Segunda semana del cuarto periodo grado noveno

El pH, pOH y la escala de pH

 

Términos clave

Puntos más importantes

• Podemos hacer la conversión entre $[\text{H}^+]$y $\text{pH}$start text, p, H, end text mediante las siguientes ecuaciones:

$\begin{aligned}\text{pH}&=-\log[\text{H}^+]\\ \\ [\text H^+]&=10^{-\text{pH}}\end{aligned}$

• Podemos hacer la conversión entre $[\text{OH}^-]$open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket y $\text{pOH}$ mediante las siguientes ecuaciones:

$\begin{aligned}\text{pOH}&=-\log[\text{OH}^-]\\ \\ [\text {OH}^-]&=10^{-\text{pOH}}\end{aligned}$

• Para cualquier solución acuosa a $25\,^\circ\text{C}$25, degrees, start text, C, end text:

$\text{pH}+\text{pOH}=14$

• Para cada aumento por un factor de $10$ en la concentración de $[\text{H}^+]$, el $$start text, p, H, end text disminuirá por $1$1 unidad y viceversa.
   
• Tanto la fuerza del ácido como su concentración determinan $[\text{H}^+]$y el $\text{pH}$start text, p, H, end text.
   

Introducción

En solución acuosa, un ácido se define como cualquier especie que aumenta la concentración de $\text{H}^+(ac)$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, mientras que una base aumenta la concentración de $\text{OH}^-(ac)$start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis. Las concentraciones típicas de estos iones en solución pueden ser muy pequeñas y también abarcan un intervalo amplio.

 

El color de las flores de la hortensia puede variar según el pH del suelo. Flores de color azul generalmente provienen de suelos ácidos con un pH menor a 6 y las flores rosadas de suelos con un pH superior a 6. Foto de WIkimedia Commons, CC BY 2.0

 

Por ejemplo, una muestra de agua pura a $25\, ^ \circ\text{C}$ contiene $1.0 \times 10^{-7}\text{ M}$ de $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript y $\text{OH}^-$. En comparación, la concentración de ${\text H^+}$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en el ácido del estómago puede ser de hasta ~$1.0 \times10^{-1}\,\text M$ ¡Es decir que $[\text{H}^+]$open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket para el ácido del estómago es aproximadamente $6$6 órdenes de magnitud mayor que en el agua pura! 

 

Con el fin de evitar tratar con números tan grandes, los científicos convierten estas concentraciones a valores de $\text{pH}$start text, p, H, end text o $\text{pOH}$start text, p, O, H, end text. Echemos un vistazo a las definiciones de $\text{pH}$start text, p, H, end text y $\text{pOH}$start text, p, O, H, end text.

 

Lectura de la escala de pH

La escala de pH se usa para clasificar soluciones en términos de lo ácidas o básicas que son. Indica la concentración de iones hidrógeno (H+) e iones hidróxido (OH-) en una solución. Estas concentraciones iónicas son iguales en el agua pura, que tiene un pH de 7.

 

Este valor de 7 en la escala de pH es importante porque indica una solución neutra. Todas las demás sustancias se comparan con este punto neutro. Cualquier solución que tiene un pH menor a 7 se considera ácida, y cualquier cosa con un pH arriba de 7 es básica.

 

La conversión de $[\text{H}^+]$ en $\text{pH}$start text, p, H, end text es una manera conveniente de medir la relativa acidez o basicidad de una solución. La escala de $\text{pH}$ nos permite fácilmente clasificar distintas sustancias por su valor de $\text{pH}$start text, p, H, end text. 

 

La escala de $\text{pH}$ es una escala logarítmica negativa. La parte logarítmica significa que el $\text{pH}$ cambia 1 unidad por cada factor de $10$10 en el cambio de la concentración de $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. El signo negativo delante del log nos dice que hay una relación inversa entre el $\text{pH}$ y $[\text{H}^+]$: cuando aumenta el $\text{pH}$start text, p, H, end text, $[\text{H}^+]$open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket disminuye, y viceversa. 

 

La siguiente imagen muestra una escala con valores de $\text{pH}$ para algunas sustancias comunes del hogar. Estos valores de $\text{pH}$start text, p, H, end text son para soluciones a $25\, ^ \circ\text{C}$25, degrees, start text, C, end text. Ten en cuenta que es posible tener valores de $\text{pH}$ negativos.

 

Algunos conceptos importantes que recordar para soluciones acuosas a $25{}^{\circ }\text{C}$25, degrees, start text, C, end text:

• Para una solución neutra, $\text{pH}=7$start text, p, H, end text, equals, 7.
   
• Las soluciones ácidas tienen $\text{pH}<7$start text, p, H, end text, is less than, 7.
   
• Las soluciones básicas tienen $\text{pH}>7$.

Mientras más bajo sea el valor del $\text{pH}$start text, p, H, end text, más ácida será la solución y mayor será la concentración de $\text H^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. Cuanto mayor sea el valor de $\text{pH}$start text, p, H, end text, más básica es la solución y menor será la concentración de $\text H^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. También podríamos describir la acidez o basicidad de una solución en términos del $\text{pOH}$start text, p, O, H, end text, pero es más común el uso de $\text{pH}$start text, p, H, end text. Por suerte, podemos convertir fácilmente entre valores $\text{pH}$start text, p, H, end text y $\text{pOH}$text, p, O, H, end text.

