關于pH值的教學思考*

雷　昭，葉明富，賈志剛，楊新安，伊廷鋒，萬梅秀

(1 安徽工業大學, 安徽　馬鞍山　243002; 2 湖南人文科技學院，湖南　婁底　417000)

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關于pH值的教學思考*

雷昭1，葉明富1，賈志剛1，楊新安1，伊廷鋒1，萬梅秀2

(1 安徽工業大學, 安徽馬鞍山243002; 2 湖南人文科技學院，湖南婁底417000)

在科學研究、生產、日常生活等各方面，測定和控制pH值有重要理論與實際意義。pH值是分析化學教學中的一個重要內容。在教學過程中，我們結合史實與應用，介紹了酸堿理論，為方便表示質子濃度/活度引入pH值概念，以及用pH計準確測量pH值，并由此展開總結思考。實踐結果表明，學生對這種教學方式印象深刻，調動了學習積極性，改善了教學效果，從而達到改善教學質量目的。

酸堿理論；質子濃度；pH值；質子活度；pH計；教學思考

1　酸堿理論[1-2]

水是一種非常弱的電解質，一個水分子可以從另一個水分子中奪取質子而形成H3O+和OH-，即：

在水分子之間存在的質子傳遞作用，稱為水的質子自遞作用，其平衡常數稱為水的質子自遞常數(也稱水的離子積)，用Kw表示(Kw=[H+][OH-])。1894年，德國的兩位化學家科爾勞施(Kohlrausch)和海德維勒(Heydweiller)精確測量了25 ℃時純水中氫離子濃度和氫氧根離子濃度的乘積(1.0×10-14)。

2　酸濃度的表示及測量——pH值及pH計[2-4]

H+和OH-共同存在與酸性、中性、堿性溶液中，它們的區別在于兩種離子的濃度不同。溶液的酸度和堿度可以用任何一種離子的濃度表示，化學家們采用了H+的濃度值。如果c(H+)=1×10-10(濃度單位)，在數學中，1×10-10=0.0000000001這些數值太小了，描述起來很不方便。

pH標度是由丹麥生物化學家索倫森(S?rensen)在1909年發明的。索倫森當時在一家啤酒廠工作，經常要化驗啤酒中所含氫離子濃度，每次化驗結果都要記載許許多多個零，這使他感到很麻煩。經過長期潛心研究，他發現用氫離子濃度的負對數來表示氫離子濃度非常方便，并把它叫做溶液的pH值。pH值就是氫離子濃度以10為底的負指數：

[H+]=10-pH

就這樣，他發明了直到今天還在廣泛應用的pH標度。1924年，基于化學熱力學的發展，索倫森再次提出以氫離子活度的pH值定義并使用至今。這樣，pH=7時為中性溶液，pH<7時為酸性溶液，pH>7時為堿性溶液。現在在工廠的化驗室和實驗室里，經常用pH指示劑來測定溶液的pH值，這種方法簡便經濟，但容易受到干擾，準確度較差，精細準確的測量需要用pH計。

第一臺pH計是由美國的貝克曼(Beckman)在1934年設計制造的。他的一位同學約瑟夫(Joseph)在加利福利亞的一個水果培育站工作，經常要測定用二氧化硫氣體處理過的檸檬汁的pH值。因為食品的pH值無法使用指示劑來測定，他只好求助貝克曼，幫他設計制造一臺能測定溶液pH值的儀器。貝克曼利用業余時間制作了一臺電子放大器，將其與玻璃電極/靈敏電流計組合成一臺pH計，效果很好，這就是世界上第一臺pH計。

利用pH計測定溶液的pH值的方法是一種電位測定法，它是將玻璃電極和甘汞電極插在被測溶液中，組成一個原電池，其電動勢的大小和溶液的pH值有關。pH計的主體是一個精密電位計，用它測量原電池的電動勢，并直接用pH刻度值表示出來，因而從pH計上可以直接讀出被測溶液的pH值。

第一臺pH計的成功研制使得貝克曼很受鼓舞，后來他辭去了加州理工學院的教學工作，專門開辦了一個pH計生產工廠，專心致志的從事pH計的設計和制造工作。他發明的pH計是最早的分析儀器之一，它為研究分析化學和生物化學創造了條件。

3　一些思考[5-7]

