En química, el pH es una escala logarítmica utilizada para determinar la acidez de un medio. Este es aproximadamente el logaritmo negativo en base 10 de la concentración molar, medido en unidades de moles por litro de iones de hidrógeno. También se puede llamar un indicador de la acidez del medio ambiente. Más precisamente, es el logaritmo negativo en base 10 de la actividad de los iones de hidrógeno. A 25°C, las soluciones con un pH inferior a 7 son ácidas y las soluciones con un pH superior a 7 son básicas. El valor de pH neutro depende de la temperatura y es inferior a 7 a medida que aumenta la temperatura. El agua pura es neutra, pH=7 (a 25°C), ni ácida ni alcalina. Contrariamente a la creencia popular, el valor de pH puede ser inferior a 0 o superior a 14 para ácidos y bases muy fuertes, respectivamente.
Solicitud
Las mediciones de pH son importantes en agronomía, medicina, química, tratamiento de agua y muchas otras áreas.
La escala de pH es relevante para un conjunto de soluciones estándar, cuya acidez es establecida por la norma internacionalconvenio. Los estándares primarios de pH se determinan utilizando una celda de concentración de transferencia midiendo la diferencia de potencial entre un electrodo de hidrógeno y un electrodo estándar como el cloruro de plata. El pH de las soluciones acuosas se puede medir con un electrodo de vidrio y un medidor o indicador de pH.
Apertura
El químico danés Søren Peter Laurits Sørensen introdujo por primera vez el concepto de pH en el laboratorio de Carlsberg en 1909 y se revisó al nivel de pH actual en 1924 para adaptarse a definiciones y medidas en términos de celdas electroquímicas. En los primeros trabajos, la notación tenía la letra H en p minúscula, lo que significa: pH.
Origen del nombre
Se discute el significado exacto de la p, pero según la Fundación Carlsberg, pH significa "el poder del hidrógeno". También se ha sugerido que la p representa la palabra alemana potenz ("poder"), otros se refieren al francés puisance (que también significa "poder", basado en el hecho de que el laboratorio de Carlsberg era francés). Otra sugerencia es que p se refiere al término latino pondus hydroii (cantidad de hidrógeno), potentio hydroii (capacidad de hidrógeno) o potencial hydroli (potencial de hidrógeno). También se sugiere que Sørensen usó las letras p y q (generalmente letras conjugadas en matemáticas) simplemente para denotar la solución de prueba (p) y la solución de referencia (q). Actualmente, en química, p representa el logaritmo decimal y también se usa en el término pKa, que se usa para las constantes de disociación de la acidez de un medio.
Contribuciones estadounidenses
La bacterióloga Alice Evans, conocida por la influencia de su trabajo sobre los productos lácteos y la seguridad alimentaria, le dio crédito a William Mansfield Clark y sus colegas por desarrollar métodos para medir el pH en la década de 1910, que posteriormente tuvo un gran impacto en laboratorios e industrias. usar. En sus memorias, no menciona cuánto sabían Clarke y sus colegas sobre el trabajo de Sorensen en los años anteriores. Ya en ese momento, los científicos estaban estudiando activamente el tema de la acidez/alcalinidad del medio ambiente.
Influencia del ácido
La atención del Dr. Clark se centró en el efecto del ácido sobre el crecimiento bacteriano. Y gracias a ello complementó la idea de la entonces ciencia del índice de hidrógeno de la acidez del ambiente. Descubrió que era la intensidad del ácido en términos de la concentración de iones de hidrógeno lo que afectaba su crecimiento. Pero los métodos existentes para medir la acidez de un medio determinaban la cantidad, no la intensidad del ácido. Luego, con sus colegas, el Dr. Clark desarrolló métodos precisos para medir la concentración de iones de hidrógeno. Estos métodos han reemplazado el método de titulación impreciso para la determinación de ácido en laboratorios biológicos de todo el mundo. También se ha descubierto que se pueden utilizar en muchos procesos industriales y de otro tipo en los que se utilizan ampliamente.
Aspecto práctico
El primer método electrónico de medición del pH fue inventado por Arnold Orville Beckman, profesor del Instituto de Tecnología de California, en 1934. Fue en este punto que el citricultor localSunkist quería un mejor método para probar rápidamente el pH de los limones que cosecharon de los huertos cercanos. Siempre se tuvo en cuenta la influencia de la acidez del medio.
Por ejemplo, para una solución con una actividad de iones de hidrógeno de 5 × 10–6 (a este nivel, este es, de hecho, el número de moles de iones de hidrógeno por litro de solución), obtenemos 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Por lo tanto, dicha solución tiene un pH de 5,3. Se cree que las masas de un mol de agua, un mol de iones de hidrógeno y un mol de iones de hidróxido son respectivamente 18 g, 1 g y 17 g, la cantidad de 107 moles (pH 7) de agua pura contiene aproximadamente 1 g de iones de hidrógeno disociados (o, más precisamente, 19 g de H3O + iones hidronio) y 17 g de iones hidróxido.
