pH试纸（检测溶液酸碱度的试纸）

历史

17世纪，英国著名化学家波义耳偶然发现被溅上了浓盐酸的紫罗兰变成了红色。这一奇怪的现象促使他进行了许多花木与酸碱相互作用的实验。由此他发现了大部分花草受酸或碱作用都能改变颜色，其中以石蕊地衣中提取的紫色浸液最明显，它遇酸变成红色，遇碱变成蓝色。利用这一特点，波义耳用石蕊浸液把纸浸透，然后烤干，这就制成了pH试纸的雏形——石蕊试纸。在以后的三百多年间，这种试纸一直被广泛应用于化学实验中。^[1]

原理

1887年，瑞典科学家斯万特·阿仑尼乌斯提出了溶液的酸碱性理论。他认为水中含有少量的和，两者处于平衡状态，酸或者碱会打破这种平衡。酸性溶液中含有过量，碱性溶液中含量减少。后来，丹麦科学家索伦·索润森提出pH值用于描述溶液的酸碱度，在数学上pH值是溶液中氢离子活度的对数，范围从0~14。

通常，指示剂会使溶液的颜色随pH值的变化而变化。在25°C（标准实验室条件）下，中性溶液的pH值为7.0。pH值低于7.0的溶液视为酸性溶液，pH值高于7.0的溶液视为碱性溶液。由于大多数天然存在的有机化合物都是弱碱、羧酸和胺，因此pH指示剂在生物学和分析化学中有许多应用。此外，pH指示剂是化学分析中最常使用的三种主要指示剂化合物之一。络合指示剂用于金属离子的定量分析，氧化还原指示剂则用于涉及氧化还原反应的滴定，作为分析的基础。

以酚酞为例。在酸性溶液中，或者pH值低于8.2的弱碱性环境中，它是无色的。一旦pH值大于8.2，它会失去一个质子，新生成的带负电荷阴离子呈现出明亮的粉紫色。

pH试纸上有甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝这三种指示剂。甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝和酚酞一样，在不同pH值的溶液中均会按一定规律变色。甲基红的变色范围是pH4.4（红）～6.2（黄），溴甲酚绿的变色范围是pH3.6（黄）～5.4（绿），百里酚蓝的变色范围是pH6.7（黄）～7.5（蓝）。用定量甲基红加定量溴甲酚绿加定量百里酚蓝的混合指示剂浸渍中性白色试纸，晾干后制得的pH试纸可用于测定溶液的pH值便不难理解了。

什么是pH？pH=-lg[H⁺]，用来量度物质中氢离子的活性。这一活性直接关系到水溶液的酸性、中性和碱性。水在化学上是中性的，但不是没有离子，即使化学纯水也有微量被离解：严格地讲，只有在与水分子水合作用以前，氢核不是以自由态存在。

注意：pH不应写成PH或ph，这是一个容易出错的地方。

pH检测仪

使用方法

撕掉一条试纸，用胶头滴管滴上溶液，半秒变色后跟包装上的比色卡作对比；或者取少量溶液，直接用试纸沾湿液体，半秒后跟包装上比色卡对比；也可以取一小块试纸在表面皿或玻璃片上，用洁净干燥的玻璃棒蘸取待测液点滴于试纸的中部，观察变化稳定后的颜色，与标准比色卡对比，判断溶液的性质。

将pH试纸用蒸馏水润湿，用镊子或粘在玻璃棒上送到气体瓶口，待气体溢出与湿润的试纸接触，根据试纸的颜色变化即可判断气体是酸性还是碱性。

注意事项

1. 试纸不可直接伸入溶液。
2. 试纸不能测浓硫酸的pH。
3. 试纸不可接触试管口、瓶口、导管口等。
4. 测定溶液的pH时，试纸不可事先用蒸馏水润湿，因为润湿试纸相当于稀释被检验的溶液，这会导致测量不准确。
5. 取出试纸后，应将盛放试纸的容器盖严，以免被实验室的一些气体沾污。
6. 必须在常温下使用，否则会导致结果不准确。
7. pH试纸无法测试油分的酸碱值，因为pH试纸是以氢离子浓度来衡量溶液pH值的，而油中不含氢离子。

化学信息

pH试纸的应用是非常广范的，pH的反应原理是基于pH指示剂法，一般的pH分析试纸中含有甲基红[pH4.2(红)~6.2(黄)]，溴甲酚绿[pH3.6（黄）~5.4（绿）]溴百里香酚蓝[6.0(黄色)～7.6(蓝色)]，这些混合的酸碱指示剂适量配合可以反映pH4.5~9.0的变异范围。

以酚酞在不同酸碱条件下变色规律为例说明PH试纸的变色原理：

把酚酞滴入浓H₂SO₄，呈现橙色，不论振荡多长时间，其颜色都不变。若把该橙色液配入大量水中，得无色液。酚酞滴入稀NaOH溶液呈紫红色，将酚酞滴入浓NaOH溶液（浓度大于2mol/l），开始时浓NaOH溶液表面酚酞滴入处会出现一些紫红色、略加振荡紫红色立即消失。其实，这是酚酞在不同的酸碱条件下，因其结构的改变而呈现4种相应的变色情况。

