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ácido base | (Ejercicios)
(Generalidades)
(Teoría
de Arrhenius) (Teoría
de Brønsted-Lowry) (Constante
de disociación ácida Ka) (Introducción
a la teoría de Lewis) (Producto
iónico del agua Kw) (El
pH) (Reacciones
ácido-base) (Indicadores
de acidez) (Efecto
de la acidez en el suelo) (Referencias
bibliográficas)
En química, pH que históricamente se lee como
"potencial de hidrógeno" (o "potencia de hidrógeno"), es
una escala utilizada para especificar la acidez o basicidad de una solución
acuosa en términos de la teoría de Brønsted-Lowry. Las soluciones ácidas (soluciones
con concentraciones más altas de iones H+) se miden para tener
valores de pH más bajos que las soluciones básicas o alcalinas. Dicho esto, el pH se calcula con la siguiente
función:
Donde la concentración de
iones protio debe ser aquella en equilibrio, lo cual no es difícil
dado que las reacciones ácido-base son muy rápidas. Tenga en cuenta que también
podemos hacer el mismo cálculo con el grupo hidróxido:
Siendo 10-7 el valor de neutralidad. Aunque
podríamos emplear escalas de concentración molar de los iones de hidrógeno para
determinar la potencia de un ácido, la verdad es que los valores en
concentración molar generar números engorrosos de manejar, pues involucrar
notación científica. Por el contrario, la escala de pH nos ofrecen números pequeños,
qué son fácilmente entendibles por aquellos que no son expertos en química.
DEMOSTRACIÓN: deduzca la relación entre el pH, el pOH y el
pK a partir de la ecuación de autodisociación del agua con Kw = 10-14.
DEMOSTRACIÓN: A partir de la ecuación pH + pOH = 14 y las
definiciones fundamentales de los potenciales, obtenga ecuacion es para
calcular el pH y el pOH en términos de sus recíprocos y sus respectivas
concentraciones.
De la anterior se puede expresar una función para calcular
el pH en términos del pOH y viceversa.
La escala de pH
De todas las
potencias, la más famosa es la de los hidrógenos o pH, y sobre ella se crea la
escala de pH:
La escala de pH es un valor que normalmente va de 0 a 14, pero en ocasiones en ácidos muy concentrados puede arrojar números negativos. El pH 7 se considera neutro; los pH inferiores a 7 se consideran ácidos; y los superiores a 7 se consideran básicos.
Figura 8‑1. Escala
de pH. Relaciones de pH “Arriba” colorante de col lombarda “centro” y
concentraciones de iones protio e hidroxilo “abajo”. Debido a que podemos
determinar qué tan básica es una solución con el pH, los cálculos con
concentración de aporte básico total no se hacen.
El número
de decimales en el valor de pH es el mismo que
el número de cifras significativas en el coeficiente de la concentración molar
de iones hidronio.
Debido a
que el pH es una escala logarítmica, un cambio de una unidad de pH corresponde
a un cambio diez veces mayor en iones hidronio. Es importante tener en cuenta
que el pH disminuye a medida que aumenta la concentración de iones hidronio.
Por ejemplo, una solución con un pH de 2.00 tiene una concentración de iones
hidronio 10 veces mayor que una solución con un pH de 3.00 y 100 veces más alta
que una solución con un pH de 4.00. En otro tipo de cálculo, se nos da
el pH de una solución y se nos pide determinar la concentración de iones
hidronio. Esto es un reverso del cálculo de pH. Para valores de pH de número
entero, el coeficiente significativo de la concentración molar será uno con
cifras significativas iguales a las cifras significativas del pH menos una. Por
ejemplo, para un pH de 2.00 que tiene tres cifras significativas la
concentración molar será 1.0 x 10-2, el coeficiente significativo de
la concentración molar tiene dos cifras significativas mientras que el pH tiene
tres. Para cálculos de pH no enteros se requiere emplear la función
antilogaritmo base 10:
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El concepto de pH fue introducido por primera vez por el
químico danés Søren Peder Lauritz Sørensen en el Laboratorio Carlsberg en 1909
y revisado al pH moderno en 1924 para acomodar las definiciones y mediciones en
términos de células electroquímicas (Nørby, 2000;
Sgambato, Prozzo, Sgambato, Sgambato, & Milano, 2012; Sörensen, 1912). La bacterióloga Alice C. Evans, famosa por la
influencia de su trabajo en la industria láctea y la seguridad alimentaria,
atribuyó a William Mansfield Clark y sus colegas (de los cuales era) el
desarrollo de métodos de medición de pH en la década de 1910, que tuvieron una
amplia influencia en el laboratorio y el uso industrial.
