Habrás oído muchas veces sobre el término pH y, seguramente, lo asocies con colores y con los conceptos de ácido y base. Pero, ¿Tienes claro qué significa realmente que el pH sea alto o bajo, o por qué la escala de pH va de 0 a 14? También, puede que hayas oído que el pH es una medida de la acidez de una sustancia. Eso es cierto, pero a esta altura del curso, llevaremos la definición un poco más lejos. ¡Sigue leyendo, para encontrar estas y otras respuestas!
- En este artículo definiremos qué es el pH y cuál es el de los ácidos y las bases.
- Luego, veremos la escala del pH.
- Después, hablaremos sobre los ácidos y bases fuertes.
- Finalmente, veremos cómo calcular el pH de ácidos, bases y mezclas.
¿Qué es el pH?
El pH es una medida de la concentración de iones de hidrógeno (H+) de una solución.
En Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry, definimos un ácido como un dador de protones. Los protones son solo iones de hidrógeno H+ (acuérdate que también se conoce como ion hidronio, H3O+). Cuanto más fuerte sea un ácido y mejor sea su capacidad de donar protones, su pH será menor.
El químico danés Søren Peter Lauritz Sørensen, del laboratorio Carlsberg, inventó la escala de pH en 1909. Era cervecero y quería controlar cuidadosamente la acidez de su cerveza para promover el crecimiento saludable de la levadura y evitar el crecimiento de bacterias indeseables. Para esto, comenzó a estudiar exhaustivamente las biomoléculas y enzimas involucradas en este proceso. Gracias a esto, logró desarrollar la escala de pH como un mecanismo para cuantificar la concentraciones de iones de hidrógeno en una solución. Antes del desarrollo de la escala de pH, los conceptos de ácido y base ya estaban establecidos, pero su medición era una mera aproximación.
La H del pH significa hidrógeno. Pero, curiosamente, nadie sabe con certeza de dónde viene la p. Aunque el propio Sørensen era danés, trabajó en un laboratorio francés dominado por el trabajo científico alemán; las palabras "potencia" y "potencial" empiezan por p, en los ambos idiomas, así que podría ser cualquiera de ellas. Sin embargo, Sørensen podría haberse referido, simplemente, a la disolución de prueba como p; de ahí pH.
Podemos representar el pH con la siguiente ecuación:
$$pH=-log[H^{+}]$$
Así, si conocemos la concentración de iones de hidrógeno en una disolución, podemos calcular el pH de la misma.
Asegúrate de saber dónde está la tecla log10 en tu calculadora. Así podrás escribir las ecuaciones mucho más rápido.
El pH de los ácidos
Cuanto mayor sea la concentración de iones de hidrógeno en una disolución, menor será el pH, y viceversa. Al ceder hidrógenos, los ácidos aumentan la concentración de iones en la disolución, por eso dan un pH menor que 7. A mayor acidez (es decir, más hidrógenos cedidos), mayor será la concentración de iones y el valor del pH estará más cerca de 1.
El pH de las bases
Al aceptar hidrógenos, las bases aumentan la concentración de iones en la disolución; por eso tienen un pH menor de 7. A más hidrógenos aceptados, menor será la concentración de iones en la disolución y el valor del pH será mayor: cercano a 14.
El pH neutro
Puede que te hayan dicho en el pasado que un pH de 7 es neutro; pero, en realidad, en química la palabra neutro significa algo diferente:
Una disolución neutra es aquella que tiene concentraciones iguales de iones de hidrógeno (H+ o H3O+) y de hidróxido (OH-).
Escala de pH
Probablemente, ya conozcas la escala del pH. Es algo parecido a esto:
ácido básico
Figura 1: Representación gráfica de la escala de pH.
Si tuvieras que adivinar, ¿Dónde colocarías las siguientes sustancias en la escala?:
- Vinagre balsámico.
- Cerveza.
- Agua de mar.
- Jabón de manos.
Solución:
Figura 2: Ejemplos del pH de sustancias cotidianas.Puedes ver que la escala del pH va desde 0 a 14. Incluso va más allá, pero los valores por debajo de 0 o por encima de 14 son realmente raros.
Utilizando la escala anterior, podemos ver (por ejemplo) que el vinagre balsámico es un ácido mucho más fuerte que el jabón, ya que dona más protones en la disolución.
