ค่า pH คืออะไร? ทำความเข้าใจเกี่ยวกับกรด เบส และมาตราส่วน pH

ไม่ว่าคุณจะกำลังทดสอบน้ำในตู้ปลา ตรวจสอบดินสำหรับทำสวน การดื่มน้ำมะนาวหรือเพียงแค่ใช้ผลิตภัณฑ์ดูแลผิว คุณคงเคยเห็นคำว่า “pH” หรือค่าความเป็นกรด-ด่างกันมาบ้างแล้ว แต่ค่า pH คืออะไรกันแน่ ทำไมค่า pH จึงมีความสำคัญ และส่งผลต่อทุกสิ่งทุกอย่าง ตั้งแต่ชีววิทยาไปจนถึงอุตสาหกรรมอย่างไร

ในบทความนี้เราจะมาสำรวจวิทยาศาสตร์เบื้องหลังค่าพีเอช (pH) การประยุกต์ใช้จริงในโลกแห่งความเป็นจริง วิธีการวัดและเหตุใดการทำความเข้าใจถึงประโยชน์ต่อชีวิตประจำวันของคุณ

ค่า pH คืออะไร? คำจำกัดความง่ายๆ

ค่า pH ย่อมาจาก “ศักย์ของไฮโดรเจน” หรือ “พลังของไฮโดรเจน” (Power of Hydrogen) เป็นหน่วยวัดความเป็นกรดหรือเบส (ด่าง) ของสารละลาย

ค่า pH ซึ่งเป็นการวัดความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจน อธิบายถึงระดับความเป็นกรดหรือด่างของสารละลาย การวัดค่า pH เช่นเดียวกับการควบคุมค่า pH ถือเป็นปัจจัยสำคัญในการใช้งานอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย เช่น การผลิตยา การผลิตอาหารและเครื่องดื่ม ผลิตภัณฑ์นมและการเกษตร การบำบัดน้ำ และอื่นๆ อีกมากมาย โดยการควบคุมค่า pH มักมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองคุณภาพของผลิตภัณฑ์

โดยมาตรา pH มีตั้งแต่ 0 ถึง 14:

ค่า pH < 7 สารนั้นเป็นกรด
ค่า pH = 7 สารนั้นเป็นกลาง
ค่า pH > 7 สารนั้นเป็นเบส (ด่าง)

ในทางวิทยาศาสตร์ pH ถูกกำหนดให้เป็นลอการิทึมลบของความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจนในสารละลายดังสูตรคำนวณต่อไปนี้:

pH = -log [H⁺]

หากสารละลายมีไอออน H⁺ ในปริมาณสูง แสดงว่าสารละลายนั้นมีฤทธิ์เป็นกรด (ค่า pH ต่ำ) หากมีไอออน H⁺ ในปริมาณต่ำ แสดงว่าสารละลายนั้นมีฤทธิ์เป็นเบส (ค่า pH สูง)

ตัวอย่างเช่น:

น้ำมะนาวมีค่า pH ประมาณ 2 (เป็นกรดมาก)
น้ำบริสุทธิ์มีค่า pH 7 (เป็นกลาง)
น้ำยาฟอกขาวมีค่า pH ประมาณ 12 (เป็นเบสมาก)

คำอธิบายเกี่ยวกับหน่วยของ pH

ต่อไปนี้คือคำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับมาตราส่วน pH ซึ่งเป็นแบบลอการิทึม ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงจำนวนเต็มแต่ละครั้งแสดงถึงการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเจนเป็นสิบเท่า ตัวอย่างเช่น สารละลายที่มีค่า pH 4 จะมีความเป็นกรดมากกว่าสารละลายที่มีค่า pH 5 ถึง 10 เท่า

ค่า pH	คุณสมบัติ	ตัวอย่าง
0–3	กรดรุนแรง	กรดแบตเตอรี่ กรดไฮโดรคลอริก
4–6	กรด	น้ำส้มสายชู น้ำมะเขือเทศ
7	กลาง	น้ำบริสุทธิ์
8–10	ด่าง	เบกกิ้งโซดา น้ำทะเล
11–14	ด่างรุ่นแรง	แอมโมเนีย สารฟอกขาว

