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pH值(pH Value)的意义及发展历史

时间:2020-06-08 来源:最具人气 作者: 点击量:259次


酸的强度除了可以利用酸解离常数Ka的大小来决定外,也可以用氢离子浓度[H+]的高低来判断。随着1890年间,离子理论发展渐臻成熟,科学家也越来越确定氢离子浓度与酸度之间的关係:[H+]值越大,其酸度越高。延续19世纪末化学家在电解质研究领域中的热情,德国生理学家汉斯•威廉•卡尔•弗兰德泰尔(Hans Wilhelm Karl Friedenthal, 1870-1943)除量测多种有机弱酸的解离常数之外,他更製作氢离子浓度尺度,罗列出在加入植物染料(vegetable dye)作为指示剂(indicator)的情况下,溶液中不同氢离子浓度与显现颜色之间的关係。这也是科学史上,第一个有系统性地表达「氢离子浓度」与酸度大小之间关係的记载。 将这个概念发扬光大的,是丹麦生化学家索伦•彼得•劳里兹•索伦森(Søren Peter Lauritz Sørensen, 1868-1939)。自1901年开始,索伦森一直致力于酵素催化反应(enzyme-catalyzed reaction)的研究。他认为以传统酸硷滴定的方法来研究酵素反应并不适宜,因为溶液的酸硷度除了取决于电荷分离效应达平衡的结果,另外有些受质(substrate)也可能与酸或硷性物质结合,导致误差,故此他主张,决定酸的真正强度(原文:wirklichen sauregrad; 英译:real degree of acidity)最佳方式应是测量溶液中氢离子的浓度。

1907年,索伦森先以传统酸硷滴定方式来研究酵素行为,接着在1909年,他改以氢电极电解决定水中氢离子浓度的方式来进行相同主题的研究。这个方法在1889年首先由德国物理化学家能斯特(Walther Hermann Nernst, 1864-1941)提出,他利用测量氢电极电位的方式,来定量水中氢离子浓度,并提出能斯特方程式(Nernst Equation): E=E0 + (RT/F)log [H+] 其中E为氢电极的电动势(electromotive force, 简写为emf)、E0为氢电极的标準电动势,是一个常数,而R是理想气体常数、T是绝对温度、F是法拉第常数,而 [H+] 即为氢离子浓度。在1909年的发表结果中,索伦森同时阐明以-log[H+] ,这个与电动势大小成线性关係的数值,作为酸定量法(acidimetry)的好处;在同篇论文中,索伦森正式提出pH的概念。 根据索伦森1909年发表论文所陈述的,pH其实是拉丁文 ”pondus hydrogenii” 的缩写,特别针对水溶液中氢离子浓度极低的情况,所提出的表达方式,其意义代表「氢离子的强度」,索伦森以氢离子的指数(hydrogen ion exponent)来定义之,如果以数学型式表示,即为: [H+] =10-pH pH=-log[H+] 索伦森提出的pH值概念,很快就被生物化学家所接受,不过最初,其文字的表达形式却出现千百种,连索伦森本人都曾以不同的记录方式发表在不同的期刊上,经过一段时间的变革,表达氢离子强度的方式,才被确立。早期索伦森都以pH*的形式发表于德、法的期刊上;另一方面,却以pH的记录方式,发表于英语系的期刊上。除此之外,也曾有其他作者以Ph’、 PH+等样式发表。直到1920年间,美国生物化学会订出以『pH』,作为索伦森提出的「氢离子指数」概念的记录方式,在文字表达形式上,才跨越国度语言的藩篱,获得统一。

其中pH里的p为标準形式的小写字母(未加斜体),其意义可支持英语的”power”, 德语的”Potenz”,法语的 “puissance”及拉丁文里的 ”pondus”;以大写的标準体H,表示氢离子,而H正是氢的化学元素符号,如此一来,文字记录不仅方便,又能够贴切表达出其化学意义,至今成为科学领域里、甚至生活上,重要而家喻户晓的化学概念。其记录方式并被推广应用于相关的表达中,如以pKa(即Ka的指数)表示酸解离常数Ka的强度。而这样的表达方式,将繁複的数字简单化,使其科学意涵,更加一目了然。

参考资料:
Lensey, M. S. Today’s Chemist at Work, March 2003, 47-48. 2. Swain, P. A. Sch. Sci. Rev., 2008, 89(329), 89-81. 3. Edwin, J. C. J. Am. Chem. Soc., 1939, 61(10), 2573-2574.

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