10.5: Medición de la Acidez en Soluciones Acuosas- La Escala de pH

Objetivos de aprendizaje

• Defina la escala de pH y utilícela para describir ácidos y bases.

Conocer la cantidad de ácido y base en las soluciones es extremadamente importante para una amplia variedad de aplicaciones que van desde la elaboración de cerveza o vino hasta el estudio de los efectos de la acidificación del océano hasta la salud y la medicina. Los científicos son buenos para calcular y medir la concentración de hidronio en una solución, sin embargo, existe una manera más conveniente de hacer comparaciones entre soluciones: la escala de pH.

La Escala de pH

Una medida cualitativa de la fuerza de una solución ácida o base es la escala de pH, que se basa en la concentración del ión hidronio (o hidrógeno) en solución acuosa.

\[pH = -\log[H^+] \nonumber \]

o

\[pH = -\log[H_3O^+] \nonumber \]

La figura\(\PageIndex{1}\) illus trata esta relación, junto con algunos ejemplos de diversas soluciones. Debido a que las concentraciones de iones hidrógeno son generalmente menores de uno (por ejemplo\(1.3 \times 10^{-3}\,M\)), th e log del número será un número negativo. Para facilitar aún más el trabajo con el pH, el pH se define como el log negativo de\([H_3O^+]\), lo que dará un valor positivo para el pH.

Figura\(\PageIndex{1}\): La relación entre [H ⁺] y\(pH\) valores para varios materiales comunes.

Una solución neutra (ni ácida ni básica) tiene un pH de 7. Un pH por debajo de 7 significa que una solución es ácida, con valores menores de pH correspondientes a soluciones cada vez más ácidas. Un pH mayor a 7 indica una solución básica, con valores mayores de pH correspondientes a soluciones cada vez más básicas. Así, dado el pH de varias soluciones, se puede indicar cuáles son ácidas, cuáles son básicas, y cuáles son más ácidas o básicas que otras. Estos se resumen en la Tabla\ (\ PageIndex {1}.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Valores de pH Ácidos, Básicos y Neutros

Clasificación	Concentraciones relativas de iones	pH a 25 °C
ácido	[H ^+] > [OH ^−]	pH < 7
neutral	[H ^+] = [OH ^−]	pH = 7
básico	[H ^+] < [OH ^−]	pH > 7

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Encuentra el pH, dado\([H^+]\) lo siguiente:

1. 1 ×10 ^-3 M
2. 2.5 ×10 ^-11 M
3. 4.7 ×10 ^-9 M

Solución

pH = - log [H ₃ O ⁺]

Sustituir la cantidad conocida en la ecuación y resolver. Utilice una calculadora científica para b y c.

1. pH = - log [1 × 10 ⁻³] = 3. 0 (1 decimal ya que 1 tiene 1 cifra significativa)
2. pH = - log [2.5 ×10 ^-11] = 10. 60 (2 decimales ya que 2.5 tiene 2 cifras significativas)
3. pH = - log [4.7 ×10 ^-9] = 8. 33 (2 decimales ya que 4.7 tiene 2 cifras significativas)

Nota sobre cifras significativas:

Debido a que el número o números antes del punto decimal en el valor de pH se relacionan con la potencia en 10, el número de dígitos después del punto decimal (subrayado) es lo que determina el número de cifras significativas en la respuesta final.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Encuentra el pH, dado [H ⁺] de lo siguiente:

1. 5.8 ×10 ^-4 M
2. 1.0×10 ^-7 M

Contestar

a. 3.24

b. 7.00

La figura\(\PageIndex{2}\) enumera el pH de varias soluciones comunes. La más acídica entre las soluciones listadas es HCl 1 M con el valor de pH más bajo (0.0): el ácido de batería es la siguiente solución más ácida con un valor de pH de 0.3. La más básica es la solución de NaOH 1M con el valor de pH más alto de 14.0. Observe que algunos fluidos biológicos (ácido estomacal y orina) no son casi neutros. También puede notar que muchos productos alimenticios son ligeramente ácidos. Son ácidos porque contienen soluciones de ácidos débiles. Si los componentes ácidos de estos alimentos fueran ácidos fuertes, probablemente los alimentos serían incomestibles.

Figura\(\PageIndex{2}\): Una gráfica de pH versus [H ⁺] para algunas soluciones acuosas comunes. Aunque muchas sustancias existen en un rango de valores de pH (indicados entre paréntesis), se trazan usando valores típicos.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Marcar cada solución como ácida, básica o neutra con base únicamente en lo indicado\(pH\).

1. leche de magnesia, pH = 10.5
2. agua pura, pH = 7
3. vino, pH = 3.0

Solución

1. Con un pH mayor a 7, la leche de magnesia es básica. (La leche de magnesia es en gran parte Mg (OH) ₂.)
2. El agua pura, con un pH de 7, es neutra.
3. Con un pH inferior a 7, el vino es ácido.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Identificar cada sustancia como ácida, básica o neutra con base únicamente en lo establecido\(pH\).