對于許多相當大的數值或相當小的數值(如pH、pM)，直接用冪次或乘方描述或書寫很不方便，為了方便描述它們，人為命名新的單位去表示，這些單位叫做輔助單位。輔助單位的符號，一般是在規定的單位的符號前，加一個表示倍數或分數的詞冠組成，例如詞冠k表示103，n表示1×10-9。

又如聲強的單位是瓦/米2(W·m-2)，更簡單的說，聲強就是單位面積上輸運的聲功率，一般可聞聲強范圍大約在1.0×10-12～1.0×10-2W之間，最大聲強與最小聲強之間的數量級相差懸殊，因此聲強的值使用起來極不方便。為方便起見，在聲學中比較聲波在媒質各點的強弱時并不直接使用聲強，而是把最小聲強I0=1.0×10-12W·m-2作為聲強的標準，把某一聲波的聲強I與I0之比的對數聲音強弱的量度，即：

LI=lgI/I0

LI稱為聲強的聲強級，它的單位稱為貝爾(B)。實際上貝爾這一單位太大，通常采用貝爾的1/10為單位，稱為分貝(dB)。于是聲強級可表示為：

LI=10lgI/I0dB

可聞聲最輕聲的聲強為10-12W·m-2，其聲強級為0 dB；震耳欲聾的炮聲的聲強為1.0 W·m-2，其聲強級為120 dB，這是一般人耳所能忍受的最大聲強級。由于采用了聲強級，就把相差一百萬倍的可聞聲強范圍，簡化為0～120 dB的聲強級變化，給使用帶來了方便。

pH計在工業、農業、化學、生物學等各個領域都有很重要的應用。如自來水工廠和化學實驗室經常用pH計測量水的pH值。生產乙酸、磷酸等化工廠，采用酸堿電位滴定法測定乙酸、磷酸的含量，也要用到pH計。溶液的pH值往往對化學反應，特別是生物化學反應影響巨大，因此及時準確的測定這類溶液的pH值更具有十分重要的實際意義。例如細菌往往只能在很窄的pH值范圍內生長，所以培養基的pH值必須進行準確的測量，并且精心加以控制。再如生物催化劑——酶，只有在一定的pH值范圍內才能起到明顯的作用，最適合于胃蛋白酶的pH范圍是1～4，最適合于胰蛋白酶的pH值范圍是8～9。

4　結　語

通過介紹酸堿理論，尤其是酸堿質子理論，同學們明白了近代酸堿概念。為了方便快捷表示溶液中氫離子濃度，結合國際單位制，引入了pH值；用指示劑測量溶液pH值雖然方便卻失之準確，從而推動發明了pH計。教學時結合史實與實際應用，顯著提高了廣大學子學習興趣，調動了學生學習積極性，有效提高了課堂教學質量。

教學是一項長期而有艱巨的事業，必須持之以恒。教學工作是一門科學也是一門藝術，教師只有通過長期不懈的鉆研，針對課程內容特點，在教學實踐中不斷積累和總結經驗，才能真正充分提高課堂教學的水平與質量。

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[3]周錦帆, 黃偉. pH測量原理及注意事項[J]. 檢驗檢疫科學, 2003, 13(1):50-53.

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[7]浙江大學普通化學教研組. 普通化學.6版[M]. 北京：高等教育出版社，2011: 90-98.

Teaching Considerations of the pH Value*

LEIZhao1,YEMing-fu1,JIAZhi-gang1,YANGXin-an1,YITing-feng1,WANMei-xiu2

(1 Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002;2 Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Hunan Loudi 417000, China)

In scientific research，production，life, and so on，determination and control of pH value has important theoretical and practical significance. The pH value is an important content in the analytical chemistry teaching. Combined with historical facts and application, acid-base theory was simply introduced. pH apparatus was mainly designed for the purpose of getting the concentration of proton concentration (the pH value) in various liquors to supply industrial processes with exact and reliable parameters. And the thinking was summarized. Practice results showed that the students impressed this way of teaching, mobilized the study enthusiasm, improved the teaching effect, so as to improve the teaching quality.

acid-base theory；proton concentration；pH value；proton activity；pH apparatus；teaching ponder

安徽省大規模在線開放課程(MOOC)示范項目(2015mooc033)；安徽省教學改革研究項目(2015jyxm114、2013zdjy076)；安徽工業大學工商學院教學研究項目(201503)；安徽工業大學教學研究項目(2015jy24)。

葉明富(1982-)，男，博士，副教授，主要從事材料化學研究。

G642.0, G45

A

1001-9677(2016)010-0199-02