課本延長線–PH值怎麼來?

pH值怎麼來?一個實驗抓狂者的故事


升上國中二年級以後,自然課會教我們用pH 值判別酸鹼。低於7 是酸,高於7 是鹼,恰好等於7 則不酸不鹼,屬於中性。這個數值簡潔好用,但為什麼是7 呢?背後的故事是來自一個不堪其擾的可憐科學家。礙於篇幅,課本無法說清楚、講明白。今天我們就來說說pH 值的來龍去脈,讓你學化學時也學到有趣的人生故事。
石蕊試紙也無法解決的事

古代人是用嘴判斷土壤的酸鹼。17世紀,波以耳用「石蕊」汁塗在紙上烤乾,做出史上第一張「石蕊試紙」後,石蕊試紙就成為人們判讀酸鹼的重要工具。

如果用石蕊試劑測出溶液是「藍色」,人們只知道它是「鹼性」,但是有多鹼?說實話,根本難以判斷。而且用顏色判斷並不精確;甲看到的藍,跟乙看到的藍可能不大一樣,何況還有不少人是色弱甚至色盲呢!後來,有一個飽受困擾的化學家,在20世紀初發明了一個大受歡迎的解決辦法,那就是現在世界通用的「pH 值」,這位聰明的化學家就是來自丹麥的瑟倫.索任生(SØren Peder Lauritz)。

令人提心吊膽的酸鹼實驗

索任生本來是一個醫學系的大學生,後來轉攻化學,並拿到博士學位。他在哥本哈根的嘉士伯實驗室研究「氫離子」濃度對蛋白質酵素的影響,也就是研究蛋白質酵素在酸鹼溶液中到底會起什麼反應。

在做實驗時,索任生得非常小心,既不能太酸也不能太鹼,因為這樣會破壞蛋白質;但是又不能不夠酸或不夠鹼,因為這樣蛋白質可能根本不會產生變化。如果要蛋白質起作用,酸鹼濃度必須精確的落在特定的範圍內;只要超出這個範圍,整套實驗可能就毀了。
這種實驗在現代或許不成問題,但對當時的化學家來說,卻是一大考驗。資料顯示,「某某蛋白質只能在『這麼酸』的情況下,才能運作」,但「這麼酸」是多酸?如果只用酸鹼指示劑的顏色來判斷,要怎麼確定酸鹼值會正好落在「這麼酸」的一個小小範圍內呢?

氫離子濃度的小數太多了

就是這樣,索任生的實驗很容易失敗。後來有人找到用「電壓」測氫離子濃度的方法。但索任生的問題解決了,又冒出一個新的問題。

溶液裡的氫離子濃度往往非常非常小。比方說,純水的氫離子濃度是每公升0.0000001 莫耳,海水是0.00000001莫耳,通水管的清潔劑只有0.00000000000001……這麼多0 和小數點,不是會令人恍神看錯,就是會經常算錯。不信?給你三秒,比較一下「0.0000000000005」和「0.000000000002 」哪個大、哪個小?時間到!很累人,也很容易出錯,對不對?這些氫離子濃度實在太不容易看了,身為頭號受害者的索任生索性自力救濟,發明了一個簡單的替代方法,那就是我們現在廣泛使用的「pH 值」。索任生在筆記中寫到,pH 值就是氫離子的強度―power of hydrogenion(或是拉丁文的pondus hydrogenii)。

簡單的數學表示就是:[H+](即氫離子濃度)=10-pH如果要轉換成公式,其實就是拿氫離子濃度去取log 加負號,像這樣:pH 值= -log([H+])經過這樣轉換後的數字,倒是真的容易很多呢!讓我們來看看它的「before and after」,如下。
14 比0. 00000000000001 平易近人多了!而且從pH 值的定義來看,只要氫離子濃度越高,它的pH值就會越小,所以要比較酸鹼性也可直接用得出的pH 值來做比較,只要數字比較小的就是比較酸的。

1909年,索任生發表論文時,順便把他發明的pH 值概念公諸於世。他在文章中大力宣傳pH 值的「方便」(快速判斷酸鹼)、「準確」(馬上可以回推氫離子濃度)、「好用」(不被數字搞得頭昏眼花)。其他科學家的眼睛為之一亮,愛上這個簡單好用的數值。慢慢的,愈來愈多人追隨索任生的腳步,使pH 值漸漸成為國際間普遍使用的酸鹼指標,直到現在。「前人種樹,後人乘涼。」這也算是索任生大師帶給大家的一種小確幸吧!

中性水溶液pH值是7 為什麼不是6 或8 ?

pH 值等於7,代表水溶液呈中性,為什麼數值不是6 或是8 呢?

事實上, 水溶液為中性時,pH值不一定是7。因為pH = 7 代表水溶液中性,是在「常溫常壓」的狀態下, 也就是大約1 大氣壓、25℃的環境中。常溫常壓下,1 公升的水會有10-7 莫耳解離成氫離子和氫氧根離子;此時的氫離子濃度等於氫氧根離子濃度,所以呈中性,而且氫離子濃度為10-7M。所以取pH 值等於7,剛好代表中性。

但是,如果不在常溫常壓的狀態下,pH 值等於7,不一定代表中性。例如把溫度提高到100℃時,pH值大約6,才是中性。

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中學生報NO.330

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PH值怎麼來?

中學生報

2019/第330期