Ácidos y bases fuertes
Si has leído el artículo anterior, sabrás que los ácidos son dadores de protones y que se disocian en una disolución para formar iones negativos e iones de hidrógeno positivos. Esta disociación se llama también ionización; si es el agua la que se disocia, se llama autoionización. Esta una reacción reversible, como se muestra a continuación:
Sin embargo, algunos ácidos son muy buenos cediendo sus iones de hidrógeno, y no los quieren de vuelta. Por lo tanto, la reacción es esencialmente unidireccional. A estos ácidos los llamamos ácidos fuertes.
Un ácido fuerte se disocia completamente en una disolución.
De ahí, surge la siguiente ecuación:
$$HX\rightarrow H^{+}+X^{-}$$
Del mismo modo, podemos obtener bases fuertes.
Una base fuerte es una base que se disocia completamente en una disolución.
Si añadimos una base fuerte al agua, obtenemos la siguiente ecuación:
$$B+H_{2}O\rightarrow BH^{+}+OH^{-}$$
El valor del pH de los ácidos y las bases fuertes
Los ácidos fuertes tienen un pH bajo porque tienen una alta concentración de iones de hidrógeno en disolución. Al cederlos y no volver a aceptarlos, se convierten en bases conjugadas.
Algunos ejemplos son: el ácido clorhídrico (HCl), el ácido nítrico (HNO3) y el ácido sulfúrico (H2SO4).
Por el contrario, las bases fuertes tienen una baja concentración de iones de hidrógeno en la disolución, ya que los protones o iones hidronio reaccionan con el ion hidróxido para formar agua; esto hace que tengan un pH alto.
Ejemplos de ello son todos los hidróxidos del grupo 1 y del grupo 2, como el hidróxido de sodio (NaOH).
Figura 3: Rangos de pH típicos de los ácidos y las bases fuertes.
¿Cómo calcular el pH?
El cálculo del pH cambia ligeramente si es un ácido o una base. Tienes que tener en cuenta que el ácido cede protones, por lo que se puede calcular el pH directamente. En cambio, una base los acepta y forma iones hidróxido, por lo que no se puede calcular el pH directamente.
¿Cómo calculo el pH de un ácido fuerte?
Hay que acordarnos de que un ácido fuerte se disocia completamente en una disolución acuosa. Tomemos como ejemplo el ácido clorhídrico y resolvamos el siguiente ejercicio:
Encuentra el pH de 0,1 moles de ácido clorhídrico disueltos en 0,5L de agua.
- Si adicionamos 0,1 moles de ácido clorhídrico a 0,5L de agua, el ácido se disociará completamente en 0,1 moles de protones H+ y en 0,1 moles de iones cloruro, Cl-.
- Cuando queremos calcular la concentración, dividimos el número de moles entre el volumen de la disolución. Así, para hallar la concentración de iones de protones en esta disolución concreta, dividimos: 0,1 / 0,5 = 0,2 M (mol/L)
¿Y ahora qué? ¿Cómo podemos encontrar el valor del pH?
Bueno, primero, volvamos a nuestra ecuación original del pH:
$$pH = - log10[H^{+}] $$
Ahora conocemos la concentración de iones de hidrógeno en la disolución. Por lo tanto, podemos sustituirla en nuestra ecuación:
$$pH=-log10\cdot (0.2)=0.70$$
Ten en cuenta que el pH se indica siempre con dos decimales y no tiene unidades.
¿Cómo encontrar [H+] a partir del pH?
¿Qué ocurre si conocemos el pH de un ácido fuerte y queremos encontrar su concentración de protones? Fácil, en matemáticas hemos aprendido a reordenar ecuaciones:
Debemos tener en cuenta la reacción del pH:
$$pH=-log10\cdot [H^{+}]$$
Tenemos que llevar a cabo los siguientes pasos:
- Cambiamos el signo negativo, para que no esté en el lado de los protones: -pH = log10[H+]
- Sabemos que el logaritmo en base 10 es realmente el exponente de 1O-pH, por lo que solo hay que hacer el antilogaritmo de ambos lados:
$$10^{-pH}=[H^{+}]$$
¡Ya está!
Como has aprendido, para encontrar la concentración de protones, simplemente debes sustituye el valor de pH en la ecuación. Ahora, practiquemos; aquí tienes un ejemplo para que lo entiendas mejor:
El pH de una disolución de 0,5L de ácido clorhídrico es 0,75. Encuentra el número de moles de HCl en la disolución.
