Definición de pH (escala de acidez)

El pH es el logaritmo base 10 de la concentración molar de iones hidrógeno, siempre con el signo positivo. En el término pH, “p” (siempre en minúscula) se refiere a “potencia” y “H” corresponde al “ion hidrógeno”, cuya descripción se refleja en la ecuación:

\(pH = \log \frac{1}{{\left[ {{H^ + }} \right]}} = - {\rm{log}}\left[ {{H^ + }} \right]\)

Daniela Nataly Díaz Zepeda | Sep. 2022
M.C. en Ingeniería y Física Biomédicas

En la literatura científica, libros de texto y hasta en el contexto médico, es muy común toparnos con el término “acidez” o bien, el adjetivo “ácido”, en referencia a alimentos, sustancias presentes en nuestra vida cotidiana y hasta biofluidos como la sangre. En un ámbito escolarizado o un poco más especializado se hace alusión al “valor de pH” para designar el grado de acidez. Pero, ¿cuál es el significado de estos términos?, ¿de dónde viene el pH?, ¿cómo es que la acidez es una propiedad cuantificable?, y ¿cómo se calcula? La respuesta fundamental a estas preguntas se encuentra en las interacciones químicas elementales, así como en la escala universal que se emplea para reportar el grado de acidez de una sustancia, “la escala de pH”. Estos temas se abordan a continuación.

El concepto de “pH” se originó a principios del siglo XX, por el bioquímico danés S.P.L. Sørensen (1868-1939). El científico se encontró con una limitación mientras estudiaba problemas relacionados con el proceso de elaboración de la cerveza, para el cual, controlar la acidez en todas sus etapas es de gran importancia. Al querer reportar la concentración de iones hidrógeno (H+), los cuales son responsables de otorgar acidez al medio, la concentración molar, correspondía a una “cienmilésima parte de mol por litro”, \(\left[ {{H^ + }} \right] = 1 \times {10^{ - 5}}\), S\(\emptyset \)rensen se negaba a reportarlo de esta manera, ya que resultaba extraño y confuso, por lo que se le ocurrió que sería más sencillo decir que la sustancia en cuestión tenía “pH 5”, definiéndolo como “potencial de iones hidrógeno”.

Escala de pH: grado de acidez

El estudio y las prácticas con el pH se consolidan en una forma de reportar el grado de acidez de una solución con una eficacia que le permite trascender las barreras del idioma. La escala de pH toma valores que van de 0 a 14, en dónde 7, el valor central, representa la neutralidad en una solución, valores menores a 7 corresponden a sustancias ácidas, mientras que valores mayores a 7 corresponden a sustancias básicas. Y aquí se presenta el concepto que en química se emplea como contrario a acidez, que es la “basicidad”, de una sustancia con concentraciones muy pequeñas de H+, se dice que es básica. Esto es debido a que el ion H+ no es el único que forma parte de esta historia, cuando este ion es captado por un átomo de oxígeno, O, en una solución, se forma el ion OH-, conocido como ion hidroxilo, el cual, como vemos, posee una carga contraria.

A menudo las interacciones que dan lugar a que una sustancia sea ácida o básica se dan en un medio acuoso, recordemos el agua es un compuesto cuyas moléculas contienen dos átomos de H y uno de O, H2O, por lo que, según los elementos extras que contenga la solución, serán las interacciones que se den entre el medio repleto de moléculas de H2O y dichos átomos. Así, el agua actuará como donador y aceptor de iones H+, según sea el caso. Por esta razón, el agua es un compuesto con pH neutro. Se dice que una disolución es neutra (pH 7) cuando las concentraciones de H+ y OH- son iguales.

A medida que la concentración de uno de estos iones aumenta, la correspondiente al otro debe disminuir, dando lugar a que el valor mayor para la escala sea 14. Esto se explica de la siguiente manera: en una solución acuosa, existe un equilibrio entre iones H+ y OH- , incluso en agua pura, existe cierta concentración de iones. Se estima que por cada 500 millones de moléculas de H2O, en una muestra de agua pura, una de ellas se encuentra ionizada, es decir, separada en iones de cargas opuestas:

\({H_2}O \leftrightarrow \;{H^ + } + O{H^ - }\)

De acuerdo con la ley del equilibrio químico, existe una constante de equilibrio “k”, que satisface la ecuación anterior, para que ambos lados sean iguales:

\(k = \frac{{\left[ {{H^ + }} \right][O{H^ - }]}}{{\left[ {{H_2}O} \right]}}\)

