El PH o potencial de hidrógeno, es una medida del grado de acidez o basicidad (alcalinidad) de una solución acuosa. Es una forma de expresar la concentración de iones de hidrógeno (H+) en una solución, mediante una escala logarítmica que va desde 0 hasta 14.
La escala de PH
Esta escala fue propuesta por el químico Soren Sorensen a comienzos del siglo XX.
El extremo inferior de la escala, (PH 0), representa la mayor concentración posible de iones H+ en una solución ácida fuerte. Por otro lado, el extremo superior, (pH 14), representa la mayor concentración posible de iones OH– en una solución básica fuerte.
Cada unidad en la escala, indica una variación de la concentración de iones H+, en 10 unidades. Por ejemplo, una solución con pH 3, tiene 10 veces más iones H+ que una solución con pH 4. Es decir, cuanto más grande es el PH, menor es la acidez.
Si el pH de una solución es menor a 7, se considera ácido. Así mismo, un pH de 7 es neutro, lo que significa que la solución no es ni ácida ni básica. Además, si el pH es mayor a 7, se clasifica como básico o alcalino (figura 1).
La tabla 1 muestra el potencial de hidrógeno de algunas sustancias y/o productos.
¿Cómo se mide el PH?
Existen 3 métodos para medir el potencial de hidrógeno de una solución (figura 2).
Tiras reactivas o papel indicador
Son papeles que se impregnan con sustancias químicas que cambian de color en respuesta al potencial de hidrógeno. El papel se sumerge en la solución y se compara, el color resultante, con una escala de colores que suministra por el fabricante, para determinar el valor del pH.
Indicadores líquidos
Son sustancias químicas que se agregan a la solución y cambian de color dependiendo del pH. Se añaden unas gotas del indicador líquido a la solución y se observa el cambio de color para determinar el potencial de hidrógeno aproximado.
PHmetros o potenciómetros
Son dispositivos electrónicos especializados para medir el pH de una solución de manera precisa. Constan de un electrodo que se sumerge en la solución y se conecta a un medidor. El electrodo detecta los iones de hidrógeno y genera una señal eléctrica proporcional al pH, que se muestra en la pantalla del medidor.
Importancia del PH (usos y aplicaciones)
El pH es importante porque permite comprender cómo interactúan las sustancias y cómo afectan el entorno. Los organismos acuáticos, por ejemplo, se desarrollan en medios con potencial de hidrógeno equilibrado. Por lo tanto, si el agua se vuelve demasiado ácida o básica, se pone en peligro su supervivencia. Así mismo, la química del suelo es relevante para la agricultura y la vida silvestre. Si se permite que el suelo se torne muy ácido o muy alcalino, deja de ser fértil.
Este concepto, también es útil en la producción de alimentos y bebidas. Bien sea, para controlar la acidez y mejorar su sabor o para controlar el crecimiento de microorganismos. Del mismo modo, en la industria farmacéutica, el pH es esencial para garantizar la efectividad de los medicamentos.
Además, es un asunto de cuidado en la industria textil, el tratamiento de aguas residuales, la fabricación de productos químicos y la investigación científica.
El PH de los alimentos
Gran parte de los alimentos frescos como las carnes, pescados y algunos productos vegetales, son ligeramente ácidos, con potenciales de hidrógeno entre 5,0 y 6,5. La mayoría de las frutas y en especial los cítricos, tienen un pH bastante ácido, entre el 3,0 y 3,5. Otros en cambio, están próximos a la neutralidad, como la leche (pH 6,8). Solo unos pocos como la clara de huevo, son alcalinos, con pH 9,6.
El PH fisiológico
Es aquel que se considera normal y garantiza el buen funcionamiento del cuerpo. Especialmente, el de los fluidos corporales como la sangre, la saliva, la orina, el líquido intracelular y otros líquidos biológicos.
La sangre humana, por ejemplo, tiene un pH fisiológico cercano a 7,4. Cuando este es demasiado bajo, genera acidosis. Esta condición se caracteriza por problemas respiratorios, fatiga, confusión e incluso daño en algunos órganos. Por otro lado, si es demasiado alto, lleva a la alcalosis. Esta puede causar debilidad muscular, mareos y trastornos cardiacos. Mecanismos reguladores, como el sistema de amortiguación (tampón o buffer) y los órganos excretores, trabajan para mantener el equilibrio ácido-base y garantizar que sus valores sean óptimos. Además, el PH de la piel constituye una barrera protectora entre nuestro cuerpo y el mundo exterior. La tabla 2 muestra valores del potencial de hidrógeno de la piel y de algunos líquidos del cuerpo.
El PH del agua
Cuando una molécula de agua se disocia, forma un ion H+ y un ion OH–. Además, al multiplicar las concentraciones de los iones producidos, se obtiene el producto iónico de la sustancia. En el caso del agua, se representa con (Kw) y la fórmula es:
Kw = [H+] × [OH–] (1)
Las fórmulas entre [ ] representan las concentraciones en moles/litro (concentración molar).
