Química del equilibrio del pH
¿Qué es el pH?
La notación pH es un índice de la actividad química del hidrógeno en una solución. El pH es una unidad de medida en escala logarítmica y se utiliza para expresar el grado de acidez/alcalinidad de una sustancia. Los valores van desde pH 1 a pH 2 para ácidos fuertes, pasando por pH 7 para soluciones neutras como el agua ultrapura, hasta valores de pH 11 y superiores para bases muy fuertes como la lejía.
El pH es la unidad de medida que usamos para describir cuántos iones de hidrógeno libres o activos hay en una sustancia. La escala de pH va de 0 a 14. Un pH de 0 significa una actividad ácida muy alta; un pH de 14 significa una actividad ácida muy baja. Entre estos dos extremos se encuentra un pH de 7. Este es el pH del agua pura.
La adición de un ácido fuerte, como el ácido sulfúrico (H2SO4) al agua hace que la solución resultante tenga una concentración de ácido activo muy alta. Esto se denomina solución ácida. La adición de una base fuerte o material alcalino, como el hidróxido de sodio (NaOH), al agua hace que la solución resultante tenga una concentración de ácido activo muy baja. Esto se denomina solución muy básica o alcalina. El agua, que no es muy ácida ni muy alcalina, se considera neutra. La escala de pH es una forma cuantitativa de expresar la concentración de ácido o álcali activo de una solución.
¿Por qué es importante el pH?
El pH o la acidez de una solución es importante en todas las fases de la química y la bioquímica.
En la industria química…
La producción eficiente de nailon, así como de otras fibras modernas, depende de un control rígido del pH.
En bioquímica…
El pH de nuestra sangre es normalmente controlado dentro de unas pocas décimas de unidad de pH por la química de nuestro cuerpo. Si el pH de nuestra sangre cambia hasta media unidad de pH, se producirá una enfermedad grave. Un pH adecuado de la piel es esencial para una tez sana. El pH del estómago afecta directamente el proceso digestivo.
En agronomía…
El pH del suelo regula la disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de las plantas, así como la actividad de las bacterias del suelo. En suelos alcalinos (pH 8 y superiores), la cantidad de nitrógeno, fósforo, hierro y otros nutrientes en solución es tan baja que es necesario un tratamiento especial para asegurar un crecimiento adecuado.
En ciencia de los alimentos…
La producción eficiente de productos alimenticios depende de un control cuidadoso del pH. El tamaño, la uniformidad y la estructura adecuados del requesón están directamente relacionados con el pH en el momento del corte. La levadura puede fermentar y leudar una masa solo dentro de ciertos límites de pH. La gelatina no cuajará correctamente a menos que el pH se encuentre en la región de 3,5.
En la industria de la celulosa y el papel…
El control del pH es esencial para el buen funcionamiento de las plantas de blanqueo y los procesos de sección húmeda. Además, para cumplir con las regulaciones de protección ambiental, el pH de las aguas residuales de estas plantas debe controlarse.
En la investigación y la ingeniería química…
La medición precisa del pH es necesaria para el estudio de muchos procesos químicos. El investigador necesita saber el pH al que una reacción química procede más rápidamente para comprender la reacción. El ingeniero utiliza la información para desarrollar procesos comerciales prácticos.
En la investigación ambiental y el control de la contaminación…
El pH de un río o lago es importante para mantener un equilibrio ecológico adecuado. El pH del agua afecta directamente las funciones fisiológicas y la utilización de nutrientes por la vida vegetal y animal. Los extremos de pH pueden reducir un lago a un pantano sin vida y maloliente.
La protección de nuestras vías fluviales requiere un monitoreo constante de los efluentes industriales. Las plantas de galvanoplastia y acabado de metales tienden a producir aguas residuales ácidas, al igual que las operaciones mineras. Las plantas químicas a menudo tienen aguas residuales muy alcalinas. Las mediciones de pH se utilizan como guía para la neutralización adecuada de estos residuos de plantas, así como para monitorear la calidad del efluente final. Ocasionalmente, un arroyo ácido se puede combinar con un arroyo alcalino para producir un arroyo final que esté cerca de la neutralidad. Las mediciones de pH aseguran la gestión adecuada de esta técnica de ahorro de costos.
