

K_a = [ion hiđrô][ion axit] / [axit]

Đối với axit formic (HCOOH), K_a = 1,6 × 10 (có các giá trị khác cho K_a được công bố trong các tài liệu)

Trong tính toán pH của axit yếu, thường giả định rằng nước không cung cấp ion hiđrô. Điều này làm đơn giản hóa quá trình tính toán, với nồng độ cung cấp bởi nước là 1×10 mol, thường không đáng kể.

Với dung dịch axit formic 0,1 mol/L (HCOOH), hằng số axit tương đương là:

K_a = [H][HCOO] / [HCOOH]

Khi axit formic phân ly, lượng HCOOH ban đầu giảm đi 0,1 − x, trong khi [H] và [HCOO] tăng lên x. Điều này dẫn đến phương trình sau:

$1,6\times <!--\; \times \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->4}=\frac{x^2}{0,1-<!--\; -\; -->x}$

Giải phương trình này ta có x là 3,9×10, đây là nồng độ các ion hiđrô sau khi phân ly. Do đó, pH là −log(3,9×10), tương đương khoảng 2,4.

Chỉ thị

Chất chỉ thị được sử dụng để đo pH của các dung dịch hóa học khác nhau. Các chất chỉ thị phổ biến bao gồm giấy quỳ, phenolphthalein, thymol xanh brom và cam methyl.

SI

Năm 2002, một nhóm nghiên cứu của IUPAC đã đưa ra đề xuất để đưa pH vào hệ thống đơn vị đo lường quốc tế (SI).

Độ kiềm của đất

Độ acid, độ kiềm của đất được đo bằng độ pH. Đất thường có giá trị pH từ 3 đến 9. Dựa vào giá trị pH, đất được phân thành: đất acid (pH < 7), đất trung tính (pH = 7) và đất kiềm (pH > 7). Việc xác định độ acid, độ kiềm và đất trung tính là quan trọng để lập kế hoạch cải tạo và sử dụng đất.

Ngoài ra, nếu độ pH của đất quá cao đối với các loại đất canh tác thì sẽ gây tổn hại cho cây trồng.

Cây nhiệt đới là loài cây có thể trồng được trên đất trung tính.

Cây tỏi, hoa tulip và cây sung là những loại cây có thể trồng trên đất kiềm.

• Các lý thuyết về phản ứng axit-bazơ
• Axit
• Bazơ
• Muối
• Độ pH của đất
• Chuẩn độ
• Chất chỉ thị Quỳ tím

Chú thích

• D. K. Nordstrom, C. N. Alpers, C. J. Ptacek, D. W. Blowes (2000). 'Môi trường sống và Công nghệ' Khoa học môi trường 34 (2), 254–258. (Có sẵn trực tuyến: DOI | Bản tóm tắt | Toàn văn (HTML) | Toàn văn (PDF))

Liên kết ngoài

• Some Ka values
• Máy đo pH và Cảm biến
• Định nghĩa về pH Lưu trữ 2007-09-27 tại Wayback Machine by the Gold Book
• Bảng tính toán pH
• Đo độ pH - Định nghĩa, Tiêu chuẩn và Thủ tục – Báo cáo của Ban làm việc về pH, Đề xuất tạm thời IUPAC (một đề xuất để sửa đổi định nghĩa pH hiện tại của IUPAC năm 1985 và ISO 31-8 như đã mô tả ở trên)
• CO2SYS Lưu trữ 2011-10-14 tại Wayback Machine is a program for calculating the state of the carbonate system in seawater (including pH). CO2SYS is also available in a version for Microsoft Excel/VBA.
• Phần mềm giá trị pH cung cấp màu chỉ thị phổ quát tương ứng với một giá trị pH cụ thể