Como ya sabemos el valor del pH, vamos a sustituirlo en nuestra ecuación:$$10^{-7.5}=[H^{+}]$$
$$[H^{+}]=0.1778$$
Esto nos da la concentración de iones de hidrógeno en la disolución.
Pero, ¿qué sabemos del ácido clorhídrico? El ácido clorhídrico es un ácido fuerte y se disocia completamente en la disolución. Por lo tanto, la concentración de ácido clorhídrico es, también, 0,1778. Para encontrar el número de moles de ácido clorhídrico disuelto en la disolución, podemos multiplicar la concentración por el volumen:
0,1778 · 0,5 = 0,089; con dos cifras significativas (dos números que no son 0).
Recuerda comprobar las unidades de tus números antes de hacer cualquier cálculo [H+]. El número de moles siempre se da en M (mol/L), así que asegúrate de convertir tu volumen a L, también.
¿Cómo se calcula el pH de las bases fuertes?
Calcular el pH de las bases fuertes es un poco más complicado que calcular el pH de un ácido fuerte, porque hay un paso adicional: se necesita un valor conocido como Kw, el producto iónico del agua. Esto se debe a que los iones hidróxido reacciona con los protones; entonces, hay que saber cuántos OH- hay para calcular cuántos H+ habrá.
Kw varía en función de la temperatura; a una temperatura fija, siempre permanece igual. Por ejemplo, normalmente trabajarás con ácidos y bases a temperatura ambiente: unos 25℃. A esta temperatura, Kw es 1,00 · 10-14 M2.
Si conocemos la concentración de iones de hidróxido en la disolución, podemos utilizar Kw para encontrar la concentración de iones de hidrógeno. Entonces, podemos calcular el pH de la disolución, como hicimos anteriormente:
Calcula el pH de 0,1M en una disolución de hidróxido de sodio (NaOH).
Intenta encontrar la pregunta por ti mismo. Pero, por si te quedas atascado, repasémosla juntos ahora:
Dado que el hidróxido de sodio es una base fuerte, se disocia completamente en la disolución en iones hidróxido e iones sodio, respectivamente. Por tanto, la concentración de iones hidróxido en la disolución es, también, 0,1 M.
Entonces, podemos utilizar este valor, junto con Kw, para encontrar la concentración de iones de hidrógeno en la disolución: Kw = [H+]·[OH-]
Ahora, despejamos los protones:
$$\frac{K_{w}}{[OH^{-}]}=[H^{+}]$$
E introducimos los datos que tenemos:
$$\frac{1.00\cdot 10^{-14}M}{0.1M}=[H^{+}]=1.00\cdot 10^{-13}M$$
Finalmente, podemos reemplazar H
+ en nuestra ecuación del pH:
pH = - log (1,00 x 10-13)
pH = 13,00
¿Cómo se calcula el pH de las mezclas?
Calcular el pH de un ácido o de una base está muy bien, pero en la química y en la vida cotidiana es más frecuente encontrar mezclas de ácidos y bases. Estas reaccionan entre sí en reacciones de neutralización.
Por ejemplo, si padeces acidez de estómago causada por el ácido clorhídrico, puedes tomar pastillas de hidróxido de magnesio para neutralizar el exceso de ácido estomacal.
Siguiendo este ejemplo, algunos de los iones de hidróxido de la base (como el hidróxido de magnesio) reaccionan con los iones de hidrógeno del ácido (el ácido clorhídrico), para formar agua. Así, seguirán reaccionando hasta que uno de los reactivos se agote. Este es el reactivo limitante, mientras que el otro reactivo está en exceso.
Para determinar el pH de una mezcla:
- Hay que definir cuáles de los reactivos están en exceso.
- Luego, calcular la concentración de los iones hidrógeno o de los iones hidróxido que quedan.
- Después, determinar el pH, como antes.
A continuación, veremos un ejemplo, para ayudarte a entender los pasos que hay que seguir
Una mezcla contiene 50ml de 0,1M de H2SO4 y 25ml de 0,150M de NaOH .
Calcula su pH.
En primer lugar, tenemos que convertir el volumen a L:
$$50ml\cdot \frac{1l}{1000ml}=0.05l$$
Ahora, ya podemos usar el volumen y la concentración para calcular los moles:
$$0.05l\cdot 0.100\frac{mol}{l}=5\cdot 10^{-3}mol\ H_{2}SO_{4}$$
A continuación, podemos calcular el número de moles de iones de hidrógeno y de iones de hidróxido en la disolución. Sin embargo, verás que el H2SO4 contiene dos átomos de hidrógeno por mol, lo que significa que cada mol disuelto en la disolución produce dos moles de iones de hidrógeno acuosos.