Más sobre el pH… (¡para los que realmente quieren saber!)
Para comprender mejor el pH, necesitamos saber más sobre la química del agua. Una molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno y se ve algo así.
H = Hidrógeno: O = Oxígeno:
Molécula de agua (H2O):
En el agua pura, la mayoría de las moléculas de agua permanecen intactas. Sin embargo, una cantidad muy pequeña de ellas reaccionan entre sí de la siguiente manera.
H2O + H2 O ===> H3O+ + OH–
Agua + Agua ===> Ion hidronio+ (un ácido) + Ion hidroxilo– (una base)
El ion hidronio (H3O+) es la unidad química que explica las propiedades ácidas de una solución. El ion hidroxilo (OH–) es la sustancia química que explica las propiedades básicas o alcalinas de una solución. Como puede verse, cuando el agua pura reacciona como se describe en la Figura 2, produce una cantidad igual de H3O+ y OH–. Por lo tanto, no tiene un exceso de ninguno de los iones. Por consiguiente, se denomina solución neutra.
Si se añade un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico (HCl), al agua, reacciona con algunas de las moléculas de agua de la siguiente manera:
HCl + H2O <=====> H3O+ + Cl–
Así, la adición de HCl al agua aumenta la concentración de H3O+ o ácido de la solución resultante.
Si se añade una base fuerte, como el hidróxido de sodio, al agua, esta se ioniza de la siguiente manera:
NaOH <=====> Na+ + OH–
Así, la adición de NaOH al agua aumenta la concentración de OH– o álcali de las soluciones resultantes.
Otro aspecto interesante del agua es que la concentración de H3O+ y OH– se mantiene en equilibrio entre sí. Un aumento en la concentración de H3O+ provoca una disminución proporcional en la concentración de OH–.
En consecuencia, se puede construir una tabla que muestre la relación del pH de la concentración de H3O+ y la concentración de OH–.
Actividad iónica (moles/litro)
pH H3O+ (Ácido) OH- (Base)0 1.0 0.00000000000001 1 0.1 0.0000000000001 | | | | | | | | | 13 0.0000000000001 0.1 14 0.00000000000001 1.0
Tenga en cuenta cinco cosas sobre esta tabla.
1. A medida que disminuye la concentración de ácido (H3O+), el pH aumenta.
2. A medida que disminuye la concentración de ácido (H3O+), la concentración de base (OH–) aumenta proporcionalmente.
3. A pH 7, las concentraciones de ácido (H3O+) y base (OH–) son iguales. Esto se llama punto neutro.
4. La escala de pH representa el número de lugares que el punto decimal se mueve a la izquierda de uno al expresar la concentración de ácido (H3O+).
5. Cada unidad de pH representa un cambio de diez veces en la concentración de H3O+ o OH–. Por ejemplo, una solución con pH 6 es 10 veces más concentrada en iones H3O+ que una solución con pH 7.
Así, de esta tabla se desprende que la escala de pH es una forma mucho más concisa de expresar cuantitativamente la acidez de una solución.
Cómo se mide el pH
Hoy en día, el pH de una solución se mide mediante un colorante indicador o mediante un medidor de pH y un sistema de electrodos cuya salida de voltaje es proporcional a la concentración de ácido activo (H3O+) en la solución.
Ciertas soluciones de tintes orgánicos cambian de color en un rango de pH relativamente pequeño. Se les llama soluciones indicadoras. Pueden usarse para indicar el pH aproximado de una solución. Al añadir unas gotas de un indicador de fenolftaleína a una solución, se puede saber si el pH de la solución es mayor de 9 por el color rojo presente, o si el pH es menor de 9 por la ausencia de color. Se pueden elegir otros colorantes cuyo cambio de color indique otros rangos de pH. Por ejemplo, el rojo fenol cambia a pH 8, el azul de bromotimol a pH 7 y el azul de bromofenol a pH 4.
Para mayor comodidad, estos colorantes a menudo se depositan en una tira de papel. Cuando se coloca una gota de la solución a analizar en el papel, el cambio de color resultante es indicativo del pH aproximado de la solución de prueba. Las soluciones indicadoras de tinte o el papel tienen la ventaja de ser bastante económicos, muy portátiles y, a menudo, adecuados cuando solo se necesita una medición aproximada del pH. Por otro lado, cuando se necesitan mediciones precisas y/o la solución a medir es coloreada, se requiere un medidor de pH. En consecuencia, se han desarrollado sistemas de medidores y electrodos de pH que responden de manera precisa al pH de una solución.