El papel de la temperatura
Tenga en cuenta que el pH depende de la temperatura. Por ejemplo, a 0 °C el pH del agua pura es 7,47, a 25 °C es 7 y a 100 °C es 6,14.
El potencial del electrodo es proporcional al pH cuando el pH se define en términos de actividad. La medición precisa del pH se presenta en la norma internacional ISO 31-8.
Una celda galvánica está configurada para medir la fuerza electromotriz (EMF) entre el electrodo de referencia y el electrodo de detección de actividad de iones de hidrógeno cuando ambos están sumergidos en la misma solución acuosa. El electrodo de referencia puede ser un objeto de cloruro de plata o un electrodo de calomelanos. Un electrodo selectivo de iones de hidrógeno es estándar para estas aplicaciones.
Para poner en práctica este proceso, se utiliza un electrodo de vidrio en lugar de un voluminoso electrodo de hidrógeno. ÉlTiene un electrodo de referencia incorporado. También está calibrado frente a soluciones tampón con actividad conocida de iones de hidrógeno. IUPAC sugirió usar un conjunto de soluciones tampón con actividad H+ conocida. Se utilizan dos o más soluciones amortiguadoras para tener en cuenta el hecho de que la pendiente puede ser ligeramente inferior a la ideal. Para implementar este enfoque de calibración, primero se sumerge el electrodo en una solución estándar y la lectura del medidor de pH se establece en el valor del tampón estándar.
¿Qué sigue?
La lectura de la segunda solución tampón estándar se corrige usando el control de pendiente para que sea igual al nivel de pH de esa solución. Cuando se utilizan más de dos soluciones tampón, el electrodo se calibra ajustando los valores de pH observados en una línea recta con respecto a los valores estándar del tampón. Las soluciones tampón estándar comerciales generalmente se suministran con información sobre el valor a 25 °C y el factor de corrección que se aplicará para otras temperaturas.
Definición característica
La escala de pH es logarítmica y, por lo tanto, el pH es una cantidad adimensional, a menudo utilizada, entre otras cosas, para medir la acidez del medio interno de la célula. Esta fue la definición original de Sorensen, que fue reemplazada en 1909.
Sin embargo, es posible medir directamente la concentración de iones de hidrógeno si el electrodo está calibrado en términos de concentraciones de iones de hidrógeno. Una forma de hacer esto, que ha sido ampliamente utilizada, es valorar una solución de concentración conocida.ácido fuerte con una solución de una concentración conocida de un álcali fuerte en presencia de una concentración relativamente alta de un electrolito de soporte. Dado que se conocen las concentraciones de ácido y álcali, es fácil calcular la concentración de iones de hidrógeno para que el potencial pueda relacionarse con el valor medido.
Los indicadores se pueden usar para medir el pH usando el hecho de que su color cambia. La comparación visual del color de la solución de prueba con una escala de color estándar permite medir el pH con una precisión entera. Es posible realizar mediciones más precisas si el color se mide espectrofotométricamente con un colorímetro o un espectrofotómetro. El indicador universal se compone de una mezcla de indicadores para que haya un cambio de color permanente de aproximadamente pH 2 a pH 10. El papel indicador universal está hecho de papel absorbente que ha sido impregnado con un indicador universal. Otro método para medir el pH es utilizar un medidor de pH electrónico.
Niveles de medición
La medición de pH por debajo de aproximadamente 2,5 (alrededor de 0,003 moles de ácido) y por encima de aproximadamente 10,5 (alrededor de 0,0003 moles de álcali) requiere procedimientos especiales porque la ley de Nernst se viola en tales valores cuando se usa un electrodo de vidrio. Varios factores contribuyen a esto. No se puede suponer que los potenciales de transición líquidos sean independientes del pH. Además, un pH extremo significa que la solución está concentrada, por lo que los potenciales de electrodo se ven afectados por el cambio en la fuerza iónica. A pH alto, el electrodo de vidrio puede sersujeto al error alcalino a medida que el electrodo se vuelve sensible a la concentración de cationes como Na+ y K+ en solución. Hay electrodos especialmente diseñados que solucionan parcialmente estos problemas.
La escorrentía de las minas o los desechos de las minas pueden generar valores de pH muy bajos.
El agua pura es neutra. No es ácido. Cuando el ácido se disuelva en agua, el pH estará por debajo de 7 (25°C). Cuando un álcali se disuelve en agua, el pH será superior a 7. Una solución de 1 mol de un ácido fuerte como el ácido clorhídrico tiene un pH de cero. Una solución de un álcali fuerte como el hidróxido de sodio en una concentración de 1 mol tiene un pH de 14. Por lo tanto, los valores de pH medidos generalmente estarán en el rango de 0 a 14, aunque los valores y valores de pH negativos por encima de 14 son bastante posibles.
