PH

A pH (pondus hidrogenii, latinul potentia hydrogeni, hidrogénion-kitevő) dimenzió nélküli kémiai mennyiség, mely egy adott oldat kémhatását (savasságát vagy lúgosságát) jellemzi. Híg vizes oldatokban a pH egyenlő az oxóniumion-koncentráció tízes alapú logaritmusának ellentettjével.

vagy egyszerűbben:

(A hidrogénion (H+) a víz autoprotolízisével, vagy a savak ionizációjával keletkezik, de vizes közegben mindig hozzákapcsolódik egy vízmolekulához, és oxóniumion (H3O+) jön létre.)

A víz autoprotolízise, pH 
A víz autoprotolízise olyan egyensúlyi reakció, melynek során 10−7 mólnyi vízmolekula ad át protont egy másiknak (1 liter vízben, 25 °C-on):

 Erre az egyensúlyi reakcióra felírható a Kvíz egyensúlyi állandó:
Kvíz = [H3O+][OH−] = 10−7mol/dm³ · 10−7mol/dm³ = 10−14(mol/dm³)²
A szögletes zárójellel a megfelelő ionok moláris koncentrációját jelöljük, ennek szokásos mértékegysége: mol/dm³; az SI-mértékegység ezerszerese. 1 dm³ = 1 liter.

Ebből következik:

 tiszta vízben és semleges kémhatású oldatokban:
 [H3O+] = [OH−] = 10−7 mol/dm³
 pH = −lg10−7 = 7

 Savak és lúgok híg vizes oldatában az egyensúly eltolódik, de a kétféle ion moláris koncentrációjának szorzata (Kvíz) állandó marad:
 savas közegben megnő az oxóniumionok moláris koncentrációja:
- például egy erős savból készült 0,1 mol/dm³ koncentrációjú oldatban (25 °C-on):
[H3O+] = 10−1 mol/dm³
[OH−] = 10−13 mol/dm³
pH = −lg[H3O+] = −lg10−1 = 1
tehát [H3O+] > [OH−], vagyis [H3O+] > 10−7 mol/dm³.
  pH < 7

lúgos közegben lecsökken az oxóniumionok moláris koncentrációja:
- például egy erős lúgból készült 0,1 mol/dm³ koncentrációjú oldatban (25 °C-on):
[H3O+] = 10−13 mol/dm³
[OH−] = 10−1 mol/dm³
pH = −lg[H3O+] = −lg10−13 = 13
tehát [H3O+] < [OH−], vagyis [H3O+] < 10−7 mol/dm³.
 pH > 7

Összefoglalva: A tiszta víz pH-értéke 7, ennél kisebb pH-érték savasságot, nagyobb pH-érték pedig lúgosságot jelez.

Ugyanilyen gondolatmenet szerint ki lehet számítani a pOH-t is. Ennek változása ellentétes a pH változásával.

pH-értékek

pH-mérés 
A pH értéket indikátorokkal, vagy digitális pH-mérőkkel lehet meghatározni:

Pontos definíció 
A pH-ra a fenti képlet csak híg vizes oldatokban igaz. A pH valójában a hidrogénion-aktivitástól függ, ami töményebb oldatokban nem egyenlő a hidrogénion-koncentrációval. Tömény oldatok esetén a pH-t a hidrogénion-aktivitás segítségével fejezzük ki:

A képletben  a hidrogénion-aktivitás.
A hidrogénion-aktivitást a koncentrációból az aktivitási együttható (, vagy ) segítségével kaphatjuk meg. Az aktivitási együttható egy 0 és 1 közé eső viszonyszám, mely számos tényezőtől, köztük a hidrogénion-koncentrációtól függ.

Kis hidrogénion-koncentráció mellett az aktivitási együttható magas, értéke jó közelítéssel 1. Így híg oldatban a hidrogénion-koncentráció megegyezik a hidrogénion-aktivitással. A pH tehát közvetlenül számolható a koncentrációból.

