酸碱度

定义

酸碱度指水溶液中酸性与碱性强弱的程度，英文表述为 degree of acidity or alkalinity^[1]。当溶液里氢离子(H⁺)的浓度超过氢氧根离子(OH⁻)时呈酸性，氢离子越多酸性越强；反过来氢氧根离子更多时呈碱性；两者相等则为中性^[1]。

定量表达酸碱度最常用的量是 pH，中文也称氢离子浓度指数^[3]。按通行近似说法，pH 等于 7 为中性，低于 7 为酸性，高于 7 为碱性，这一标度通常写作 0 至 14^[4][5]。pH 为无量纲量，本身不带计量单位^[3]。

原理

水是极弱的电解质，只有很少一部分分子电离成氢离子与氢氧根离子。25℃时纯水中两种离子浓度相等，均为 $1\times10^{-7}\ \mathrm{mol/L}$，二者的乘积即水的离子积常数 $K_\mathrm{w}$ 约为 $1\times10^{-14}$^[3][2]。加入酸会提高氢离子浓度并抑制水的电离，使氢氧根离子浓度相应下降；加入碱则相反。碳酸钠、氯化铵这类盐虽不直接电离出氢离子或氢氧根离子，也会通过盐类水解改变两者比例^[1]。

为避免书写极小的浓度数值，pH 被定义为氢离子活度的负对数，稀溶液中可用浓度近似代替活度，即 $\mathrm{pH}=-\lg[\mathrm{H}^+]$^[3][1]。由于采用对数，pH 每相差 1 个单位，氢离子浓度实际相差 10 倍^[2]。水的离子积随温度升高而增大，25℃时中性点为 pH 7，100℃时纯水的 pH 约为 6，因此判断酸碱性宜以氢离子与氢氧根离子的相对大小为依据^[3]。

测量 pH 的常用手段有指示剂、试纸和 pH 计。指示剂与试纸依靠颜色变化对照比色卡，只能给出一定精度；pH 计则由对氢离子活度敏感的指示电极与提供稳定电位的参比电极组成原电池，依据电动势与 pH 的线性关系读数，25℃时溶液每变化 1 个 pH 单位，电位差约改变 59.16 mV^[3][6]。现代仪器多把两支电极做成复合电极，并配温度补偿^[7]。

发展历程

pH 概念由丹麦生物化学家瑟伦森(S. P. L. Sørensen)于 1909 年提出，当时他研究以氢电极测定溶液酸度，把氢离子浓度写成 10 的负幂形式，并以符号 pH 表示该指数^[8][3]。符号中的 p 一般被认为取自德语 Potenz，意为幂或浓度，H 代表氢离子^[3]。

1920 年代，随着活度概念引入溶液理论，人们认识到电极响应的是氢离子活度而非浓度，pH 的定义在 1924 年被修订为氢离子活度的负对数^[9]。此后 pH 电极从氢电极扩展到玻璃电极等多种形式，玻璃电极不易受溶液颜色、浊度、氧化剂和还原剂干扰，逐渐成为通用的指示电极^[6]。2009 年前后，学界还围绕瑟伦森首次定义 pH 一百年组织了回顾。

应用

在化学化工与制药生产中，许多反应需要在特定酸碱性条件下进行，pH 是过程控制的常规参数^[4][7]。水质监测同样以 pH 为基础项目，中国曾发布 GB 6920-1986《水质 pH 值的测定 玻璃电极法》，后又实施 HJ 1147-2020《水质 pH 值的测定 电极法》^[10][7]。生活饮用水与地表水的 pH 也被列入限值要求，如生活饮用水一般要求在 6.5 至 8.5 之间^[11]。

在农业上，土壤 pH 影响养分有效性、根瘤菌等微生物活动以及铝、锰等金属的溶解，多数作物可耐受 5.5 至 8.5 的范围，但不同作物偏好差别明显，例如马铃薯适宜偏酸土壤，苜蓿则适宜中性至微碱性土壤^[12][13]。降雨的 pH 也是环境监测对象，与大气中二氧化碳平衡的雨水 pH 约为 5.6，常被用作判断酸雨的参照值^[12][4]。

在生命科学和医疗中，体液 pH 是重要生理指标，人体血液 pH 通常维持在 7.35 至 7.45，碳酸氢盐等缓冲体系在其中起调节作用^[14]。酶的活性也依赖适宜的 pH 条件^[15]。

局限

pH 标度主要针对稀的水溶液。当氢离子或氢氧根离子浓度超过 1 mol/L 时，pH 的数值会超出 0 至 14 的常用范围，此时直接以浓度表示酸碱度更为合适^[1]。非水溶液中的氢离子浓度同样可能落在该范围之外^[2]。

定义上 pH 取决于氢离子活度，而单个离子的活度在实验中无法直接测得，实际测量只能借助标准缓冲溶液与约定规则来赋值^[16][17]。以相对活度定义还带来一项限制：同种溶剂内的 pH 可以相互比较，不同溶剂之间则不宜直接比较^[17]。

测量环节也存在系统偏差。强酸性条件下可能出现酸误差，pH 大于 10 的强碱性溶液中大量钠离子会造成读数偏低，即所谓钠差；温度会同时影响电极电位与水的电离平衡，需要补偿或恒温测定^[10]。试纸类方法精度有限，且难以测出不含氢离子的油类样品的 pH^[3]。此外，土壤等复杂体系具有缓冲能力，输入酸碱物质后 pH 的变化幅度取决于体系本身，单次 pH 读数不能完整反映其酸中和容量^[13]。

参见

• 氢离子浓度指数 —— pH 的中文名称，酸碱度的定量表达方式。

• 水的离子积 —— 联系氢离子与氢氧根离子浓度的平衡常数。

• pH 计 —— 依据电极电位测定溶液 pH 的仪器。

• 缓冲溶液 —— 能抵抗外加少量酸碱、保持 pH 相对稳定的溶液。

• 酸雨 —— 以 pH 低于 5.6 为主要判据的大气降水污染现象。

• 盐类水解 —— 盐溶于水改变溶液酸碱性的过程。