科普讲堂｜一文读懂pH计：酸碱世界的精准量尺

你是否好奇游泳池的水为什么不会太“酸”？饮料厂如何保证汽水的口感？实验室里科学家又是怎样精确检测溶液性质的？答案可能就藏在今天的主角——pH计中！

一  什么是pH值？

pH值，是衡量溶液酸碱程度的一把标尺，其数值范围从0到14。

pH=7：中性（如纯水）

pH<7：酸性（如柠檬汁、胃酸）

pH>7：碱性（如肥皂水、漂白剂）

它直接反映了溶液中氢离子（H⁺）的浓度，数值越小，酸性越强：数值越大，碱性越强。

二  pH计的工作原理

pH计像一位“化学翻译官”，能将酸碱信号转化为电信号。它的核心是玻璃电极和参比电极：

1、玻璃电极

pH计的关键部件是玻璃电极，其下端是对氢离子有选择性响应的玻璃膜。当玻璃电极浸入待测溶液时，溶液中的氢离子会与玻璃膜表面水化层中的氢离子进行交换。在不同氢离子浓度的溶液中，由于交换程度不同会产生不同的电位差，这一电位差也称为膜电位。例如，在酸性溶液中，氢离子浓度较高，更多氢离子进入玻璃膜水化层，使膜内电位相对较低；而在碱性溶液中，氢离子浓度较低，膜内电位相对较高。

2、参比电极

为了测量玻璃电极产生的膜电位，需要一个电位稳定的参比电极。常用的参比电极有甘汞电极和银-氯化银电极。参比电极通过盐桥与待测溶液相连，它能提供一个稳定的电位基准，使得测量所得的电位差仅与待测溶液中的氢离子浓度有关。

3、电位测量与pH值计算

pH计通过测量玻璃电极和参比电极之间的电位差（即电池电动势）来确定溶液的pH值。将两个电极插入待测溶液中，形成一个原电池，其电动势可以通过高阻抗的电压表测量。由于参比电极的电位是固定的，玻璃电极的电位与氢离子活度有关，因此测量得到的电位差就反映了溶液中氢离子的活度，进而通过能斯特方程计算出溶液的pH值。pH计内部的电路会将测量到的电位差转换为对应的pH值，并在显示屏上直接显示出来。

小贴士：现代pH计通常自动校准，还能补偿温度对测量的影响哦！

三  pH计是如何发展的？

1、早期探索

1906年，Fritz Haber和Zygmunt Klemensiewicz制作出了对H+的活度有电势的玻璃电极。1909年，丹麦化学家S.P.L. Sørensen提出了pH的概念，为pH计的发明奠定了理论基础。但当时玻璃电极存在大内阻的技术难题，测量极为困难，需要使用昂贵且难于维护的非常灵敏的检流器。

2、关键发明

1934年10月，美国化学家Arnold Orville Beckman注册了首项用于测量pH的完整化学仪器“酸度计”的专利，后来被称为pH计。Beckman建议使用两个真空管制造成的高增益放大器，解决了玻璃电极大内阻导致的测量难题，使电流易于被便宜的毫安表测量。

商业化发展：1936年，Beckman将其pH计商业化，命名为G型酸度计，后重新命名为G型pH计。到1955年，仪器总计销售达到12万6千台。1937年，因发现玻璃电极可靠性低，且pH测量结果高度依赖于电极的浸没深度，Beckman对电极进行了重新设计。同年10月，欧洲的Dannish Radiometer生产了第一个商业化的pH计，型号PHM1。

3、后续改进

1948年，Werner Ingold博士将pH参比电极与测量电极合二为一，形成了最初的复合pH电极，使pH测量技术得到彻底改变。20世纪70年代，Jenco Electronics设计并制造了第一台便携式数字pH计，以Cole-Parmer 公司的标签出售。

Ingold博士

解答时刻！

游泳池的水不会太“酸”的原因

游泳池通常会添加一些碱性物质来调节pH值，常用的有碳酸钠、碳酸氢钠等。这些物质可以中和水中可能存在的酸性物质，使水的pH值保持在合适的范围，一般游泳池水的pH值会控制在7.2-7.8之间，呈弱碱性，这样对人体皮肤和眼睛的刺激较小，同时也能有效抑制细菌和藻类的生长。泳池管理人员会定期使用pH试纸或专业的pH检测仪来监测水的酸碱度，一旦发现pH值偏离正常范围，就会及时采取相应的措施进行调整，确保水质的稳定。

饮料厂保证汽水口感的方法

精确控制配方：汽水的口感与其中的各种成分比例密切相关，包括二氧化碳、糖、酸、香料等。饮料厂会通过严格的配方设计和质量控制，精确调配各种成分的用量，以达到特定的口感要求。例如，碳酸饮料中的二氧化碳含量会影响其起泡程度和刺激感，而适量的酸（如柠檬酸、磷酸等）可以提供清爽的酸味，增强口感，同时与糖相互配合，达到酸甜平衡的效果。合适的pH值可以使汽水具有良好的口感，同时抑制微生物的生长，延长产品的保质期。此外，pH值还会影响饮料中其他成分的稳定性和风味释放，从而间接影响口感。

实验室检测溶液性质的方法

pH试纸：这是一种简单、快速的检测方法。将pH试纸浸入溶液中，试纸会根据溶液的酸碱度显示出不同的颜色，然后与标准比色卡进行对比，即可得到溶液的大致pH值。这种方法适用于对精度要求不高的初步检测。

pH计：是一种高精度的测量仪器，通过将电极插入溶液中，电极会与溶液发生化学反应，产生一个与溶液pH值相关的电位差，仪器将这个电位差转换为pH值并显示出来。pH计可以精确到小数点后几位，广泛应用于各种需要精确测量pH值的实验和生产过程中。

酸碱滴定法：对于一些成分复杂或酸碱度未知的溶液，可以采用酸碱滴定的方法来准确测定其酸碱度。通过向溶液中逐滴加入已知浓度的酸或碱标准溶液，同时使用指示剂（如酚酞、甲基橙等）来指示滴定终点，根据消耗的标准溶液体积和浓度，计算出溶液中酸或碱的含量，进而确定溶液的酸碱度。这种方法精度较高，但操作相对复杂，需要一定的实验技能和经验。