מחשבון pH: המרת ריכוז יוני מימן לערך pH באופן מקוון

מהו מחשבון ערך pH?

מחשבון ערך pH ממיר ריכוז יוני מימן לערך pH. הוא משתמש בנוסחה pH = -log10([H+]), כאשר [H+] הוא ריכוז יוני המימן בתמיסה, הנמדד במולים לליטר (mol/L). התוצאה ממקמת את התמיסה בסולם ה-pH, שנע בדרך כלל מ-0 עד 14 ומראה אם התמיסה חומצית, ניטרלית או בסיסית.

מהו pH?

pH הוא קיצור של "עוצמת המימן". הוא מודד כמה יוני מימן מומסים בנוזל. יון מימן הוא פרוטון יחיד, הנכתב H+. תמיסה המכילה יוני מימן רבים היא חומצית. תמיסה המכילה מעט יוני מימן היא בסיסית, ונקראת גם אלקלית. מים טהורים נמצאים באמצע, ב-pH של 7, ונחשבים ניטרליים.

ריכוז יוני המימן הוא בדרך כלל מספר קטן מאוד, כגון 0.0001 mol/L או 0.0000001 mol/L. הכימאי הדני סרן סורנסן הציג את סולם ה-pH בשנת 1909, כדי שכימאים יוכלו לכתוב את המספרים הקטנים האלה כערכים פשוטים ונוחים יותר.

נוסחת pH

הנוסחה לחישוב pH היא:

pH = -log₁₀[H+]

• pH הוא התוצאה, בדרך כלל מספר בין 0 ל-14.
• [H+] הוא ריכוז יוני המימן, במולים לליטר (mol/L).
• log₁₀ הוא לוגריתם בבסיס 10.

IUPAC מגדיר pH על פי הפעילות של יוני המימן ולא על פי הריכוז שלהם. פעילות היא הריכוז האפקטיבי לאחר שמביאים בחשבון את ההשפעה ההדדית בין היונים. בתמיסות מהולות שני הערכים קרובים, ומחשבון זה משתמש בריכוז.

סימן המינוס הופך את הלוגריתם, ולכן יותר יוני מימן נותנים pH נמוך יותר, ופחות יוני מימן נותנים pH גבוה יותר. הקשר תמיד פועל בכיוונים מנוגדים: [H+] גבוה יותר פירושו pH נמוך יותר, ו-[H+] נמוך יותר פירושו pH גבוה יותר.

מכיוון שהנוסחה היא לוגריתמית, כל עלייה של יחידה שלמה בסולם ה-pH מייצגת שינוי של פי עשרה בריכוז יוני המימן. בתמיסה בעלת pH 4 יש פי עשרה יותר יוני מימן מאשר בתמיסה בעלת pH 5, ופי מאה יותר מאשר בתמיסה בעלת pH 6.

כיצד לחשב pH מריכוז יוני המימן

1. מוצאים את ריכוז יוני המימן, במול לליטר.
2. מחשבים את הלוגריתם בבסיס 10 של המספר הזה.
3. מכפילים את התוצאה במספר -1.

הריכוז חייב להיות גדול מ-0 mol/L. הלוגריתם של 0 אינו מוגדר, ולכן המחשבון מבקש מספר חיובי במקום להחזיר תוצאה. המחשבון נפתח עם [H+] = 1 × 10⁻⁷ mol/L, הערך של מים טהורים ב-25 °C, שמניב pH של 7.00.

דוגמה 1

בתמיסה מסוימת ריכוז יוני המימן הוא 1 × 10⁻⁴ mol/L.

pH = -log₁₀(1 × 10⁻⁴) = -(-4) = 4.00

התמיסה חומצית, משום שה-pH שלה נמוך מ-7.

דוגמה 2

בתמיסה מסוימת ריכוז יוני המימן הוא 6.3 × 10⁻⁵ mol/L.

pH = -log₁₀(6.3 × 10⁻⁵) ≈ 4.20

גם תמיסה זו חומצית. היא מעט פחות חומצית מהתמיסה בעלת pH 4.00 שלעיל, משום שיש בה פחות יוני מימן.

סולם ה-pH: חומצי, ניטרלי ובסיסי

• pH נמוך מ-7: תמיסה חומצית (יותר יוני מימן)
• pH השווה ל-7: תמיסה ניטרלית (מים טהורים ב-25 °C)
• pH גבוה מ-7: תמיסה בסיסית או אלקלית (פחות יוני מימן)

הסולם מוצג בדרך כלל מ-0 עד 14, אף שאין לו גבול תחתון או עליון קבוע. חומצות מרוכזות מאוד עשויות להיות מתחת ל-0, ובסיסים מרוכזים מאוד עשויים להיות מעל 14.

מספר pH גבוה יותר תמיד פירושו ריכוז נמוך יותר של יוני מימן, ולא גבוה יותר. לדוגמה, בתמיסה בעלת pH 4.05 יש פחות יוני מימן, בערך 8.9 × 10⁻⁵ mol/L, מאשר בתמיסה בעלת pH 4.00, שבה הריכוז הוא 1.0 × 10⁻⁴ mol/L. הדבר חשוב בעת בדיקת אלקטרודת pH מול תמיסת באפר ייחוס. אם מד pH מציג pH של 4.05 במקום pH צפוי של 4.00 עבור תמיסת הבאפר, הוא מודד מעט פחות יוני מימן מכמותם בפועל בתמיסה, וייתכן שהאלקטרודה זקוקה לכיול מחדש.

שאלות נפוצות

כיצד מחשבים pH מריכוז יוני המימן?

מחשבים את הלוגריתם בבסיס 10 של ריכוז יוני המימן במול לליטר, ואז מכפילים את התוצאה במספר -1. עבור [H+] = 1 × 10⁻⁵ mol/L, pH = -log₁₀(10⁻⁵) = 5.00.

מה ההבדל בין pH לבין ריכוז יוני המימן?

הם מתארים את אותה תכונה בשתי צורות. [H+] הוא ריכוז, במול לליטר. pH הוא הלוגריתם השלילי בבסיס 10 של הריכוז. סולם ה-pH הופך מספרי ריכוז קטנים מאוד לערכים פשוטים, בערך בין 0 ל-14.

האם pH גבוה יותר פירושו יותר או פחות יוני מימן?

פחות. בגלל סימן המינוס בנוסחה, pH וריכוז יוני המימן משתנים בכיוונים מנוגדים. pH גבוה יותר תמיד מתאים ל-[H+] נמוך יותר, ו-pH נמוך יותר תמיד מתאים ל-[H+] גבוה יותר.

האם pH יכול להיות שלילי או גבוה מ-14?

כן, אף שהדבר אינו שכיח. חומצות מרוכזות מאוד עשויות להיות בעלות pH נמוך מ-0, ובסיסים מרוכזים מאוד עשויים להיות בעלי pH גבוה מ-14. רוב התמיסות היומיומיות נמצאות בין 0 ל-14.

מהו ה-pH של מים טהורים?

למים טהורים יש pH של 7.00 בטמפרטורה של 25 °C, וריכוז יוני המימן בהם הוא 1 × 10⁻⁷ mol/L. ערך זה מוגדר כניטרלי, באמצע בין חומצי לבסיסי בסולם המקובל.

האם הטמפרטורה משפיעה על חישוב ה-pH?

הנוסחה pH = -log₁₀[H+] אינה משתנה עם הטמפרטורה. אולם ריכוז יוני המימן במים ניטרליים משתנה עם הטמפרטורה, ולכן ערך ה-pH הנחשב ניטרלי מתרחק מעט מ-7.00 בטמפרטורות שאינן 25 °C.