El
potencial de hidrógenos es uno de los factores abióticos que condicionan de
manera más directa la bioquímica de los seres vivos. Esto se puede realizar de
dos formas, la primera es mediante la modificación de la reactividad de las
especies químicas debido a que los hidrogeniones en solución son capaces de
afectar el estado iónico de las moléculas biológicas como las proteínas. Un
ejemplo ocurre en el aminoácido arginina que es uno de los componentes de las
proteínas. Incrementar la acidez de la solución provoca que los grupos amino de
la arginina se protones, alterando su estructura y reactividad. El segundo modo
se relaciona al primero, cuando tenemos una proteína compuesto por cientos de
miles de aminoácidos, que la mayoría de los aminoácidos se modifiquen por la
acidez del medio causa que toda la proteína cambie de forma debido a un efecto
sumatorio de sus componentes. El pH puede alterarse muy fácilmente debido a la
alteración de otros factores abióticos como la luz. Para protegerse de estos
fenómenos, los seres vivos en sus ambientes internos generalmente poseen
sustancias químicas que son capaces de amortiguar las variaciones de pH, a este
tipo de soluciones se las llama soluciones Buffer o soluciones de
amortiguamiento.
Fuera de la escala de pH
La escala de pH
es meramente una convención para los valores de concentración de iones de H+
mas comunes, sin embargo, la concentración de iones H+ puede ser
mucho mayor que 1 molar o mucho menor que 10-14 molar. Por ejemplo,
si tenemos una solución de ácido clorhídrico concentrado al 36% en peso y
densidad de 1.18 g/mol podemos obtener una concentración del 12 molar, lo cual
genera un pH negativo.
✔ Ejemplo 15.3. Hallar el pH de una solución de HCl
concentrado al 36% en peso y densidad de 1.18 g/mol.
Dado lo anterior, es posible calcular un valor de pH negativo.
Pero, por otro lado, si un ácido tiene o no un valor de pH negativo no es algo
que pueda verificarse muy bien en el laboratorio, a menos que se diluya la
muestra a rangos mas fáciles de medir.
En la práctica, cualquier ácido que produzca una concentración
de iones de hidrógeno con una molaridad superior a 1 M tiene un pH negativo.
Pero no se puede medir con un instrumento o prueba en el laboratorio
directamente. No hay ningún papel de tornasol especial que cambie de color
cuando el valor está por debajo de cero. Los medidores de pH son mejores que el
papel de pH, pero no puedes simplemente sumergir un electrodo de pH de vidrio
en HCl concentrado y medir un pH negativo. Esto se debe a que los electrodos de
pH de vidrio sufren un defecto llamado "error ácido" que hace que
midan un pH más alto que el pH real, por no decir que los vapores del HCl
concentrado te harían llorar, o desmallarte. Es muy difícil aplicar una
corrección de este defecto para obtener el verdadero valor de pH.
Química de Chang 10.
✔ Ejemplo 15.3. La concentración de iones H+ en
una botella de vino de mesa era de 3.2 x 10-4 M justo después de
quitar el corcho. Sólo se consumió la mitad del vino. La otra mitad, después de
haber estado expuesta al aire durante un mes, se encontró que tenía una
concentración de iones de hidrógeno igual a 1.0 x 10-3 M. Calcular
el pH del vino en estas dos ocasiones.
✔ Práctica 15.3. El ácido nítrico (HNO3) se
utiliza en la producción de fertilizantes, colorantes, fármacos y explosivos.
Calcule el pH de una solución de HNO3 que tiene una concentración de
iones de hidrógeno de 0.76 M
✔ Ejemplo 15.4. El pH del agua de lluvia recolectada en
cierta región del noreste de los Estados Unidos en un día en particular fue de
4.82. Calcular la concentración de iones H+ del agua de lluvia.
✔ Práctica 15.4. El pH de cierto jugo de naranja es 3.33.
Calcular la concentración de iones H+.
✔ Ejemplo 15.5. En una solución de NaOH [OH-] es
2.9 x 10-4 M. Calcula el pH de la solución.
✔ Práctica 15.5. La concentración de iones OH- de
una muestra de sangre es 2.5 x 10-7 M. ¿Cuál es el pH de la sangre?
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