pH 눈금

pH 2.4인 식초에는 pH 7인 순수한 물보다 1 L당 하이드로늄 이온이 약 4만 배 많습니다.

용액 속 하이드로늄 이온의 양은 아주 넓게 퍼져 있습니다. 강산에서는 1 L에 1몰이 넘고, 강염기에서는 1 L에 10⁻¹⁴ mol보다도 적습니다. 0.0000001이나 0.00000000001 같은 수를 하루 종일 쓰는 일은 번거로우므로 화학자는 로그 눈금을 씁니다. 용액의 pH는 그 용액의 하이드로늄 이온 농도에 밑이 10인 상용로그를 취하고, 거기에 음의 부호를 붙인 값입니다. pH = −log[H₃O⁺]. 반대 방향으로 계산하면 [H₃O⁺] = 10^(−pH) 입니다.

한 칸은 열 배입니다

25 °C의 순수한 물은 [H₃O⁺] = 1.0 × 10⁻⁷ M 이므로, 그 pH는 7.00 입니다. [H₃O⁺] = 1.0 × 10⁻³ M 인 용액은 pH 3입니다. 두 값은 네 칸 차이가 나는데, 이것은 10에 10을 곱하고 다시 10을 곱하고 또 10을 곱한 것과 같습니다. 즉 하이드로늄이 10,000배 많다는 뜻입니다. OpenStax는 식초의 하이드로늄 농도를 약 4 × 10⁻³ M으로 들며 이것을 pH 2.4로 계산하고, 1.2 × 10⁻³ M인 위산은 pH 2.92로 계산합니다. 이렇게 눈금이 로그로 되어 있으므로 작아 보이는 변화도 실제로는 큰 변화입니다. 미국 해양대기청(NOAA)은 산업 혁명 이후 바다 표층수의 pH가 약 0.1 낮아졌고, 이것이 산성도가 약 30% 높아진 것에 해당한다고 설명합니다.

pOH와 14라는 수

수산화 이온 농도에도 따로 p값이 있어서 pOH = −log[OH⁻] 라고 씁니다. Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴ 에 로그를 취하면 25 °C에서 pH + pOH = 14.00 이라는 깔끔한 결과가 나옵니다. 용액은 [H₃O⁺]가 [OH⁻]보다 클 때 산성이고, 이것은 pH가 7보다 작다는 뜻입니다. 두 농도가 같으면 중성으로 pH 7이고, [OH⁻]가 더 크면 염기성으로 pH가 7보다 큽니다. 예를 들어 0.0125 M 수산화 칼륨은 [OH⁻] = 0.0125 M 이므로 pOH = 1.90, pH = 14.00 − 1.90 = 12.10 입니다.

중성을 7이라는 숫자로 말하는 것은 25 °C에서만 맞습니다. 물의 자동 이온화는 열을 흡수하는 과정이므로, 온도가 높아지면 더 많이 일어납니다. Kw는 100 °C에서 약 5.6 × 10⁻¹³ 으로 커지고, OpenStax 계산으로 80 °C 순수한 물의 pH는 6.31 입니다. 그래도 이 물은 여전히 중성입니다. [H₃O⁺]와 [OH⁻]가 여전히 서로 같기 때문입니다. 그래서 따로 밝히지 않으면 pH는 25 °C에서의 값으로 적습니다.

생활 속 물질의 자리

위액은 pH 1.5 근처에 있고 라임즙은 2 근처에 있어서, 둘 다 강한 산성입니다. 그에 비해 커피는 5 정도입니다. 보통 빗물은 pH가 5와 6 사이입니다. 공기 중의 이산화 탄소가 빗물에 녹아 탄산이 되기 때문입니다. 그리고 pH 5보다 낮은 비를 산성비라고 부릅니다. 사람의 혈액은 완충 용액(buffer)의 작용으로 7.4에 아주 가깝게 유지됩니다. 염기성 쪽에서는 0.1 M 베이킹 소다 용액이 8.3, 마그네시아 유제가 약 10.5, 0.1 M 암모니아가 11.1 입니다. 실험실 메뉴에서 이 가운데 아무것이나 고르면 눈금 위 그 물질의 자리로 바로 옮겨 갑니다.

실험실에서는 pH 측정기라는 기구로 pH를 잽니다. 연구용으로 쓰는 측정기는 pH를 0.001 단위까지 읽고, 값싼 휴대용은 약 0.01 단위까지 읽으며 정확도는 약 ±0.2 입니다. 반면 빠르게 어림만 하고 싶을 때 화학자들은 지시약 색소를 쓰는데, 이것이 다음 단원의 주제입니다.