我們知道水是pH 7的中性溶液，而且任何酸性溶液的pH值都小于7，堿性溶液的pH值大于7。

然而，這些數(shù)字是什么或者它們想告訴我們什么？溶液的pH只能在0到14之間嗎，還是有可能超出這個(gè)范圍？

pH的計(jì)算

pH是用來確定一種物質(zhì)是酸性或堿性的，并用來計(jì)算一種化學(xué)物質(zhì)的強(qiáng)度。pH是一個(gè)從1到14的數(shù)字，對(duì)于大多數(shù)常見的化學(xué)物質(zhì)，越接近表示越顯中性。

7以下的值是酸度的指標(biāo)，隨著數(shù)值的減少而酸度增加，而7以上的值是堿度的指標(biāo)，隨著數(shù)值的增加而堿性增加。

值得注意的是，pH并不是線性的，換句話說，pH為3的酸，其強(qiáng)度不是pH為6的酸的兩倍。

需要理解的一個(gè)重要區(qū)別是pH是一個(gè)對(duì)數(shù)刻度。pH的正式定義表明，pH只是在給定溶劑中氫離子活性的一種度量。

這里的活性表示它們的運(yùn)動(dòng)是自由的，只有當(dāng)化學(xué)物質(zhì)電離，從而將離子釋放到溶液中時(shí)才有可能，而計(jì)算pH的公式是這樣的: pH= -lg[H+]（氫離子，沒法輸入上標(biāo)）。

這是一個(gè)以10為底的對(duì)數(shù)方程。在這個(gè)范圍內(nèi)，pH為3的物質(zhì)的酸性是pH為4的物質(zhì)的10倍，pH為5的物質(zhì)的100倍。

同樣，pH為9的物質(zhì)的堿性是pH為8的物質(zhì)的10倍，是pH為6的物質(zhì)的堿性的1000倍。

圖為：丹麥化學(xué)家索倫·佩德·勞里茨

pH中的p代表什么?

pH發(fā)現(xiàn)背后的故事非常有趣，pH的概念最初是由一位名叫索倫·佩德·勞里茨（Soren Peter Lauritz）的化學(xué)家提出的，他在丹麥哥本哈根的嘉士伯實(shí)驗(yàn)室工作。第一次提到這個(gè)詞是這樣的（pH），這個(gè)H是小p的下標(biāo)，這里沒法輸入。

當(dāng)H代表氫離子濃度時(shí)，整個(gè)概念就圍繞著它旋轉(zhuǎn)，而p的確切含義則備受爭議。這個(gè)量表基本上是通過計(jì)算10的負(fù)冪來測(cè)量不同解之間的電位差。

這兩個(gè)詞——“力量（power）”和“潛力（potential）”——都以p開頭，這三種語言(法語、德語和丹麥語)都是索倫使用并發(fā)表其研究成果的語言。

鑒于這種模糊性，p的意義仍然是化學(xué)領(lǐng)域最大的謎團(tuán)之一，盡管對(duì)這個(gè)概念本身并不是很重要。

pH可以在0-14范圍之外嗎?

從理論上講，pH范圍應(yīng)該從負(fù)無窮到正無窮。這種說法是根據(jù)它的定義，即物質(zhì)的pH是氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)所定義的值。

然而，在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中能找到的大多數(shù)溶液pH都在0-14之間，這是因?yàn)椋_(dá)到pH低于0或高于14的水平，就分別需要非常強(qiáng)的酸性或堿性溶液。

根據(jù)摩爾濃度，飽和氫氧化鈉溶液(NaOH)的pH應(yīng)該是15。然而，由于水的存在，這種化學(xué)物質(zhì)將不能完全溶解，因?yàn)樗畷?huì)阻礙大分子的溶解(分解)。

這反過來就會(huì)導(dǎo)致氫氧根離子(OH-)的釋放下降，而氫氧根離子是一種能吸收氫離子的離子，可以增加溶液的pH。

pH可能為負(fù)嗎?

pH為負(fù)絕對(duì)是可能的。實(shí)際上，任何酸的摩爾濃度大于1時(shí)，其pH為負(fù)。然而，一種酸的pH是否為負(fù)并不能在實(shí)驗(yàn)室中得到有效的驗(yàn)證。

為了更好地理解這一點(diǎn)，考慮一個(gè)12M的鹽酸溶液(HCL)。這種化學(xué)物質(zhì)的pH應(yīng)該是-1.08，比標(biāo)準(zhǔn)pH高一個(gè)單位，但是我們不能用任何已知的儀器來測(cè)量它。

石蕊試紙(測(cè)量pH最常用的方法)只顯示pH是高于還是低于7。因此，pH計(jì)是確定實(shí)際值所必需的。

然而，即使是pH玻璃電極在這種極端的測(cè)量中也會(huì)失敗，原因是一種叫做酸誤差的東西（因?yàn)樗岫雀撸瑲潆x子活度偏低，所以pH偏高，產(chǎn)生酸差。），這使得即使是這些非常先進(jìn)的設(shè)備也會(huì)測(cè)量出高于真實(shí)值的pH。

即使我們提高這些工具的效率并達(dá)到完美(這似乎幾乎是不可能的)，仍然有最后一個(gè)問題——有效濃度。

什么是有效濃度?

強(qiáng)酸在水中永遠(yuǎn)不會(huì)完全分解，并釋放出使儀器儀表顯示負(fù)值所需的氫離子。

強(qiáng)調(diào)這個(gè)問題的是氫離子的有效濃度，它總是低于真實(shí)濃度，因?yàn)樵趶?qiáng)酸和濃酸溶液中，單位酸中的水很少。

水有助于分解酸，在這個(gè)過程中釋放氫離子，這是因?yàn)樗桥紭O分子，會(huì)產(chǎn)生凈有效偶極運(yùn)動(dòng)。

然而，在沒有水的情況下，酸分子不會(huì)像它們應(yīng)該分解的那樣分解，這使得基于它們的摩爾濃度，酸堿度比我們預(yù)期的要高得多。

圖為：生活中的物質(zhì)pH-來源網(wǎng)絡(luò)

最后

總之，pH確實(shí)有可能超出常規(guī)的0-14范圍。但由于儀器和溶液本身的各種限制，pH并不是一個(gè)有效的測(cè)量值。對(duì)于高濃度溶液的標(biāo)簽，必須直接使用濃度，如摩爾濃度。

從一個(gè)簡單的角度來看，pH的作用是將極少量的氫離子濃度帶到一個(gè)更直觀的數(shù)值范圍，但隨著濃度的增加，這種做法失去了價(jià)值，反而會(huì)適得其反。

希望，隨著時(shí)間的推移，會(huì)有一些修改，可以提高極端測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性。

畢竟，pH是化學(xué)世界中最有名和最有用的概念之一，在科學(xué)領(lǐng)域，準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的！