¿Cuál es el significado de una escala de pH?

Incluso para aquellos que prefieren evitar aprender sobre ciencia, sería difícil negociar el mundo sin escuchar referencias regulares a algo llamado pH. Si no tiene que saber qué es para la clase de química, es probable que vea referencias al nivel de pH y términos asociados como acidez y alcalinidad, si simplemente mira algunos comerciales de champú.

La escala PH es una herramienta que los químicos han ideado para medir qué tan ácida (o alcalina, lo opuesto a "ácida") es una solución. Se usa todos los días en innumerables aplicaciones, desde verificar si el nivel de cloro en su jacuzzi es donde debería estar para permitir que los bioquímicos descubran las condiciones ideales para que las reacciones afectadas por la acidez ocurrir.

La escala de pH, como muchas de las herramientas que se utilizan en las ciencias físicas, no es lo que llamaría una escala "intuitiva", como una que va de 0 a 10 o de 1 a 100 que se utiliza para los puntajes o porcentajes típicos de las pruebas. Pero una vez que desarrollas una apreciación profunda de lo que significa el número en términos del comportamiento de las moléculas en una solución acuosa (moléculas disuelto en átomos y moléculas componentes en el agua), todo el esquema no solo tiene sentido, sino que abre nuevas puertas a una comprensión completamente nueva de química.

La abreviatura pH significa "potencial de iones de hidrógeno". El término fue acuñado por el bioquímico danés Søren Sørenson, quien definió la "p" como instrucciones para tomar el negativo del logaritmo de la concentración de iones de hidrógeno, escrito [H⁺]. El pH es el logaritmo negativo del molaridad de H, que es una medida de iones totales por unidad de volumen en lugar de masa por unidad de volumen.

Matemáticamente, la definición de pH es

En gran parte de la ciencia física, la idea de "concentración" se aplica a masas de partículas más que a sus otras propiedades. Por ejemplo, si se disuelven 5,85 gramos (g) de sal común (cloruro de sodio o NaCl) en 1000 mililitros o ml (1 litro o L) de agua (H₂O), luego puede expresar la concentración de cloruro de sodio en el agua en este caso como 5.85 g / L, o 5.85 mg / mL, u otras unidades equivalentes.

En química, sin embargo, la "cantidad" de una sustancia que importa no es cuántos gramos o kilogramos hay, sino cuántos átomos o moléculas individuales hay. Esto se debe a que los átomos y las moléculas reaccionan entre sí en función de las proporciones atómicas y moleculares, no de las proporciones de masa.

Los diferentes tipos de átomos (es decir, diferentes elementos) tienen diferentes masas, con el número de gramos en 1 mol (6.02 × 10²³ partículas individuales) dadas en la "caja" del elemento en la tabla periódica de elementos (ver los Recursos).

Por ejemplo, una molécula de H₂O tiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cada H tiene una masa de aproximadamente 1 g, mientras que un átomo de O tiene una masa de poco menos de 16 g. Así, mientras que 16/18 = 88,9 por ciento de la masa de una molécula de agua consiste en oxígeno, el agua siempre tiene una proporción de 2 a 1 de átomos de H a O.

Este concepto se utiliza para establecer concentración molar, o moles por litro, designado METRO. Da la casualidad de que la masa molar del Na es 23,0 gy la del cloro es 35,5 g, por lo que 1 mol (1 mol, en los cálculos) de NaCl tiene una masa de 58,5 g. 5.85 g es 1/10 de esto, entonces 5.85 g NaCl / 1 L = una solución 0.1 M de NaCl,

Si no está familiarizado con los logaritmos o registros, considérelos como una forma sencilla de comprimir la verdadera variabilidad de una cantidad en una forma más matemáticamente relacionada. Los registros son exponentes que se manejan sin superíndice, lo que requiere un manejo matemático y, por lo general, una calculadora.

La parte que necesitas saber es que por cada factor de aumento de 10 en la concentración de iones de hidrógeno, el pH disminuirá en 1 unidad entera y viceversa. Esto significa que una solución con un pH de 5.0 tiene diez veces el [H⁺] de una solución con un pH de 6,0 y una milésima de [H⁺] de una solución de pH 3,0.

• Tanto la fuerza del ácido (es decir, las propiedades inherentes de los ácidos individuales) como la concentración de ácido (que puede cambiar en el laboratorio) determinan el pH de una solución.

Como se señaló, una solución 1 molar (1 M) de iones de hidrógeno puros (sin un anión asociado) tiene un pH de 0. Esto no se ve en la naturaleza y se usa como punto de referencia para medir el pH usando un electrodo que es parte de un medidor de pH. Estos están calibrados para traducir las diferencias de voltaje entre la solución de referencia y una solución de interés en un valor de pH para esta última.

1 Topo de iones por litro significa aproximadamente 6,02 × 10²³ moléculas individuales o átomos (es decir, partículas individuales) por litro de solución.

Los valores comunes de pH incluyen aproximadamente 1,5 para el ácido del estómago, aproximadamente 2 para el jugo de lima, 3,5 para el vino, 7 para el agua pura, aproximadamente 7,4 para la sangre humana sana, 9 para el blanqueador y 12 para el amoníaco doméstico. Los dos últimos compuestos son fuertemente básicos y pueden ejercer daño físico al igual que el ácido, aunque por un mecanismo diferente.

Un anión que circula en la sangre llamado bicarbonato (HCO³⁻), que se forma a partir del agua y el dióxido de carbono, mantiene la sangre algo alcalina y actúa como un "amortiguador" en caso de que H⁺ Los iones se acumulan rápidamente en la sangre, como cuando se interrumpe la respiración durante períodos prolongados.

Quizás haya visto anuncios de "antiácidos", que son sustancias que, a diferencia de los ácidos, puede aceptar protones, a menudo mediante la donación de un grupo hidroxilo (−OH) que acepta el protón para formar agua molécula.

El "barrido" resultante de iones H + en el estómago a partir del ácido clorhídrico que el estómago secreta naturalmente puede aliviar los efectos dañinos del ácido en las membranas internas.

Ejemplo: ¿Cuál es el pH de una solución con una [H +] de 4,9 × 10?⁻⁷ ¿METRO?

pH = −log [H⁺] = −log [4,9 × 10⁻⁷] = 6.31.

Tenga en cuenta que el signo negativo explica el hecho de que las pequeñas concentraciones de iones observadas en De lo contrario, las soluciones producirían una escala con resultados negativos, debido a los valores del exponente negativo.

Ejemplo: ¿Cuál es la concentración de iones de hidrógeno de una solución con un pH de 8.45?

Esta vez, pones la misma ecuación para usar de una manera ligeramente diferente:

8.45 = −log [H⁺], o −8,45 = log [H⁺].

Para resolver, usa el hecho de que el número entre paréntesis es solo la base del log, 10, elevado al valor del log en sí:

[H +] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ METRO.

Consulte los Recursos para ver un ejemplo de una herramienta que le permite manipular la identidad y concentración de ácidos en solución para determinar los valores de pH asociados.

Tenga en cuenta que a medida que experimenta con diferentes ácidos en la lista desplegable proporcionada y usa diferentes concentraciones molares, obtendrá descubrir un hecho interesante sobre el pH: depende tanto de la identidad del ácido (y por lo tanto de su fuerza inherente) y de su concentración. Por lo tanto, un ácido más débil con una concentración molar más alta puede producir una solución con un pH más bajo que una solución suficientemente diluida de un ácido más fuerte.