 

Errores conceptuales comunes

• Las ácidos no siempre son peligrosos. Los ácidos tienen una mala reputación por ser peligrosos, pero hay muchas sustancias ácidas que son útiles (¡e incluso sabrosas!). Por ejemplo el jugo de naranja y el café son sustancias ácidas. Además, aunque hay unos pocos ácidos que debes evitar manejar (p.ej., ácido fluorhídrico), no te dejes engañar: las bases fuertes también pueden hacer daño.
   
• Un valor de pH más bajo significa un ácido más fuerte, y un valor de pH más alto significa una base más fuerte. Esto puede ser un poco confuso, pero entre más bajo es el pH de una sustancia, más fuerte es el ácido. A veces ayuda pensar que entre más lejos del valor neutro está una sustancia, más fuerte es en dirección ácida o básica.
   
• Los ácidos y las bases no solo son importantes en la química. Aunque cuando aprendas de ácidos y bases en tu clase de química podrías entrar en más detalle sobre ellos, son muy importantes para los seres vivos. De hecho, la mayoría de las enzimas funcionan mejor a un pH específico. Por ejemplo, la enzima pepsina se necesita para la digestión de proteínas en el estómago, pero solo funciona a un pH muy bajo. Por ello es importante mantener un ambiente ácido en el estómago para asegurar que los alimentos se digieran bien.
   

Definiciones de $\text{pH}$start text, p, H, end text y $\text{pOH}$

$$start text, p, O, H, end text

Relación entre $[\text H ^ +]$ y $\text{pH}$start text, p, H, end text

El $\text{pH}$start text, p, H, end text para una solución acuosa se calcula a partir de $[\text{H}^+]$utilizando la siguiente ecuación:

$\text{pH}=-\log[\text{H}^+]\quad\quad\quad\quad\;\;\;\text{(Ec. 1a)}$start text, p, H, end text, equals, minus, log, open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, start text, left parenthesis, E, c, point, space, 1, a, right parenthesis, end text

La $\text{p}$start text, p, end text minúscula representa $``-\text{log}_{10}"$`, `, minus, start text, l, o, g, end text, start subscript, 10, end subscript, ". A menudo se deja fuera la parte de la base $10$ para abreviar. 

 

Por ejemplo, si tenemos una solución con $[\text{H}^+]=1 \times 10 ^{-5}\text{ M}$open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 1, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, start text, space, M, end text, entonces podemos calcular $\text{pH}$ mediante la Ec 1a:

$\text{pH}=-\log(1 \times 10^{-5})=5.0$start text, p, H, end text, equals, minus, log, left parenthesis, 1, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, right parenthesis, equals, 5, point, 0

Dado el $\text{pH}$start text, p, H, end text de una solución, también podemos obtener $[\text{H}^+]$open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket:

$[\text H^+]=10^{-\text{pH}}\quad\quad\quad\quad\quad\;\;\;\text{(Ec. 1b)}$open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 10, start superscript, minus, start text, p, H, end text, end superscript, start text, left parenthesis, E, c, point, space, 1, b, right parenthesis, end text

Relación entre $[\text {OH}^-]$open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket y $\text{pOH}$start text, p, O, H, end text

De la misma manera, el $\text{pOH}$ para una solución acuosa se define a partir de $[\text{OH}^-]$open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket:

$\text{pOH}=-\log[\text{OH}^-]~\quad\quad\quad\;\;\text{(Ec. 2a)}$start text, p, O, H, end text, equals, minus, log, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, space, start text, left parenthesis, E, c, point, space, 2, a, right parenthesis, end text

Por ejemplo, si tenemos una solución con $[\text{OH}^-]=1 \times 10^{-12}\text{ M}$open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, 1, times, 10, start superscript, minus, 12, end superscript, start text, space, M, end text, entonces podemos calcular $\text{pOH}$start text, p, O, H, end text mediante la Ec. 2a:

$\text{pOH}=-\log (1\times 10^{-12})=12.0$start text, p, O, H, end text, equals, minus, log, left parenthesis, 1, times, 10, start superscript, minus, 12, end superscript, right parenthesis, equals, 12, point, 0

Dado el $\text{pOH}$ de una solución, también podemos obtener $[\text{OH}^-]$open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket:

$10^{-\text{pOH}}=[\text {OH}^-]\quad\quad\quad\quad\quad\;\;\;\text{(Ec. 2b)}$10, start superscript, minus, start text, p, O, H, end text, end superscript, equals, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, start text, left parenthesis, E, c, point, space, 2, b, right parenthesis, end text

Relación entre $\text{pH}$ y $\text{pOH}$start text, p, O, H, end text

De acuerdo con las concentraciones de equilibrio de $\text{H}^+$start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript y de $\text{OH}^-$ en agua, la siguiente relación es verdadera para cualquier solución acuosa a $25{}^{\circ }\text{C}$25, degrees, start text, C, end text:

 

$\text{pH}+\text{pOH}=14\text{(Ec. 3)}$start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14, space, space, start text, left parenthesis, E, c, point, space, 3, right parenthesis, end tex