pH on happamuuden asteikko 0-14. Se kertoo, kuinka hapan tai emäksinen aine on. Happamilla liuoksilla on matalampi pH. Emäksisemmillä liuoksilla on korkeampi pH. Aineilla, jotka eivät ole happamia tai emäksisiä (eli neutraaleilla liuoksilla), on yleensä pH 7. Happojen pH on pienempi kuin 7. Emäksillä on pH, joka on suurempi kuin 7.

pH mittaa protonien (H+) pitoisuutta liuoksessa. S.P.L. Sørensen esitteli tämän käsitteen vuonna 1909. P tarkoittaa saksankielistä potenzia, joka tarkoittaa voimaa tai konsentraatiota, ja H vetyionia (H+).

Yleisin kaava pH:n laskemiseksi on:

pH = - log 10 [ H + ] {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{H}}^{+}\right]} {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[{\mbox{H}}^{+}\right]}

[H+] ilmaisee H+-ionien pitoisuuden (kirjoitetaan myös [H3O+], joka vastaa hydroniumionien pitoisuutta), mitattuna mooleina litrassa (tunnetaan myös nimellä molaarisuus).

Oikea yhtälö on kuitenkin itse asiassa:

pH = - log 10 [ a H + ] {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[a_{\mathrm {H^{+}} }\right]} {\displaystyle {\mbox{pH}}=-\log _{10}\left[a_{\mathrm {H^{+}} }\right]}

jossa a H + {\displaystyle a_{\mathrm {H^{+}} }} {\displaystyle a_{\mathrm {H^{+}} }}ilmaisee H+ -ionien aktiivisuuden. Tämä yhtälö antaa kuitenkin useimmissa tapauksissa saman arvon kuin yleisemmin käytetty kaava, joten kemian johdantokirjoissa pH:n määritelmänä käytetään edellistä yhtälöä.

Useimpien aineiden pH on välillä 0-14, mutta erittäin happamien tai emäksisten aineiden pH voi olla < 0 tai > 14.

Emäksisissä aineissa on vetyionien sijasta hydroksidi-ionien (OH-) pitoisuus.

Mitä pH tarkoittaa käytännössä?

pH kertoo, kuinka runsas vetyionien (H+) määrä liuoksessa on. pH on logaritminen asteikko: yhden pH-yksikön muutos vastaa kymmenkertaista muutosta H+-pitoisuudessa. Esimerkiksi pH 3 on kymmenen kertaa happamampi kuin pH 4 ja 100 kertaa happamampi kuin pH 5.

Esimerkkejä pH-arvoista

  • Vetyperoksidi- tai akkuhappo: hyvin matala pH (noin 0–1).
  • Ruuansulatusneste (mahahappo): noin pH 1–3.
  • Sitruuna- tai viinietikka: noin pH 2–3.
  • Puhdas vesi (25 °C): pH ~7 (neutraali).
  • Ihanteellinen veren pH: noin 7,35–7,45 (hiukan emäksinen).
  • Saippua- tai pesuliuokset: yleensä pH > 7.
  • Ammoniakkiliuos: usein pH 11–12 (emäksinen).

Miten pH lasketaan käytännössä?

Yksinkertainen laskuesimerkki:

  • Jos [H+] = 1,0 × 10–3 mol/l, niin pH = –log10(1,0 × 10–3) = 3.
  • Jos [H+] = 1,0 × 10–7 mol/l, niin pH = 7 (neutraali veden tapauksessa 25 °C).

Jos käytetään aktiviteettia aH+ laskussa, sama periaate pätee, mutta aH+ korjaa efektiivisen konsentraation huomioiden ionien vuorovaikutukset erityisesti väkevämmissä liuoksissa.

Veden autoionisaatio ja pOH

Vesi ionisoituu hieman: H2O ⇌ H+ + OH–. Tasapainovakio Kw = [H+][OH–]. 25 °C:ssa Kw on noin 1,0 × 10–14, mistä seuraa pH + pOH = 14 (kun logaritmi käytetään kantaluvulla 10). Tämä suhde riippuu lämpötilasta: korkeammassa lämpötilassa Kw kasvaa, jolloin neutraali pH (missä [H+] = [OH–]) ei ole tarkalleen 7.

Mittaustavat

  • pH-mittari (lasielektrodi) – tarkin tapa laboratorioissa ja kentällä, mittaa elektrodiin kohdistuvaa potensiaalieroa.
  • Indikaattorit – väri-indikaattorit tai universaali pH-paperi antavat suuntaa antavan arvion. Indikaattorit muuttavat väriään tietyn pH-alueen yli.
  • Potentiaalisuuteen perustuvat menetelmät – esimerkiksi ioniselektiiviset elektrodit muille ioneille, joista voidaan päätellä pH:tä epäsuorasti.

Käyttötarkoituksia ja merkitys

  • Kemian ja teollisuuden prosessien hallinta (esim. pesuaineet, kemialliset reaktiot).
  • Ympäristöseuranta (pintavesien happamuus, happamoituminen).
  • Eläin- ja kasvikunnan terveys (maaperän pH, verenkemia).
  • Ruoka- ja juomatuotanto (säilyvyys, maku ja mikrobiologia).

Turvallisuus

Erittäin matala (< 2) tai korkea (> 12) pH voi olla erittäin syövyttävä ja aiheuttaa vammoja kosketuksessa. Käytä sopivia suojavälineitä käsitellessäsi vahvasti happamia tai emäksisiä aineita.

Lyhyt yhteenveto

  • pH on logaritminen mitta H+-ionien määrälle liuoksessa: pH = –log10[H+] (tai tarkemmin –log10 aH+).
  • Arvo 7 on likimääräinen neutraali 25 °C:ssa, arvo < 7 on hapan ja > 7 emäksinen.
  • pH vaikuttaa kemiallisiin reaktioihin, biologisiin toimintoihin ja teollisiin prosesseihin.