15.4: Escala del pH

Los iones hidronio e hidróxido están presentes tanto en agua pura como en todas las soluciones acuosas, y sus concentraciones son inversamente proporcionales según lo determinado por el producto iónico del agua (K_w). Las concentraciones de estos iones en una solución son a menudo determinantes críticos de las propiedades de la solución y de los comportamientos químicos de sus otros solutos. Dos soluciones diferentes pueden diferir en sus concentraciones de iones hidronio o hidróxido en un millón, mil millones o incluso billones de veces. Un medio común de expresar cantidades que pueden abarcar muchos órdenes de magnitud es utilizar una escala logarítmica. Por lo tanto, el pH de una solución se define como se muestra aquí, donde [H₃O⁺] es la concentración molar de iones hidronio en la solución:

La reorganización de esta ecuación para aislar la molaridad del ion hidronio produce la expresión equivalente:

Asimismo, la molaridad de los iones hidróxido puede expresarse como una función p o pOH:

o bien

Por último, la relación entre estas dos concentraciones de iones expresadas como funciones p se obtiene fácilmente de la expresión K_w:

A 25 °C, el valor de K_w es de 1,0 × 10⁻¹⁴, por lo que:

La molaridad de iones hidronio en agua pura (o cualquier solución neutra) es de 1,0 × 10⁻⁷ M a 25 °C. Por lo tanto, el pH y el pOH de una solución neutra a esta temperatura son:

Y así, a esta temperatura, las soluciones ácidas son aquellas con molaridades de iones hidronio superiores a 1,0 × 10⁻⁷ M y molaridades de iones hidróxido inferiores a 1,0 × 10⁻⁷ M (correspondientes a valores de pH inferiores a 7,00 y valores de pOH superiores a 7,00). Las soluciones básicas son aquellas con molaridades de iones hidronio inferiores a 1,0 × 10⁻⁷ M y molaridades de iones hidróxido superiores a 1,0 × 10⁻⁷ M (correspondientes a valores de pH superiores a 7,00 y valores de pOH inferiores a 7,00).

Dado que la constante de autoionización K_w depende de la temperatura, estas correlaciones entre los valores de pH y los adjetivos ácido/neutro/básico serán diferentes a temperaturas distintas de 25 °C. Por ejemplo, la molaridad del hidronio del agua pura a 80°C es de 4,9 × 10⁻⁷ M, que corresponde a los valores de pH y pOH de:

A esta temperatura, las soluciones neutras muestran pH = pOH = 6,31, las soluciones ácidas muestran un pH inferior a 6,31 y un pOH superior a 6,31, mientras que las soluciones básicas muestran un pH superior a 6,31 y un POH inferior a 6,31. Esta distinción puede ser importante cuando se estudian ciertos procesos que ocurren a otras temperaturas, como reacciones enzimáticas en organismos de sangre caliente a una temperatura alrededor de 36 – 40 °C. A menos que se indique lo contrario, se presumirá que las referencias a los valores de pH son aquellas a 25 °C.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 14.2: pH y pOH.

La concentración de iones de hidronio en una solución acuosa generalmente se escribe con exponentes negativo y puede ser tan pequeña como 1 10⁻¹⁴ Mol. La escala de pH fue desarrollada por el químico Soren Sorenson en 1909 como una forma más conveniente de comparar rápidamente la acidez de diferentes soluciones. El pH de una solución es el logaritmo negativo de su concentración de iones de hidronio.

Por ejemplo, una solución con una concentración de hidronio 1 10⁻⁵ Mol tiene un pH de 5. Cuanto mayor sea la concentración de iones de hidronio de una solución, menor será su pH. Como el pH se expresa en una escala logarítmica, un cambio de una sola unidad corresponde a un aumento o disminución de 10 veces la concentración de iones de hidronio.

Una solución con un pH de 3 tendrá diez veces más iones de hidronio que una solución con un pH de 4 y cien veces más que una solución con un pH de 5. Una solución ácida tiene una concentración más alta de iones de hidronio que iones de hidróxido y un pH menor a 7 mientras que una solución básica tiene una concentración menor de iones de hidronio que iones de hidróxido y un pH mayor que 7. Una solución neutra con una concentración igual de iones de hidronio e hidróxido tiene un pH de 7.

La concentración de iones de hidróxido también se puede expresar como pOH. pOH es el logaritmo negativo de la concentración de iones de hidróxido. Cuanto mayor sea la concentración de iones de hidróxido, menor será su valor de pOH.

Un valor de pH o pOH de una solución acuosa varía entre 0-14. Esto se debe a que Kw, la constante de equilibrio para la autoionización del agua, es igual a 1 10⁻¹⁴. Si consideramos el logaritmo negativo de ambos lados de la ecuación da como resultado una ecuación en la que pKw es igual a la suma de pH y pOH.

Dado que el logaritmo negativo de 1 10⁻¹⁴ es 14, la suma del pH y el pOH de una solución acuosa siempre será 14. Esto se puede utilizar para determinar el valor del pH cuando se conoce el valor de pOH y viceversa. Por ejemplo, una solución con un pOH de 10 tiene un pH de 4.