pH 值传感器

pH

关键词

酸度系数 · 酸碱萃取 · 酸碱理论 · 酸碱中和滴定 · 解离常数 · 缓冲溶液 · pH · 质子亲和力 · 两性物质 · 水的自耦电离 · 酸碱质子理论

酸

布伦斯惕酸 · 路易斯酸 · 无机酸 · 有机酸 · 弱酸 · 强酸 · 超强酸

碱

布伦斯惕碱 · 路易斯碱 · 非亲核碱 · 有机碱 · 弱碱 · 强碱 · 超强碱

pH ，亦成为 pH 值、氢离子浓度指数、酸碱度，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量指标。这个概念是 1909 年由丹麦生物化学家瑟伦·索伦森提出的。“pH” 中的 H 代表氢离子（H₊)，而 p 的来源则有几种说法。

第一种称 p 代表德语 potenz ，意思是力度、强度；第二种称 pH 代表拉丁文 pondushydrogenii ，即氢的量；第三种认为 p 只是索伦森随意算定的符号，因为他也用了 q 。现今的化学界把 p 加在无量纲量前面表示该量的负对数。

通常情况下（25℃、298.15K），当pH小于7的时候，溶液呈酸性，当pH大于7的时候，溶液呈碱性，当pH等于7的时候，溶液为中性。
pH允许小于0，如盐酸（10 mol/L）的pH为−1。同样，pH也允许大于14，如氢氧化钠（10 mol/L）的pH为15.00。

定义

pH 的计算公式如下：

$pH = -log_{10}[H^{+}] = log_{10} \frac{1}{H^+}$其中[H⁺]指的是溶液中氢离子的活度（有时也被写为[H₃O⁺]，水合氢离子活度），单位为摩尔／升，在稀溶液中，氢离子活度约等于氢离子的浓度，可以用氢离子浓度来进行近似计算。

在 25℃ 下，pH = 7的水溶液（如：纯水）为中性，这是因为水在 25℃ 下自然电离出的氢离子和氢氧根离子浓度的乘积（水的离子积常数）始终都是 1 × 10^-14 ，且两种离子的浓度都是 1 × 10^-7
mol/L 。pH 小于 7 说明 H⁺ 的浓度小于 OH^- 的浓度，故溶液碱性强。所以 pH 越小，溶液的酸性越强；反之 pH 越大，溶液的碱性程度也就越强。

在非水溶液或者非 25℃ 的条件下， pH = 7 可能并不代表溶液呈中性，这需要通过计算该溶剂在这种条件下的电离常数来决定 pH 为中性的值。如 373K（100℃）的温度下，水的离子积常数为 5.5 × 10^-13 ，即 pH 约为 6.13，此时为中性溶液。由于实际中的溶液不是理想溶液，所以仅仅用 H⁺ 浓度是不可以准确测量的，因此也无法准确计算得到溶液的 pH 。故而应当采用 H⁺ 活度，即：

$pH = -log_{10}[aH^{+}] = log_{10} \frac{1}{aH^+}$这样从理论上讲只要知道氢离子的活度 a(H⁺) 就可以得到溶液的准确 pH 。

于是人们给 pH 下了一个操作定义。对于溶液 X ，测量下列伽伏尼电池的电动势 Ex：

参比电极 | KCl浓溶液 || 溶液X | H2 | Pt

将未知 pH 的溶液 X 换成已知 pH 的溶液 S ，同样测量电池的电动势 Es。则：

$ pH(X) = pH(S) + \frac{(E_s - E_x)F}{RTln(10)} $

式中 F 为法拉第常数， R 为摩尔气体常数， T 为热力学温度。因此可以通过测定未知溶液与标准溶液的电动势就可以计算出未知溶液的 pH 。为此 IUPAC 规定了一些标准溶液的 pH 。

物质	pH	性质
盐酸（10 mol/L）	-1.00	酸性
盐酸（1 mol/L）	0.00
铅酸蓄电池的酸液	1.00
盐酸（0.08 mol/L）	1.15
胃酸	1.20
盐酸（0.01 mol/L）	2.00
柠檬汁	2.40
可乐	2.50
食醋	3.00
橙汁	3.20
苹果汁	3.50
啤酒	3.90
酸雨	4.50
咖啡	5.10
茶	5.70
牛奶	6.50
蒸馏水、氯化钠溶液	7.00	中性
人类血液	7.30~7.50	碱性
海水	8.00
洗手皂	8.90~10.10
家用氨水除垢剂	11.50
漂白水（次氯酸钠）	12.50
家用通渠剂	13.50
氢氧化钠（1 mol/L）	14.00
氢氧化钠（10 mol/L）	15.00
氢氧化钠（100 mol/L）	17.50

测量

有很多方法来测量溶液的 Ph ：

在待测溶液中加入 pH 指示剂，不同的指示剂根据不同的 pH 会变化颜色，根据指示剂的研究就可以确定 pH 的范围。滴定时，可以作精确的 pH 标准。此外，有多种 pH 指示剂配制而成的 pH 试剂。
使用 pH 试纸，pH 试纸有广泛试纸和精密试纸，用玻璃棒沾一点待测溶液到试纸上，然后根据试纸的颜色变化并对照色卡也可以得到溶液的 pH 。
pH试纸不能够显示出油份的pH，由于pH试纸以氢离子来量度待测溶液的pH，但油中没含有氢离子，因此pH试纸不能够显示出油份的pH。
使用pH计，pH计是一种测量溶液pH的仪器，它通过pH选择电极（如玻璃电极）来测量出溶液的pH。pH计可以精确到小数点后三位。

pOH

pOH（氢氧根离子浓度指数）是和 pH 相对应的表示溶液中氢氧根离子活度的概念，定义如下：

$ pOH = -log_{10}[OG^{-}] $

当在 298K（25℃）的时候，水的离子积 $ K_W = [H^+][OH_-] = 10^{-14} $ ，因为 $ lgK_{W} = lg[H^{+}] + lg[OG^{-}] $,所以此时 pOH = 14 - pH ，pH 和 pOH 之和为 14 。

应用

由pH的定义可知，pH 是衡量溶液酸碱性的尺度，在很多方面需要控制溶液的酸碱，这些地方都需要知道溶液的 pH ：

医学上：人体血液的 pH 通常在 7.35~7.45 之间，如果发生波动，就是病理现象。唾液的 pH 也用于判断病情。
化学和化工上：很多化学反应需要在特定的 pH 下进行，否则得不到所期望的产物。
农业上：很多植物有喜欢酸性土壤或碱性土壤的习性，例如茶的种植。控制土壤的 pH 可以使种植的植物上涨的更好。

传感器

pH 传感器，用来监测被测物中氢离子浓度转换成相应的模拟信号并输出的传感器。其通常由化学部份和信号传输部分构成。pH 传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测量。

工作原理

用氢离子玻璃电极与参比电极组成原电池，在玻璃膜与北侧溶液中氢离子进行离子交换的过程中，通过测量电极之间的电位差，来检测溶液中的氢离子浓度，从而测得被测液体的 pH 值。