Si calculamos esta constante para un litro de agua a 25°C, tendremos una concentración molar de 55.3, una concentración muy grande que varía muy poco al añadir solutos a un medio acuoso es por esto que se puede decir que el valor de 55.3 M es constante y así incorporar esta cantidad como parte de k:

\(k\left[ {{H_2}O} \right] = [{H^ + }\left] {[O{H^ - }} \right]\;\)

\(k\left[ {{H_2}O} \right]\), normalmente se expresa como \({k_w}\), denominada constante de equilibro del agua. En una muestra de agua pura, se tiene una concentración molar de H+ de 1x10-7, este valor es el mismo para la concentración de iones OH-, pues recordemos que el agua es neutra, sustituyendo en la ecuación anterior, nos da un valor para \({k_w} = 1 \times {10^{ - 14}}\) .En las disoluciones ácidas la concentración de H+ es mayor que la de OH-, lo que ocurre de manera contraria en las disoluciones básicas, sin embargo, al estar en solución acuosa, ambos iones se encuentran presentes. Existe también una escala análoga a la del pH, la del pOH, en la que los valores se encuentran en función de la concentración de iones OH-, sin embargo, la escala de pH es la más utilizada.

Para aterrizar un poco más el significado del valor en la escala de pH, se debe tomar en cuenta que dicha escala es logarítmica y no aritmética, la consecuencia práctica es que al tener dos soluciones que difieren por 1 unidad de pH, implica que la que tiene el valor mayor contiene 10 veces más iones H+, en comparación con la otra, cabe mencionar que la escala también toma valores decimales intermedios entre unidades. Por ejemplo, bebidas alcohólicas como el vino tinto tienen un pH de 3.7, en comparación con el pH 7.4 fisiológico, en sangre, el vino tinto contendrá aproximadamente 10,000 veces más iones H+, que la sangre.

Pero, -algo que con frecuencia causa confusión- siendo el pH una medida de acidez, ¿cómo es que el valor de este asciende cuando la acidez disminuye?. Si bien podría sonar contraintuitivo, si regresamos a la ecuación que define el pH, encontraremos el por qué; igualmente, para hacer esto un poco más sencillo, a continuación, se presentan algunos ejemplos para el cálculo de pH de una sustancia con una concentración conocida de iones H+.

Ejemplo de cálculo de valor de pH

Supongamos que una solución cuenta con [H+]= 0.01, esto, es igual a \(1 \times {10^{ - 2}}\), al sustituir en la siguiente ecuación:

\(pH = - \log \left[ {{H^ + }} \right] = - \log \left[ {1 \times {{10}^{ - 2}}} \right] = 2\)

Este resultado, pH 2, corresponde a una solución ácida. Debido al signo negativo de la ecuación para el pH, el valor disminuye conforme la concentración de H+ aumenta, por esta razón el pH de una disolución ácida es menor a 7 y el de una disolución básica es mayor a 7.

¿Cómo se mide el pH en el laboratorio?

Comúnmente, en el laboratorio, se hace uso de tintes y tiras reactivas, fabricadas para detectar la disociación de protones (iones positivos) del compuesto del que se encuentran hechos. Esto es distinguible mediante un cambio de color en la tira o en la solución a medir, en el caso de la utilización de tintes. Dichas mediciones resultan ser aproximadas, pues no corresponden a un valor exacto, pero sí pueden dar un diagnóstico bastante certero de la naturaleza de la muestra.

Por otro lado, existen maneras determinar el valor exacto de pH, y esto es mediante el uso de un electrodo de vidrio que es selectivo a la concentración de iones H+, despreciando otros iones de la misma carga.

 
 
 
 
Por: Daniela Nataly Díaz Zepeda. Ingeniera Química, M.C. en Ingeniería y Física Biomédicas. Se desempeña en el estudio y la divulgación científica. Experiencia en el desarrollo de vehículos farmacológicos, y actualmente pertenece al grupo de investigación de biofotónica. Su posgrado le otorgó una formación multidisciplinaria en Física, biología e ingeniería.
Trabajo publicado en: Sep., 2022.
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Díaz Zepeda, D. N. (septiembre, 2022). Definición de pH (escala de acidez). Definición ABC. Desde https://www.definicionabc.com/ciencia/ph.php
 

Referencias

Seeman, P. (1972). The pH concept [5]. Science, 177(4052), 835–836.

Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7th ed.). W. H. Freeman Macmillan Learning.

Brown, Theodore L., LeMay, H. Eugene, Bursten, Bruce E. Quí­mica, la Ciencia Central, 7 ed. Pearson Educación, México, 1998.
 
 
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