0到14之间的pH值与摩尔浓度

我们知道水是pH为7的中性溶液，另外，任何酸性溶液的pH都小于7，碱性溶液的pH大于7。然而，这些数字是什么或者它们想告诉我们什么？溶液的pH只能在0到14之间吗，还是有可能超出这个范围？

pH的计算

pH是用来确定一种物质是酸性或碱性的，并用来计算一种化学物质的强度。pH是一个从1到14的数字，对于大多数常见的化学物质，越接近表示越显中性。

7以下的值是酸度的指标，随着数值的减少而酸度增加，而7以上的值是碱度的指标，随着数值的增加而碱性增加。

值得注意的是，pH并不是线性的，换句话说，pH为3的酸，其强度不是pH为6的酸的两倍。

需要理解的一个重要区别是pH是一个对数刻度。pH的正式定义表明，pH只是在给定溶剂中氢离子活性的一种度量。

这里的活性表示它们的运动是自由的，只有当化学物质电离，从而将离子释放到溶液中时才有可能，而计算pH的公式是这样的: pH= -lg[H+]（氢离子，没法输入上标）。

这是一个以10为底的对数方程。在这个范围内，pH为3的物质的酸性是pH为4的物质的10倍，pH为5的物质的100倍。

同样，pH为9的物质的碱性是pH为8的物质的10倍，是pH为6的物质的碱性的1000倍。

图为：丹麦化学家索伦·佩德·劳里茨

pH中的p代表什么?

pH发现背后的故事非常有趣，pH的概念最初是由一位名叫索伦·佩德·劳里茨（Soren Peter Lauritz）的化学家提出的，他在丹麦哥本哈根的嘉士伯实验室工作。第一次提到这个词是这样的（pH），这个H是小p的下标，这里没法输入。

当H代表氢离子浓度时，整个概念就围绕着它旋转，而p的确切含义则备受争议。这个量表基本上是通过计算10的负幂来测量不同解之间的电位差。

这两个词——“力量（power）”和“潜力（potential）”——都以p开头，这三种语言(法语、德语和丹麦语)都是索伦使用并发表其研究成果的语言。

鉴于这种模糊性，p的意义仍然是化学领域最大的谜团之一，尽管对这个概念本身并不是很重要。

pH可以在0-14范围之外吗?

从理论上讲，pH范围应该从负无穷到正无穷。这种说法是根据它的定义，即物质的pH是氢离子浓度的负对数所定义的值。

然而，在标准实验室中能找到的大多数溶液pH都在0-14之间，这是因为，要达到pH低于0或高于14的水平，就分别需要非常强的酸性或碱性溶液。

根据摩尔浓度，饱和氢氧化钠溶液(NaOH)的pH应该是15。然而，由于水的存在，这种化学物质将不能完全溶解，因为水会阻碍大分子的溶解(分解)。

这反过来就会导致氢氧根离子(OH-)的释放下降，而氢氧根离子是一种能吸收氢离子的离子，可以增加溶液的pH。

pH可能为负吗?

pH为负绝对是可能的。实际上，任何酸的摩尔浓度大于1时，其pH为负。然而，一种酸的pH是否为负并不能在实验室中得到有效的验证。

为了更好地理解这一点，考虑一个12M的盐酸溶液(HCL)。这种化学物质的pH应该是-1.08，比标准pH高一个单位，但是我们不能用任何已知的仪器来测量它。

石蕊试纸(测量pH最常用的方法)只显示pH是高于还是低于7。因此，pH计是确定实际值所必需的。

然而，即使是pH玻璃电极在这种极端的测量中也会失败，原因是一种叫做酸误差的东西（因为酸度高，氢离子活度偏低，所以pH偏高，产生酸差。），这使得即使是这些非常先进的设备也会测量出高于真实值的pH。

即使我们提高这些工具的效率并达到完美(这似乎几乎是不可能的)，仍然有最后一个问题——有效浓度。

什么是有效浓度?

强酸在水中永远不会完全分解，并释放出使仪器仪表显示负值所需的氢离子。

强调这个问题的是氢离子的有效浓度，它总是低于真实浓度，因为在强酸和浓酸溶液中，单位酸中的水很少。

水有助于分解酸，在这个过程中释放氢离子，这是因为水是偶极分子，会产生净有效偶极运动。

然而，在没有水的情况下，酸分子不会像它们应该分解的那样分解，这使得基于它们的摩尔浓度，酸碱度比我们预期的要高得多。

图为：生活中的物质pH-来源网络

最后

总之，pH确实有可能超出常规的0-14范围。但由于仪器和溶液本身的各种限制，pH并不是一个有效的测量值。对于高浓度溶液的标签，必须直接使用浓度，如摩尔浓度。

从一个简单的角度来看，pH的作用是将极少量的氢离子浓度带到一个更直观的数值范围，但随着浓度的增加，这种做法失去了价值，反而会适得其反。

希望，随着时间的推移，会有一些修改，可以提高极端测量的效率和准确性。

毕竟，pH是化学世界中最有名和最有用的概念之一，在科学领域，准确性是至关重要的！