著:姚荏富

雖然酸鹼性已經被解密,但酸鹼性的判斷還是不夠準確

  從波以耳的"石蕊試紙"到拉瓦節的"酸中含氧",在從戴維的"酸中含氫"到阿瑞尼士的"氫離子濃度電離說",酸鹼的神秘面紗終於被人類揭開,原來酸鹼性就是因為氫離子的濃度高低不同所造成的呀!

  不過,了解了酸鹼性原因不代表就能應用在生活中。現在,如果你和過去的科學家一樣只知道酸鹼性來自於氫離子的濃度,那你要如何判斷一杯溶液的酸鹼性究竟如何呢?你可以說我們有酸鹼試劑呀,這當然沒錯,可是你有想過嗎?如果我今天說我要一杯溶液,他的酸鹼性是石蕊試劑測出來是藍色,我們可以知道他是在表示這是一杯鹼性的溶液,但到底有多鹼說實話我們根本無法很準確地講出個所以然,更何況顏色對我們的眼睛來說並不是很準,你看到的藍色跟我認為的藍色可能不是完全一樣的顏色。這讓用指示劑顏色來分辨酸鹼在科學上很難達到精準測量酸鹼性的功能。

在實務上讓人困擾的問題

  前面講了一大堆,你可能會覺得我要知道精確的酸鹼性到底要幹嘛,但這對我們這次要談到的主人公來說無法測量精準酸鹼性可是相當困擾的問題,他就丹麥科學家是索倫森。

  索倫森是一名化學家,他研究的領域主要是在蛋白質(酶)受到離子濃度會產生的影響,簡單來說就是在酸鹼性中對蛋白質會有哪些影響(正常情況下相關的研究都是以氫離子濃度為主)。而索倫森的工作就是在不破壞掉蛋白質(環境太酸或太鹼都會使蛋白質變質)的情況下去觀察蛋白質發生的反應,可是蛋白質如果要能作用,就必須在特定的酸鹼性條件下,而這個特的的酸鹼性條件翻成白話文就是「某蛋白質只能在"這麼酸"的情況下,才能運作」,這個「這麼酸」在當時就是一個相當難去判斷的東西,因為就像前面說的,我只能用酸鹼指示劑的顏色來判斷酸鹼的話,你要怎麼確定你正好在"這麼酸"的範圍呢?

一個方便好用的指標

  當時索倫森就是因為只能靠指示劑來判斷,所以使得蛋白質實驗的失敗率一直都很高,雖然當時溶液的濃度可以計算,但只有強酸強鹼的濃度比較接近計算值(因為強酸鹼大多接近完全解離),這對索倫森來說真的是一個相當頭大的問題。不過好消息是,在他開始研究蛋白質之前由於阿瑞尼士電離說的發展,科學家們也找到了可以測量離子濃度的方式,那就是藉由「電動勢」(國中應該通稱為電壓)來測量出在於溶液中的離子濃度是多少(這邊牽涉到的可能就已經是大學等級了)。

  在使用電動勢測量離子濃度後索倫森開始進行大量的蛋白質實驗,並將這些濃度都做相當仔細的紀錄,不過在這邊我們先來看看濃度得出來到底長成什麼樣子,看看下面的圖你可能就會發現,這到底是什麼鬼數字阿?算出來每個都必須要用科學記號來表示,10的-14次方可是0.000000000000001耶,每個濃度都是這樣起跳的話,到底要怎麼看阿?俗話說山不轉路轉路不轉人轉,由於這些氫離子濃度的數值實在太不好看了,索倫森便在自己的筆記中發明了一個表示氫離子濃度強弱的數值,那就是我們現在說的pH值。

pH值到底是什麼?

  索倫森在他的筆記中記錄到,pH值代表的是氫離子的強度(power of hydrogen ion或是拉丁文的pondus hydrogenii),簡單的數學表示就是

氫離子濃度(用[H+]表示)=10-pH

  

  如果要換成公式的話,那其實就是我們現在課本上所寫的,濃度去取log加負號

pH值=-log([H+])

看到一堆數學公式你開始頭昏了對吧?不過這樣算出來的數字倒是真的變好看很多了呢!我們來看看前面氫離子濃度等於10的-14次方時pH值會等於......14,14應該比0.000000000000001更平易近人一些了吧。而且從pH值的定義來看,只要氫離子濃度越高它的pH值就會越小,所以要比較酸鹼性也可以直接用得出的pH值來做比較,只要數字比較小的自然就是比較酸的。

  

pH值好用,在科學家之間形成風潮

  1909年,索倫森對外發表了他酵素催化的研究,其中就把他發明的pH值概念寫了出來,並在他的報告中大力宣傳了pH值便利性(快速判斷酸鹼)以及準確性(馬上可以回推氫離子濃度),俗話說的好好康道相報,pH值的出現讓科學界開始注意到了這個有趣的數值,不只好用而且簡潔,開始有許多科學家跟個使用這個數值來進行紀錄,漸漸地pH便成為了氫離子濃度的研究中相當重要的指標。

  不過其實最原始索倫森的PH寫得相當隨意,他根本沒有想要用p來代表什麼運算,而各個國家也因此跑出各式不同的pH值寫法,像是pH*或是其Ph和PH+,大家想怎麼寫就怎麼寫,直到1920年美國生物化學會才訂出我們現在所用的pH做為正式標準。H代表氫離子濃度而p代表取負對數運算(取-log)的意思。


參考資料

《化學通史》凡異出版

《A History of Western 》PrenticeHall