Mucho depende de la acidez del medio de la solución. Debido a que el pH es una escala logarítmica, una diferencia de una unidad de pH equivale a diez veces la diferencia en la concentración de iones de hidrógeno. El PH de neutralidad no llega del todo a 7 (a 25 °C), aunque en la mayoría de los casos es una buena aproximación. La neutralidad se define como la condición en la que [H+]=[OH-]. Dado que la autoionización del agua mantiene el producto de estas concentraciones [H+] × [OH-]=Kw, se puede ver que en la neutralidad [H+]=[OH-]=√Kw o pH=pKw / 2.
PKw es aproximadamente 14, pero depende de la fuerza iónica y la temperatura, por lo que también importa el valor de pH del medio, que debe ser neutronivel. El agua pura y una disolución de NaCl en agua pura son neutras porque la disociación del agua produce la misma cantidad de ambos iones. Sin embargo, el pH de una solución neutra de NaCl será ligeramente diferente del pH del agua pura neutra, ya que la actividad de los iones de hidrógeno e hidróxido depende de la fuerza iónica, por lo que Kw varía con la fuerza iónica.
Plantas
Los pigmentos vegetales dependientes que se pueden usar como indicadores de pH se encuentran en muchas plantas, como el hibisco, el repollo rojo (antocianina) y el vino tinto. El jugo de cítricos es ácido porque contiene ácido cítrico. Otros ácidos carboxílicos se encuentran en muchos sistemas vivos. Por ejemplo, el ácido láctico es producido por la actividad muscular. El estado de protonación de los derivados del fosfato, como el ATP, depende de la acidez del pH medio. El funcionamiento de la enzima de transferencia de oxígeno de la hemoglobina se ve afectado por el pH en un proceso conocido como efecto raíz.
Agua de mar
En el agua de mar, el pH generalmente se limita a entre 7,5 y 8,4. Desempeña un papel importante en el ciclo del carbono en el océano, y hay evidencia de la acidificación continua del océano causada por las emisiones de dióxido de carbono. Sin embargo, medir el pH es complicado debido a las propiedades químicas del agua de mar, y existen varias escalas de pH diferentes en la oceanografía química.
Soluciones especiales
Como parte de la definición operativa de la escala de acidez (pH), la IUPAC define una serie de soluciones tampón en el rango de pH (a menudo denominadoNBS o NIST). Estas soluciones tienen una fuerza iónica relativamente baja (≈0,1) en comparación con el agua de mar (≈0,7) y, como resultado, no se recomienda su uso en la caracterización del pH del agua de mar porque las diferencias en la fuerza iónica provocan cambios en el potencial del electrodo. Para solucionar este problema, se ha desarrollado una serie alternativa de amortiguadores basados en agua de mar artificial.
Esta nueva serie resuelve el problema de las diferencias de fuerza iónica entre las muestras y los tampones, y la nueva escala de pH para acidez media se denomina escala común, a menudo denominada pH. La escala general se determinó utilizando un medio que contenía iones de sulfato. Estos iones experimentan protonación, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, por lo que la escala total incluye la influencia tanto de los protones (iones de hidrógeno libres) como de los iones de sulfuro de hidrógeno:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
La escala libre alternativa, a menudo denominada pHF, omite esta consideración y se centra exclusivamente en [H+]F, lo que la convierte en principio en una representación más sencilla de la concentración de iones de hidrógeno. Solo se puede determinar [H+] T, por lo que se debe estimar [H+] F utilizando [SO2-4] y la constante de estabilidad HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
Sin embargo, es difícil estimar KS en agua de mar, lo que limita la utilidad de una escala libre más simple.
Otra escala, conocida como escala del agua de mar, a menudo denominada pHSWS, tiene en cuenta los enlaces de protones adicionales entre los iones de hidrógeno y los iones de fluoruro, H+ + F- ⇌ alta frecuencia El resultado es la siguiente expresión para [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
Sin embargo, el beneficio de considerar esta complejidad adicional depende del contenido de flúor del medio. Por ejemplo, en el agua de mar, los iones de sulfato se encuentran en concentraciones mucho más altas (> 400 veces) que las concentraciones de flúor. Como consecuencia, para la mayoría de los propósitos prácticos, la diferencia entre la escala común y la escala del agua de mar es muy pequeña.
Las siguientes tres ecuaciones resumen las tres escalas de pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Desde un punto de vista práctico, las tres escalas de pH de un ambiente ácido (o agua de mar) difieren en sus valores hasta 0,12 unidades de pH, y las diferencias son mucho mayores de lo que normalmente se requiere para la precisión de Mediciones de pH, en particular en relación con el sistema de carbonato del océano.