A pH mértékegységéről 
A fenti képletek az ún. szabványos koncentráció mértékegységét tartalmazzák, amely az SI-egységnek ezredrésze: mol/dm³. Ebben további ellentmondás, hogy a koncentrációnál a nevezőben az egész oldat térfogata áll, míg a molalitásnál csak az oldószer tömege kerül a nevezőbe. A Green Book második kiadása egyenértékűként fogadta el kétféle mértékegységgel is (γ± az ionos aktivitási együttható az IUPAC dokumentumban; azonos a fent alkalmazott f jelű fizikai mennyiséggel) :

A törtvonal értelme e képletekben az, hogy a fizikai mennyiség értékét osztjuk a mértékegységével, így annak mérőszámát kapjuk. Aktuálisan ez azt jelentette, hogy a koncentráció és a molalitás mérőszáma azonos, máskülönben nem eredményezhetnének azonos pH-értéket. Ne felejtsük el azt sem, hogy a képletben nem a koncentráció SI-mértékegysége szerepel, hanem annak ezredrésze, aktuálisan: mol/dm³, ami sérti a mértékegységrendszer koherenciáját. A dokumentumok erre a problémára egy másik megoldást is adnak; definiálják a szabványos koncentráció fogalmát a következőképpen: 

A harmadik kiadás egyértelműen úgy határoz, hogy a hidrogénion-„koncentráció” mértékegységét a molalitás szabványos mértékegységében mért mérőszámból kell meghatározni. Ennek nagysága . (A vizes oldatok sűrűségének mérőszáma kg/dm³-ben az egyhez közeli érték.) Ebből következően a logaritmus függvény argumentuma 1 mértékegységű szám: , így teljesül az a feltétel, hogy logaritmust csak dimenziómentes mérőszámból szabad számítani. A dokumentum kitér arra is, hogy a molalitás jeléül nem helyes az m betűt használni, mert összetéveszthető a tömeg jelével. Ezért javasolja inkább a b betű használatát.

A Green Book harmadik kiadása a következőképpen határozza meg a pH-t:

Története 
A pH fogalmát Søren Peter Lauritz Sørensen (1868–1939) dán biokémikus vezette be, melyet ő még a vizes oldatbeli oxóniumion mol/dm³-ben kifejezett egyensúlyi koncentrációjával ([H3O+]) definiált:

Szobahőmérsékleten (kb. 22 °C-on) 1 dm³ vegytiszta víz, autoprotolízisének köszönhetően dinamikus egyensúlyban 10−7 mol hidrogéniont (H+ vagy H3O+) és – értelemszerűen – ugyanennyi hidroxidiont (OH−) tartalmaz:

Ekkor tehát Sørensen szerint a pH-értéke 7. Ez tekinthető a semleges kémhatásnak. Ennél kisebb pH-érték, vagyis a hidroxidionokhoz képest nagyobb hidrogénion koncentráció savasságot, nagyobb pH-érték pedig lúgosságot jelez.

Nem vizes oldatokban 
A pH fogalma jellegéből adódóan más egyéb autoprotolízisre hajlamos kémiai rendszerekre is kiterjeszthető. Például a vegytiszta etanol (C2H5OH) szobahőmérsékleten és ugyancsak dinamikus egyensúlyban 10−10 mol protonált és ugyanennyi deprotonált molekulát tartalmaz dm³-enként. Ekkor a semleges kémhatáshoz tartozó pH-érték 10.

Jegyzetek

Források 
 Acids, Bases and pH (A City University of New York honlapján)
 Activities of hydrogen ion  (A Stetson University honlapján)
 Kémhatás, pH
 https://web.archive.org/web/20090228061714/http://celebrate.digitalbrain.com/celebrate/community/celebrate/resources/Hungary/kemia/A%20kemhatas/home/
 https://web.archive.org/web/20101224102826/http://www.sulinet.hu/tart/fncikk/Kidb/0/24833/index.html
 http://termtud.akg.hu/okt/7/viz/9kemhatas.htm
 http://termtud.akg.hu/okt/7/viz/9kemhatas.htm
 Online pH calculator
 Viz pH teszt, YouTube

Kapcsolódó szócikkek 
 Sav-bázis elméletek
 Pufferoldat
 Savi disszociációs állandó
 IUPAC jelölésrendszer

Kémia
Anyagvizsgálatok