Para medir el pH se puede utilizar cualquier número de sondas de pH fácilmente disponibles ($25 – $100). Una sonda de pH actúa como una batería que genera proporcionalmente voltaje DC positivo para pH bajo, nada para pH 7 y voltajes negativos para valores de pH altos. Por lo tanto, todo lo que tenemos que hacer es medir este voltaje y convertirlo a unidades de pH.
Pero hay dos problemas. Un problema es que el pH es sensible a la temperatura, con un voltaje de salida que oscila entre 54 milivoltios por unidad de pH a cero grados centígrados y 74 milivoltios por unidad de pH a 100 °C. Esto significa que tenemos que variar manualmente la ganancia o la constante de conversión de nuestra medición de pH para poder corregir la temperatura de la solución que se mide.
El segundo problema es un poco más complejo y explica el alto costo anterior de los instrumentos de pH. La impedancia de fuente de nuestra sonda de pH es de 15 megaohmios para las sondas de "baja impedancia" y llega hasta cientos de megaohmios para unidades especiales. Para medir el pH, nuestro amplificador de voltaje debe tener una impedancia de entrada muy alta en comparación con los 15 megaohmios. Aquí es donde la electrónica CMOS ha venido al rescate, produciendo medidores de pH precisos y económicos.
El sistema de electrodos de pH
Los sistemas de electrodos de pH siempre se componen de dos electrodos: un electrodo sensor y un electrodo de referencia. Para mayor comodidad, estos dos electrodos pueden construirse en un cuerpo común, al que se denomina electrodo combinado. Esta es la forma más popular del sistema de electrodos de pH. El electrodo sensor contiene la superficie especialmente diseñada cuyo voltaje cambia con el pH de la solución de prueba. El electrodo de referencia se utiliza para completar el circuito de medición eléctrica. Su única función es proporcionar un voltaje estable (invariable) con el que se pueda comparar el voltaje del electrodo sensor.
El electrodo sensor de pH
En 1901, un químico alemán llamado Fritz Haber descubrió que el voltaje en ciertas superficies de vidrio cambiaba de manera regular con la acidez de una solución. Los electrodos sensores de pH modernos son un perfeccionamiento de este descubrimiento fundamental.
Las características esenciales de un electrodo sensor de pH se muestran en esta figura.
Los requisitos importantes de este electrodo son que…
- el voltaje en la superficie interna de referencia/solución de llenado ( E ) permanezca constante,
- el voltaje en la superficie interna de la solución/membrana de vidrio ( E ) permanezca constante, y…
- el voltaje en la superficie de la membrana de vidrio/solución de prueba ( E ) cambie proporcionalmente al pH de la solución de prueba.
Cabe señalar que la resistencia eléctrica de la membrana de vidrio es extremadamente alta. Por lo tanto, se requiere un voltímetro especializado para medir el voltaje de un electrodo sensor de pH.
El electrodo de referencia
Al usar un voltímetro para medir el voltaje en el electrodo sensor de pH, el circuito eléctrico debe estar completo. El electrodo de referencia realiza esta función. Simplemente se podría usar un trozo de cable pelado para completar el circuito. Sin embargo, el voltaje en su superficie cambiaría de manera impredecible con el tiempo y la composición de la muestra de prueba. En consecuencia, un electrodo de referencia es un cable que ha sido terminado con la elección adecuada de metal y rodeado por la solución de iones metálicos adecuada, para proporcionar un voltaje constante independiente del tiempo y la composición de la muestra de prueba.
El electrodo combinado
El electrodo combinado es una versión del sistema de electrodos de pH en el que el electrodo sensor de pH y el electrodo de referencia se combinan en un cuerpo común. Todos los comentarios aplicables a los electrodos individuales también son aplicables a su combinación. Las ventajas de esta forma del sistema de electrodos incluyen la comodidad de manejo y la construcción robusta. La construcción de un solo cuerpo también permite medir el pH de pequeños volúmenes de muestra, así como el pH de superficies, como el suelo y la piel.
