pH

De danske kemikere Søren Sørensen og Johannes Brønsted fastlagde pH begrebet i trediverne ud fra vands selvionisering. En syre-base-reaktion er en kemisk reaktion mellem en syre og en base. Rent vand er en amfolyt, hvilket vil sige at vandmolekyler kan virke både som en syre og en base i en syre-base-reaktion og den vil også reagere med sig selv. Reaktionsskemaet for vands selvionisering er

$\rm{H}_{2}\rm{O} + \rm{H}_{2}\rm{O} \rightleftharpoons \rm{OH}^{-} + \rm{H}_{3}\rm{O}^{+}$ ,

som er en reaktion der forløber meget sjællent og det betyder at der hele tiden kun er få vandmolekyler der er omdannet til H₃O⁺ (oxonium) og OH^– (hydroxid).

pH værdien er defineret som

$\rm{pH} = - \rm{log}_{10} \left( \left[\rm{H}_{3}\rm{O}^{+} \right] \right)$ ,

hvor $\left[ \rm{H}_{3}\rm{O}^{+} \right]$ $\left( \left[ \rm{OH}^{-} \right]\right)$ er den aktuelle koncentration af oxonium (hydroxid). Oxonium dannes så snart en syre opløses i vand. Ved stuetemperatur betyder en pH på 7, at der er tale om en neutral vandig opløsning, mens højere og lavere pH indikerer hhv. basisk og sur som vist på pH skalaen som ses på figuren herunder.

Massevirkningsloven for vands selvionisering giver

$\left[ \rm{H}_{3}\rm{O}^{+} \right] \cdot \left[\rm{O}_{}\rm{H}^{-} \right] = K_{v}\left( T \right)$

hvor $K_{v}\left( T \right)$ er ligevægtskonstanten for reaktionen. H₂O er ikke inkluderet i massevirkningsloven da det er antaget at koncentrationen af vand ikke ændrer sig nævneværdigt under reaktionen og derfor gælder dette udtryk kun i fortyndede vandige opløsninger. Heldigvis foregår langt de fleste syre-base-reaktioner netop i fortyndede vandige opløsninger. Ligevægtskonstanten afhænger, som det ses på figuren, ganske svagt af temperaturen, men konventionelt fastlægger man pH værdien ved en temperatur på 25 °C.

I helt rent vand forventer man at H₃O⁺ og OH^– skabes i forholdet 1:1 og hvis man måler de tilhørende aktuelle koncentrationer finder man

$\left[\rm{H}_{3}\rm{O}^{+}\right] = \left[\rm{O}_{}\rm{H}^{-}\right] = 1,0 \cdot 10^{-7}~\rm{mol}/\rm{L}$ ,

Og derfor også $K_{v}\left( 25~^{\circ}\rm{C} \right) = 1,0 \cdot 10^{-14}~\rm{mol}^2/\rm{L}^2$ . I rent vand finder man derfor pH-værdien

$\rm{pH} = - \rm{log}_{10}\left( 1,0 \cdot 10^{-7} \right) = 7$ ,

og den maksimale værdi på pH skalaen fastsættes ved -log $_{10}$ ( $K_{v}$ ( $T$ ) ) for rent vand. Man finder derved at den maksimale pH værdi ved 25 °C bliver 14.

En pH definition som ikke kun gælder i vandige opløsninger er stadig et aktivt forskningsområde, og kendes ikke endnu.