1. sangre humana con\(pH\) = 7.4
2. amoníaco doméstico con\(pH\) = 11.0
3. cerezas con\(pH\) = 3.6

Contestar

a. ligeramente básico

b. básico

c. ácido

Medición del pH

Se han desarrollado herramientas que hacen que la medición del pH sea simple y conveniente (Figuras 4.3.3 y 4.3.4). Por ejemplo, el papel de pH consiste en tiras de papel impregnadas con uno o más indicadores ácido-base, que son moléculas orgánicas intensamente coloreadas cuyos colores cambian drásticamente dependiendo del pH de la solución. Colocar una gota de una solución sobre una tira de papel pH y comparar su color con estándares dan el pH aproximado de la solución. Una herramienta más precisa, el medidor de pH, utiliza un electrodo de vidrio, un dispositivo cuyo voltaje depende de la concentración de iones H ⁺ (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Formas de medir el pH. (izquierda) Estas tiras de pH pueden medir el pH en una serie de rangos poniendo muestra en una tira y comparando su cambio de color con colores en la caja que corresponden a un cierto pH. La tira de la izquierda mide pH 0-7 y muestra los resultados de una muestra de ácido fuerte; la tira central tiene un rango de pH 5-10 y muestra los resultados de una muestra de solución tampón 6.97; la tira de la derecha mide un amplio rango (pH 1-14) y muestra los resultados de una muestra de solución de agua blanqueadora al 10%. Esta imagen se puede ampliar haciendo clic en ella. (derecha) Estos tres medidores y sondas pueden medir el pH (izquierda) y la conductividad eléctrica (centro y derecha). Fotos de Monica Bruckner (cortesía del Science Education Resource Center (SERC) en Carleton College).

Lluvia ácida

El agua de lluvia normal tiene un pH entre 5 y 6 debido a la presencia de CO ₂ disuelto que forma ácido carbónico:

\[\ce{H2O (l) + CO2(g) ⟶ H2CO3(aq)} \label{14} \]

\[\ce{H2CO3(aq) \rightleftharpoons H^+(aq) + HCO3^- (aq)} \label{15} \]

La lluvia ácida es el agua de lluvia que tiene un pH inferior a 5, debido a que una variedad de óxidos no metálicos, incluyendo CO ₂, SO ₂, SO ₃, NO y NO ₂ se disuelven en el agua y reaccionan con ella para formar no solo ácido carbónico, sino ácido sulfúrico y ácido nítrico. La formación y posterior ionización de ácido sulfúrico se muestran aquí:

\[\ce{H2O (l) + SO3(g) ⟶ H2SO4(aq)} \label{16} \]

\[\ce{H2SO4(aq) ⟶ H^+(aq) + HSO4^- (aq)} \label{17} \]

El dióxido de carbono está naturalmente presente en la atmósfera porque nosotros y la mayoría de los otros organismos lo producimos como un producto de desecho del metabolismo. El dióxido de carbono también se forma cuando los incendios liberan carbono almacenado en la vegetación o cuando quemamos madera o combustibles fósiles. El trióxido de azufre en la atmósfera es producido naturalmente por la actividad volcánica, pero también proviene de la quema de combustibles fósiles, que tienen rastros de azufre, y del proceso de “tostado” de minerales de sulfuros metálicos en procesos de refinación de metales. Los óxidos de nitrógeno se forman en motores de combustión interna donde las altas temperaturas hacen posible que el nitrógeno y el oxígeno en el aire se combinen químicamente.

La lluvia ácida es un problema particular en áreas industriales donde los productos de combustión y fundición se liberan al aire sin ser despojados de óxidos de azufre y nitrógeno. En América del Norte y Europa hasta la década de 1980, fue responsable de la destrucción de bosques y lagos de agua dulce, cuando la acidez de la lluvia en realidad mató árboles, dañó el suelo e hizo que los lagos fueran inhabitables para todas las especies excepto para las más tolerantes a los ácidos. La lluvia ácida también corroe las fachadas estatuarias y de edificios que están hechas de mármol y piedra caliza (Figura\(\PageIndex{4}\)). Las regulaciones que limitan la cantidad de óxidos de azufre y nitrógeno que pueden ser liberados a la atmósfera por la industria y los automóviles han reducido la severidad del daño ácido tanto en ambientes naturales como provocados por el hombre en América del Norte y Europa. Ahora es un problema creciente en las zonas industriales de China e India.

Figura\(\PageIndex{4}\): (a) La lluvia ácida hace que los árboles sean más susceptibles a la sequía y la infestación de insectos, y agota los nutrientes en el suelo. b) También se corroe estatuas que están talladas en mármol o piedra caliza. (crédito a: modificación de obra de Chris M Morris; crédito b: modificación de obra por “Eden, Janine y Jim” /Flickr)