Veamos la reacción:
$$H_{2}SO_{4}\rightarrow 2H^{+}+SO_{4}^{2-}$$
Al comparar los coeficientes estequiométricos de H2SO4:
$$5\cdot 10^{-3}mol\ H_{2}SO_{4}\cdot \frac{2\ mol\ H^{+}}{1\ mol\ H_{2}SO_{4}}=1\cdot 10^{-2}mol\ H^{+}$$
En el caso del NaOH, tenemos:$$25\cancel{ml}\cdot \frac{1l}{1000ml}=0.025l$$
$$0.025\cancel{l}\cdot 0.150\frac{mol}{\cancel{l}}=3.75\cdot 10^{-3}mol\ NaOH$$
Veamos la estequiometría:
$$NaOH\rightarrow Na^{+}+OH^{-}$$
Cada mol de se disocia, para producir solo un mol de iones de hidróxido, por lo que tenemos moles de iones de hidróxido:
$$3.75\cdot 10^{-3}\cancel{mol\ de\ NaOH}\cdot \frac{1mol\ OH^{-}}{1mol\ de\ NaOH}=3.75\cdot 10^{-3}mol\ OH$$
Pero, se trata de una reacción de neutralización, así que los iones de hidrógeno reaccionan con los iones de hidróxido, como ya hemos dicho.
$$H^{+}+OH^{-}\rightarrow H_{2}O$$
Ambos tienen coeficientes estequiométricos de 1, por lo que reaccionan en una proporción 1:1. Comparamos la concentración de ambas:
$$1\cdot 10^{-2}mol\ H^{+}>3.75\cdot 10^{-3}mol\ OH^{-}$$
Por eso, el
reactivo limitante es el ion hidróxido, y el
reactivo en exceso es el protón. Esto significa que algunos protones no reaccionarán y permanecerán en la disolución. Para averiguar este valor, resta el número de iones de hidróxido del número de iones de hidrógeno:$$(1\cdot 10^{-2}mol\ H^{+}\ totales)-(3.75\cdot 10^{-3}mol\ H^{+}\ que\ han\ reaccionado)=6.25\cdot 10^{-3}mol\ H^{+}\ que\ no\ han\ reaccionado$$Esa es la cantidad de iones de hidrógeno que quedan en la disolución. $$Ahora, podemos calcular el pH como en los ejemplos anteriores: primero utilizando el volumen total y, luego, calculando los logaritmos: $$Volumen=
0.05l+0.025l=0.0075l[H^{+}]=\frac{6.25\cdot 10^{-3}mol}{0.075l}==0.083MpH=-log(0.083)=1.08$$El siguiente diagrama de flujo resume cómo calcular el pH para ácidos fuertes, bases fuertes y las mezclas de ambos.
Figura 4: Un diagrama de flujo para calcular el pH.
¿Hay otros métodos de saber el pH, sin tener que hacer tantos cálculos? ¡Si! En el laboratorio tenemos métodos prácticos para calcularlo:
- A veces, no tienes que saber el pH con tanta exactitud, por lo que hacemos una medición aproximada mediante un indicador universal, que es una mezcla de colorantes que cambian de color a diferentes niveles de pH.
- Para una medición más precisa, podemos utilizar un pHmetro. Este mide la diferencia de potencial eléctrico entre una sonda de referencia y una sonda de pH, que varía en función de la concentración de iones de hidrógeno en la disolución. Este método es útil para lecturas continuas, como las que se realizan durante una reacción química.
pH - Puntos Clave
- La escala de pH mide la concentración de iones de hidrógeno en una disolución. El pH se puede calcular con la fórmula pH = - log [H+]
- Un pH inferior a 7 es ácido, mientras que un pH superior a 7 es básico o alcalino.
- Una disolución neutra tiene concentraciones iguales de iones de hidrógeno e hidróxido.
- Los ácidos y las bases fuertes se disocian completamente en una disolución.
- Para hallar el pH de un ácido fuerte, de una base fuerte o de una mezcla de ambos, primero hay que calcular la concentración de iones de hidrógeno en la disolución. A continuación, usa la fórmula indicada para hallar el pH.
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