pH(수소 이온 농도 지수)

사진1. 얼굴 찌푸려 지도록 새콤한 맛이 나는 레몬.

 

용액의 특성 중 하나

방에 들어갔더니 투명한 유리병에 담긴 알 수없는 액체가 있다면, 이것에 대해 조사하고자 할 때 어떤 특성을 알아볼 수 있을까? 물리적으로는 온도와 점도등을 측정해 볼 수 있겠고 화학적으로는 pH를 측정해 볼 수 있다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 액체들은 다양한 pH 를 띠고 있다.

 

pH 란?

 

수소 이온 농도 지수(水素ion濃度指數) 또는 수소 농도 지수(水素濃度指數)는 수소 이온(H+)의 해리 농도를 역수의 로그를 취해 나타낸 값으로, 단위는 pH를 사용한다. 화학에서 물질의 산과 염기의 강도를 나타내는 척도로서 사용된다. - 위키백과 -

 

위키백과에 따르면 pH 가 무엇의 약자인지는 몇가지 설이 있기는 하지만 정확히 알려진 바가 없다고 한다. 중요한 것은 pH가 수용액 속에 있는 수소이온(H+)의 농도를 뜻한다는 것이다. 정확히는 수소이온 독립적으로 존재하는 것이 아니라 수용액 상에서 이온화되어 H3O+ 상태로 존재한다. 수소이온의 농도는 매우 낮기 때문에 이를 양의 정수로 만들기 위해서 상용로그를 취하는데 식으로 표현하면 다음과 같다. 

 

pH = -log10[H+]

 

ex) 수소이온농도[H+]가 0.01 mol/L라면 -log(0.01) = pH 2 인 것이다. 위에서 분비되는 위산이 이정도의 pH를 갖는다.

 

중성용액은 왜 pH 7 인걸까?

이 수소이온 농도에 따라 용액이 산성인지 염기성인지 결정되는데 수소이온농도[H+]와 수산화이온농도[OH-]가 동일할 때 용액의 pH는 7이 된다. 7보다 낮을수록 강한 산성이 되고 높을수록 강한 염기성이 된다.

 

수용액상에서의 수소 이온 활동도는 물의 해리상수와 다른 이온과의 상호작용으로 나타낸다. 중성의 수용액은 수소 이온(H+)의 활동도와 수산화 이온(OH-)의 활동도가 같으므로 표준 온도 압력(STP)에서 pH=7의 값을 가진다. pH의 값이 7보다 낮으면 산성, 7보다 높으면 염기성이라고 부른다. - 위키백과 -

 

pH 는 왜 0 ~ 14 인걸까?

해당 내용은 '생화학백과' 책에 수록되어있는 내용이다.

"온도 25도의 순수한 물의 농도는 55.5M 이다(1리터의 물의 질량을 물의 몰 질량으로 나눈 값 : 1000g/L / 18.015 g/mol). 그런데 순수한 물의 평형상수(Keq)는 1.8 x 10^(-16) M 이므로 1.8 x 10^(-16) M x 55.5M 에서 Kw 값을 얻을 수 있다. 즉, Kw = [H+] x [OH-] = 1.0 x 10^(-14) M^2 이다." (출처 : 생화학백과, KSBMB, 생화학분자생물학회, 2019)

 

레몬즙 1L에 물을 타면 pH가 많이 변할까?

생화학 실험에서 용액을 제조할 때 맞추고자 하는 pH를 먼저 맞춘 뒤 증류수를 첨가하는 식으로 용질의 농도와 용액의 부피를 맞춘다. pH도 엄연히 물질의 농도인데 이렇게 해도 되는걸까? 실제로 이렇게 용액을 만들면서 pH를 측정하면 pH는 거의 일정하다. 그 이유는 pH가 상용로그로 표현되고 있기 때문이다.

 

ex) pH 가 2인 1L 용액의 수소이온 농도는 0.01mol/L. 용액에 증류수를 200mL 첨가했을 경우 수소이온 농도는 0.01 mol/L x 1L/1.2L = 0.008333... mol/L. pH = -log(0.008333...) = 2.07918... 거의 변하지 않았다!