Qual è il significato di una scala di pH?

Anche per coloro che preferirebbero evitare di conoscere la scienza, sarebbe difficile negoziare il mondo senza sentire riferimenti regolari a qualcosa chiamato pH. Se non hai bisogno di sapere che cos'è per la lezione di chimica, è probabile che tu veda riferimenti al livello di pH e termini associati come acidità e alcalinità, se guardi semplicemente alcuni spot pubblicitari di shampoo.

Il scala del pH è uno strumento che i chimici hanno ideato per misurare quanto sia acida (o alcalina, l'opposto di "acida") una soluzione. Viene utilizzato ogni giorno in innumerevoli applicazioni, dal controllo del livello di cloro nella vasca idromassaggio dove dovrebbe essere quello di permettere ai biochimici di capire le condizioni ideali per le reazioni influenzate dall'acidità a si verificano.

La scala del pH, come molti strumenti utilizzati nelle scienze fisiche, non è quella che chiameresti una scala "intuitiva", come quella che va da 0 a 10 o da 1 a 100 utilizzata per i punteggi o le percentuali tipici dei quiz. Ma una volta sviluppato un profondo apprezzamento per ciò che il numero significa in termini di comportamento delle molecole in una soluzione acquosa (molecole disciolto negli atomi e nelle molecole componenti nell'acqua), l'intero schema non solo ha un senso, ma apre nuove porte a una comprensione completamente nuova di chimica.

L'abbreviazione pH sta per "potenziale di ioni idrogeno". Il termine è stato coniato dal biochimico danese Soren Sorenson, che ha definito la "p" come istruzioni per prendere il negativo del logaritmo della concentrazione di ioni idrogeno, scritto [H⁺]. pH è il logaritmo negativo di molarità di H, che è una misura degli ioni totali per unità di volume anziché della massa per unità di volume.

Matematicamente, la definizione di pH è

In gran parte della scienza fisica, l'idea di "concentrazione" si applica alle masse di particelle piuttosto che alle loro altre proprietà. Ad esempio, se 5,85 grammi (g) di sale normale (cloruro di sodio o NaCl) vengono sciolti in 1.000 millilitri o mL (1 litro o L) di acqua (H₂O), puoi quindi esprimere la concentrazione di cloruro di sodio in acqua in questo caso come 5,85 g/L, o 5,85 mg/mL, o altre unità equivalenti.

In chimica, tuttavia, la "quantità" di una sostanza che conta non è quanti grammi o chilogrammi di essa ci sono, ma quanti singoli atomi o molecole ci sono. Questo perché atomi e molecole reagiscono tra loro in base a rapporti atomici e molecolari, non a rapporti di massa.

Diversi tipi di atomi (cioè elementi diversi) hanno masse diverse, con il numero di grammi in 1 mole (6.02 × 10²³ singole particelle) dato nella "scatola" dell'elemento nella tavola periodica degli elementi (vedi Risorse).

Ad esempio, una molecola di H₂O ha due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Ogni H ha una massa di circa 1 g, mentre un atomo di O ha una massa di poco inferiore a 16 g. Pertanto, mentre 16/18 = 88,9 percento della massa di una molecola d'acqua è costituita da ossigeno, l'acqua ha sempre un rapporto 2 a 1 di atomi di H a O.

Questo concetto è usato per stabilire concentrazione molare, o moli per litro, designato M. Si dà il caso che la massa molare di Na sia 23,0 g e quella del cloro sia 35,5 g, quindi 1 mole (1 mol, nei calcoli) di NaCl ha una massa di 58,5 g. 5,85 g è 1/10 di questo, quindi 5,85 g NaCl/1 L = una soluzione 0,1 M NaCl,

Se non hai familiarità con i logaritmi o i log, considerali come un modo semplice per comprimere la vera variabilità di una quantità in una forma più matematicamente riconoscibile. I log sono esponenti gestiti in forma non apice, che richiede un calcolo matematico e di solito una calcolatrice.

La parte che devi sapere è che per ogni fattore 10 di aumento della concentrazione di ioni idrogeno, il pH diminuirà di 1 unità intera e viceversa. Ciò significa che una soluzione con un pH di 5,0 ha dieci volte la [H⁺] di una soluzione con un pH di 6,0 e 1/1.000 di [H⁺] di una soluzione a pH 3.0.

• Sia la forza acida (cioè le proprietà intrinseche dei singoli acidi) che la concentrazione acida (che puoi modificare in laboratorio) determinano il pH di una soluzione.

Come notato, una soluzione 1 molare (1M) di ioni idrogeno puro (senza anione associato) ha un pH di 0. Questo non è visto in natura ed è usato come punto di riferimento per misurare il pH usando un elettrodo che fa parte di un pHmetro. Questi sono calibrati per tradurre le differenze di tensione tra la soluzione di riferimento e una soluzione di interesse in un valore di pH per quest'ultima.

1 Talpa di ioni per litro significa circa 6,02 × 10²³ singole molecole o atomi (cioè singole particelle) per litro di soluzione.

I valori comuni di pH includono circa 1,5 per l'acidità di stomaco, circa 2 per il succo di lime, 3,5 per il vino, 7 per l'acqua pura, circa 7,4 per il sangue umano sano, 9 per la candeggina e 12 per l'ammoniaca domestica. Questi ultimi due composti sono fortemente basici e possono esercitare un danno fisico proprio come l'acido, anche se con un meccanismo diverso.

Un anione circolante nel sangue chiamato bicarbonato (HCO³⁻), che si forma da acqua e anidride carbonica, mantiene il sangue alquanto alcalino e funge da "tampone" in caso di H⁺ gli ioni si accumulano rapidamente nel sangue, come quando la respirazione viene interrotta per periodi prolungati.

Forse hai visto pubblicità di "antiacidi", che sono sostanze che, a differenza degli acidi, può accettare protoni, spesso donando un gruppo ossidrile (-OH) che accetta il protone per formare un'acqua molecola.

Il conseguente "risucchio" di ioni H+ nello stomaco dall'acido cloridrico che lo stomaco secerne naturalmente può fornire sollievo dagli effetti dannosi dell'acido sulle membrane interne.

Esempio: Qual è il pH di una soluzione con un [H+] di 4.9×10⁻⁷ M?

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

Si noti che il segno negativo spiega il fatto che le piccole concentrazioni di ioni osservate in misurato le soluzioni produrrebbero una scala con risultati negativi altrimenti, a causa dei valori dell'esponente negativo.

Esempio: Qual è la concentrazione di ioni idrogeno di una soluzione con un pH di 8,45?

Questa volta, metti la stessa equazione da usare in un modo leggermente diverso:

8.45 =−log[H⁺], o -8,45 = log[H⁺].

Per risolvere si usa il fatto che il numero tra parentesi è solo la base del log, 10, elevato al valore del log stesso:

[H+] = 10^−8.45 = 3.5 × 10⁻⁹ m.

Vedere le risorse per un esempio di uno strumento che consente di manipolare l'identità e la concentrazione di acidi in soluzione nel determinare i valori di pH associati.

Nota che mentre sperimenti con diversi acidi nell'elenco a discesa fornito e utilizzi diverse concentrazioni molari, lo farai scopri un fatto interessante sul pH: dipende sia dall'identità dell'acido (e quindi dalla sua forza intrinseca) sia dalla sua concentrazione. Un acido più debole in una concentrazione molare più alta può quindi produrre una soluzione con un pH più basso di una soluzione sufficientemente diluita di un acido più forte.