การวัดค่า pH

ค่า pH มีความสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่นงานด้านอาหาร เนื่องจากมีบทบาทในรสชาติ (กรด = รสชาติเปรี้ยว, เป็นกลาง = จะมีรสจืด และหากพีเอชเป็นด่าง = ไม่สามารถรับประทานได้เนื่องจากมีรสชาติขม) และมีประโยชน์ในด้านการถนอมอาหาร ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพ จำเป็นต้องตรวจสอบค่า pH อย่างใกล้ชิดในระหว่างการผลิตสารละลายอิมมูโนแอสเซย์ นี่เป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ ของการใช้งานมากมายที่ค่า pH เป็นการวัดที่มีค่า

อีกทั้งการวัดค่า pH เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในเกือบทุกการใช้งานคุณภาพน้ำ ในการบำบัดน้ำเสีย ค่า pH จะถูกควบคุมเป็นส่วนหนึ่งของการอนุญาตการปล่อยทิ้ง และกระบวนการบำบัดหลายๆ กระบวนการนั้นขึ้นอยู่กับค่า pH ในการสุ่มตัวอย่างและการติดตามสิ่งแวดล้อม ค่า pH ที่สูงหรือต่ำอาจบ่งบอกถึงมลพิษได้

มีวิธีการทั่วไปไม่กี่วิธีที่ใช้ในการวัดค่า pH:

1. กระดาษวัดค่า pH (กระดาษลิตมัส)

เป็นวิธีง่ายๆ โดยใช้แถบกระดาษเคลือบสารบ่งชี้ทางเคมี เมื่อจุ่มลงในสารละลาย กระดาษจะเปลี่ยนสีตามระดับ pH แม้ว่าจะง่ายและไม่แพง แต่ก็ไม่ได้แม่นยำมากนัก

ข้อจำกัดของกระดาษลิตมัส

ไม่แม่นยำ: ไม่สามารถระบุค่า pH ที่เฉพาะเจาะจงได้ เป็นค่าที่ประมาณจากการเทียบสี
ช่วงจำกัด: ระบุได้เฉพาะกรด ด่างหรือกลางเท่านั้น
การรบกวนของสี: น้ำหรือสารละลายที่จะวัดอาจมีสี ทำให้การอ่านค่านั้นผิดเพี้ยนไป

2. เครื่องวัดค่า pH

เครื่องวัดค่า pH meter เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้วัดกิจกรรมของไฮโดรเจนไอออนในสารละลายที่ใช้น้ำ โดยระบุความเป็นกรดหรือด่างที่แสดงเป็นค่า pH โดยเครื่องจะวัดความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด pH และอิเล็กโทรดอ้างอิง

ด้วยความแม่นยำสำหรับวิธีการวัดแบบดิจิตอลนี้ทำให้นิยมใช้ในงานด้านต่างๆ มากมาย ตั้งแต่การทดลองในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการควบคุมคุณภาพ ในด้านต่างๆ เช่น

อาหารและเครื่องดื่ม
ยา
น้ำมันและก๊าซ
การเกษตร
โรงงานบำบัดน้ำ

แม้ว่านี่จะไม่ใช่รายชื่ออุตสาหกรรมทั้งหมดที่ใช้เครื่องวัดค่า pH แต่ก็ชัดเจนว่าเครื่องวัดนี้เป็นส่วนประกอบสำคัญของวิทยาศาสตร์และมีผลกระทบอย่างมากต่อชีวิตของเรา

3. ตัวบ่งชี้ทางเคมี

ชุดทดสอบตัวบ่งชี้ค่า pH เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ใช้เพื่อตรวจสอบระดับ pH ของสารละลายของเหลว ช่วยให้คุณระบุได้ว่าสารละลายนั้นเป็นกรด เป็นกลาง หรือเป็นด่าง ชุดทดสอบเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในห้องทดลองวิทยาศาสตร์ พิพิธภัณฑ์สัตว์น้ำ การทำสวน การทดสอบอาหาร สระว่ายน้ำ และอื่นๆ อีกมากมาย

โดยทั่วไปแล้วชุดทดสอบจะมีวิธีการใช้ดังนี้: