pH值（pH Value）的意義及發展歷史

pH值（pH Value）的意義及發展歷史
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

酸的強度除了可以利用酸解離常數Ka的大小來決定外，也可以用氫離子濃度[H⁺]的高低來判斷。隨著1890年間，離子理論發展漸臻成熟，科學家也越來越確定氫離子濃度與酸度之間的關係：[H⁺]值越大，其酸度越高。延續19世紀末化學家在電解質研究領域中的熱情，德國生理學家漢斯•威廉•卡爾•弗蘭德泰爾（Hans Wilhelm Karl Friedenthal, 1870-1943）除量測多種有機弱酸的解離常數之外，他更製作氫離子濃度尺度，羅列出在加入植物染料（vegetable dye）作為指示劑（indicator）的情況下，溶液中不同氫離子濃度與顯現顏色之間的關係。這也是科學史上，第一個有系統性地表達「氫離子濃度」與酸度大小之間關係的記載。 將這個概念發揚光大的，是丹麥生化學家索倫•彼得•勞里茲•索倫森（Søren Peter Lauritz Sørensen, 1868-1939）。自1901年開始，索倫森一直致力於酵素催化反應（enzyme-catalyzed reaction）的研究。他認為以傳統酸鹼滴定的方法來研究酵素反應並不適宜，因為溶液的酸鹼度除了取決於電荷分離效應達平衡的結果，另外有些受質（substrate）也可能與酸或鹼性物質結合，導致誤差，故此他主張，決定酸的真正強度（原文：wirklichen sauregrad; 英譯：real degree of acidity）最佳方式應是測量溶液中氫離子的濃度。

1907年，索倫森先以傳統酸鹼滴定方式來研究酵素行為，接著在1909年，他改以氫電極電解決定水中氫離子濃度的方式來進行相同主題的研究。這個方法在1889年首先由德國物理化學家能斯特（Walther Hermann Nernst, 1864-1941）提出，他利用測量氫電極電位的方式，來定量水中氫離子濃度，並提出能斯特方程式（Nernst Equation）： E=E₀ + (RT/F)log [H+] 其中E為氫電極的電動勢（electromotive force, 簡寫為emf）、E₀為氫電極的標準電動勢，是一個常數，而R是理想氣體常數、T是絕對溫度、F是法拉第常數，而 [H⁺] 即為氫離子濃度。在1909年的發表結果中，索倫森同時闡明以-log[H⁺] ，這個與電動勢大小成線性關係的數值，作為酸定量法（acidimetry）的好處；在同篇論文中，索倫森正式提出pH的概念。 根據索倫森1909年發表論文所陳述的，pH其實是拉丁文 ”pondus hydrogenii” 的縮寫，特別針對水溶液中氫離子濃度極低的情況，所提出的表達方式，其意義代表「氫離子的強度」，索倫森以氫離子的指數（hydrogen ion exponent）來定義之，如果以數學型式表示，即為： [H⁺] =10^-pH pH=-log[H⁺] 索倫森提出的pH值概念，很快就被生物化學家所接受，不過最初，其文字的表達形式卻出現千百種，連索倫森本人都曾以不同的記錄方式發表在不同的期刊上，經過一段時間的變革，表達氫離子強度的方式，才被確立。早期索倫森都以p_H*的形式發表於德、法的期刊上；另一方面，卻以pH的記錄方式，發表於英語系的期刊上。除此之外，也曾有其他作者以P_h’、 P_H+等樣式發表。直到1920年間，美國生物化學會訂出以『pH』，作為索倫森提出的「氫離子指數」概念的記錄方式，在文字表達形式上，才跨越國度語言的藩籬，獲得統一。

其中pH裡的p為標準形式的小寫字母（未加斜體），其意義可支持英語的”power”, 德語的”Potenz”，法語的 “puissance”及拉丁文裡的 ”pondus”；以大寫的標準體H，表示氫離子，而H正是氫的化學元素符號，如此一來，文字記錄不僅方便，又能夠貼切表達出其化學意義，至今成為科學領域裡、甚至生活上，重要而家喻戶曉的化學概念。其記錄方式並被推廣應用於相關的表達中，如以pK_a（即K_a的指數）表示酸解離常數K_a的強度。而這樣的表達方式，將繁複的數字簡單化，使其科學意涵，更加一目瞭然。

參考資料：
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.