H₂O+H₂O=H₃O⁺+OHˉ

由于水合氢离子（H₃O⁺）的浓度是与氢离子（H⁺）浓度等同看待，上式可以简化成下述常用的形式：

H₂O=H⁺+OHˉ

此处正的氢离子人们在化学中表示为“离子”或“氢核”。水合氢核表示为“水合氢离子”。负的氢氧根离子称为“氢氧化物离子”。

利用质量作用定律，对于纯水的离解可以找到一平衡常数加以表示：

由于水只有极少量被离解，因此水的克分子浓度实际为一常数，并且有平衡常数K可求出水的离子积KW。

KW=K×H₂OKW=H₃O⁺·OH⁺=10ˉ⁷·10ˉ⁷=10ˉ¹⁴mol/l(25℃)

也就是说，对于一升纯水在25℃时存在10ˉ⁷摩尔氢离子和10ˉ⁷摩尔OHˉ离子。

在显中性溶液中，氢离子和氢氧根离子OHˉ的浓度都是10ˉ⁷mol/l。

如：

假如有过量的氢离子，则溶液呈酸性。酸是能使水溶液中的氢离子游离的物质。同样，如果氢离子并使OHˉ离子游离，那么溶液就是碱性的。所以，给出值就足以表示溶液的特性，呈酸性碱性，为了免于用此克分子浓度负冥指数进行运算，生物学家泽伦森（Soernsen）在1909年建议将此不便使用的数值用对数代替，并定义为“pH值”。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用对数负值。

因此，pH值是离子浓度以10为底的对数的负数：

酸性<中性<碱性

pH值

改变50m³的水的pH值，从pH2到pH3需要500L漂白剂。然而，从pH6到pH7只需要50L的漂白剂。

测量pH值的方法很多，主要有化学分析法、试纸法、电位法。现主要介绍电位法测得pH值。

电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由二个半电池构成。其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关系；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是测量溶液相通，并且与测量仪表相连。

例如，一支电极由一根插在含有银离子的盐溶液中的一根银导线制成，在导线和溶液的界面处，由于金属和盐溶液二种物相中银离子的不同活度，便形成离子的充电过程，并形成一定的电位差。失去电子的银离子进溶液。当没有施加外电流进行反充电，也就是说没有电流的话，这一过程最终会达到一个平衡。在这种平衡状态下存在的电压被称为半电池电位或电极电位。

这种（如上所述）由金属和含有此金属离子的溶液组成的电极被称为第一类电极。

此电位的测量是相对一个电位与盐溶液的成分无关的参比电极进行的。这种具有独立电位的参比电极也被称为第二电极。对于此类电极，金属导线都是覆盖一层此种金属的微溶性盐（如：Ag/AgCl），并且插入含有此种金属盐限离子的电解质溶液中。此时半电池电位或电极电位的大小取决于此种阴离子的活度。

PH测量仪表

此二种电极之间的电压遵循能斯特（NERNST）公式：

E=E0+R·T·1naMen·F

式中：E—电位

E0—电极的标准电压

R—气体常数（8.31439焦耳/摩尔和℃）

T—开氏绝对温度（例：20℃=-273+293开尔文）

F—法拉弟常数（96493库化/当量）

n—被测离子的化合价（银=1，氢=1）

aMe—离子的活度

标准氢电极是所有电位测量的参比点。标准氢电极是一根铂丝，用电解的方法镀（涂覆）上氯化铂，并且在四周充入氢气（固定压力为1013hpa）构成的。

将此电极浸入在25℃时离子含量为1mol/l溶液中，便形成电化学中所有电位测量所参照的半电池电位或电极电位。其中氢电极作为参比电极在实践中很难实现，于是使用第二类电极做为参比电极。其中最常用的便是银/氯化银电极。该电极通过溶解的AgCl对于氯离子浓度的变化起反应。

此参比电极的电极电位通过饱和的KCl贮池（如：3mol/lKCl）来实现恒定。液体或凝胶形式的电解质溶液通过隔膜与被测溶液相连通。

利用上述的电极组合—银电极和Ag/AgCl参比电极可以测量胶片冲洗液中的银离子含量。也可以将银电极换成铂或金电极进行氧化还原电位的测量。例如：某种金属离子的氧化阶段。

最常用的PH指示电极是玻璃电极。它是一

支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的

玻璃管。管内充填有含饱和AgCl的3mol/lKCl

缓冲溶液，pH值为7。存在于玻璃膜二面的

反映pH值的电位差用Ag/AgCl传导系统，

如第二电极，导出。pH复合电极

此电位差遵循能斯特公式：

E=E0+R·T·1naH₃O⁺n·F

E=59.16mv/25℃perpH

式中R和F为常数，n为化合价，每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲，n=1。温度“T”做为变量，在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升，电位值将随之增大。

对于每1℃的温度变大，将引起电位0.2mv/perpH变化。用pH值来表示，则每1℃第1pH变化0.0033pH值。

这也就是说：对于20~30℃之间和7pH左右的测量来讲，不需要对温度变化进行补偿；而对于温度>30℃或<20℃和pH值>8pH或6pH的应用场合则必须对温度变化进行补偿。

pH值一电位一离子浓度之间的关系

01234567891011121314OH离子

14131211109876543210H离子

01234567891011121314pH

`+414.4··········+.59.20-59.2················-414.4mv/25℃

从以上我们对pH测量的原理进行了分析而得知我们只要用一台毫伏计即可把pH值显示出来