A 25°C, el producto iónico de agua es 1 × 10-14. Es decir,
Kw = [H+] × [OH–] = 1 × 10-14 (2)
Dado que, en el agua, la concentración de iones H+ es igual a la concentración de iones OH–, se puede concluir que [H+] = [OH–] = 1 x 10-7M. Además, la ecuación anterior puede escribirse como:
Kw = [H+]2 (3)
o
En el lenguaje de las matemáticas, el PH se define como el logaritmo del inverso de la concentración molar de los iones de hidrógeno. Por lo tanto,
PH = -log [H+] (5)
Aplicando esta fórmula al agua, se tiene que, a 25°C, el potencial de hidrógeno del agua es:
PH = -log [1 × 10-7] = 7
Consideraciones relacionadas con el potencial de hidrógeno
Es importante tener en cuenta que el producto iónico del agua (Kw) varía con la temperatura. Por lo tanto, su PH también lo hace. Por ejemplo, a 10°C, el producto iónico del agua es 2,92×10-15. En consecuencia, a 10°C su PH es 7,26. Del mismo modo, a 45°C, el producto iónico del agua es 4,02×10-14 y su PH es 6,7. Sin embargo, a pesar de las variaciones de temperatura, el agua sigue siendo neutra, porque al ionizarse, produce la misma cantidad de iones H+ y OH–.
En resumen, la idea de neutralidad, acidez o alcalinidad, está muy relacionada con el concepto de potencial de hidrógeno, pero no de manera estricta. El potencial de hidrógeno tiene que ver más con el comportamiento de los iones presentes en una solución.
Las fórmulas usadas para calcular el potencial de hidrógeno, se aplican, entonces, a soluciones “ideales”. Es decir, a soluciones acuosas diluidas de sustancias polares o iónicas, analizadas a 25°C, a no ser que se diga otra cosa.
Ejercicios resueltos de PH
Ejercicio 1
A 10°C, el producto iónico del agua (Kw) es 2,92×10-15 Y a 45°C, (Kw) es 4,02×10-14. Calcule el PH del agua en cada caso.
Solución
Para resolver el ejercicio, se usa la fórmula (4) para calcular la concentración de [H+] y la fórmula (5) para encontrar el potencial de hidrógeno.
1 – Como a 10°C, Kw es 2,92×10-15, se tiene que la concentración de hidrógeno es:
y, por lo tanto, el potencial de hidrógeno es:
PH = -log [5,4 × 10-8] = 7,26
2 – Del mismo modo, como a 45°C, (Kw) es 4,02×10-14, la concentración de H+ es:
En consecuencia, el potencial de hidrógeno es:
PH = -log [2 × 10-7] = 6,7
Ejercicio 2
Calcular la concentración de H+, la concentración de OH– y el PH de una solución de ácido clorhídrico (HCl) cuya concentración es 2×10-3M. Tenga en cuenta que este, es un ácido fuerte.
Solución
Primero, al no haber más datos, se supone que la solución es acuosa y que está a 25°C (Condiciones normales). Segundo, que el ácido sea fuerte, significa que todas sus moléculas se disocian o ionizan en la solución. Tercero, a diferencia del ácido, el agua se disocia muy poco (apenas 1×10-7 de las moléculas se disocian). Por lo tanto, se puede decir que todo el H+ es proporcionado por el ácido. Como cada mol de ácido produce un mol de H+, la concentración de H+ en la solución es 2×10-3. En consecuencia, el potencial de hidrógeno de la solución (usando la fórmula 5) es:
PH = -log [2 × 10-3] = 2,7
Finalmente, se calcula la concentración de OH–, usando la fórmula 2. Entonces, de
Kw = [H+] × [OH–] = 1 × 10-14
Se tiene que:
En resumen, [H+] = 2×10-3M; [OH–] = 5×10-12M y PH = 2,7
Taller de lectura
- ¿Qué es el PH y qué otro nombre recibe?
- ¿Qué representan los extremos inferior y superior de la escala Propuesta por Sorensen?
- ¿Cómo varía una unidad en la escala de PH, con relación a la concentración de iones H+?
- ¿Qué valores de PH tienen las soluciones ácidas, neutras y alcalinas?
- Describa los 3 métodos para medir el potencial de hidrógeno.
- Haga un resumen acerca de la importancia, usos y aplicaciones del PH.
- Nombre, por lo menos, un alimento ácido, uno neutro y uno alcalino.
- ¿Qué es el PH fisiológico?
- ¿Cuáles son los síntomas de la acidosis y la alcalosis?
- Copie las tablas 1 y 2.
- ¿Qué es el producto iónico del agua y cuál es su valor a 25°C?
- Escriba las fórmulas (1) a (5).
- ¿Cómo influye la variación del producto iónico del agua, en el valor del potencial de hidrógeno?
- ¿Por qué a pesar de las variaciones de temperatura, el agua siempre es neutra?
- ¿A qué tipo de soluciones se aplican las fórmulas usadas para calcular el potencial de hidrógeno?
- Copie, con el procedimiento, los ejercicios resueltos.