El medidor de pH
Un medidor de pH es un voltímetro especializado que tiene dos requisitos fundamentales. Primero, debe ser capaz de funcionar con precisión al medir el voltaje de electrodos de resistencia extremadamente alta. Segundo, se debe poder cambiar su sensibilidad como voltímetro para corresponder a las características de pH/voltaje del sistema de electrodos.
La mayoría de los medidores de pH modernos utilizan electrónica de estado sólido con características de muy alta resistencia o impedancia de entrada. Estos medidores miden el voltaje del sistema de electrodos de pH extrayendo una corriente extremadamente baja. Afortunadamente, el cambio de voltaje de un electrodo de pH varía linealmente con las unidades de pH. A temperatura ambiente, un cambio de 1 unidad de pH provoca un cambio de voltaje de aproximadamente 60 milivoltios (mV) o 0,060 voltios. A 0 grados centígrados (temperatura a la que se congela el agua), un cambio de 1 unidad de pH provoca un cambio de 54 mV. A 100 °C, un cambio de 1 unidad de pH provoca un cambio de 70 mV. Por lo tanto, un medidor de pH correctamente diseñado tendrá un dial de temperatura que variará la sensibilidad del medidor para que coincida con el voltaje de los electrodos.
Ocasionalmente, los electrodos sensores especializados no logran entregar el voltaje completo que la teoría predeciría. Por consiguiente, los medidores de pH muy versátiles también tendrán un control de sensibilidad adicional, llamado control de pendiente. Este control, al igual que el dial de temperatura, permite al analista variar la sensibilidad del medidor para que coincida con el voltaje de los electrodos.
El estándar de pH
El voltaje de los electrodos de pH para cualquier valor de pH dado se puede predecir aproximadamente. Sin embargo, para una mayor precisión, el sistema de electrodos de pH puede sumergirse en una solución de pH conocido y luego ajustar el medidor para que corresponda a este valor de pH. Este ajuste se denomina estandarización del sistema de pH. La solución utilizada se denomina solución tampón estándar de pH. La composición química de las soluciones tampón estándar de pH ha sido definida por la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (U.S. National Bureau of Standards). Dichas soluciones pueden ser preparadas por un químico o técnico competente. También están disponibles en la mayoría de los fabricantes de medidores de pH.
La siguiente tabla enumera las soluciones estándar de pH más populares.
Valor de pH 25 C. Composición
1.68 – Tetroxalato de potasio ( 0.05M )
3.56 – Tartrato ácido de potasio ( Saturado )
4.01 – Ftalato ácido de potasio ( 0.05M )
6.86 – Dihidrogenofosfato de potasio ( 0.025M )
9.18 – Bórax ( 0.01M )
12.45 – Hidróxido de calcio ( Saturado )
Para una mayor precisión, un medidor de pH debe estandarizarse utilizando una solución estándar cuyo valor esté cerca del de la solución de prueba. Sin embargo, estandarizar con el estándar de pH = 6.86 constituye un buen compromiso cuando las soluciones de prueba cubren un amplio rango de valores de pH.
Un medidor de pH puede estandarizarse de la siguiente manera:
1. Enjuague los electrodos con agua destilada (o desionizada) y séquelos con un paño.
2. Coloque los electrodos en la solución tampón estándar de pH.
3. Ajuste el dial de temperatura del medidor de pH a la temperatura de la solución estándar.
4. Gire el medidor de pH a "operar".
5. Ajuste el medidor de pH al valor de pH del estándar, utilizando el control de "estandarización". EL MEDIDOR DE pH ESTÁ AHORA ESTANDARIZADO.
6. Gire el medidor de pH a "standby".
7. Retire los electrodos del estándar y enjuáguelos con agua.
El procedimiento de medición de pH
Una vez estandarizado el medidor de pH, el procedimiento de medición es tan simple como esto:
1. Enjuague los electrodos con agua destilada (o desionizada) y séquelos con un paño.
2. Coloque los electrodos en la solución de prueba.
3. Ajuste el dial de temperatura del medidor de pH a la temperatura de la solución de prueba.
4. Gire el medidor de pH a "operar".
5. Lea el pH de la solución de prueba directamente en el medidor de pH.
6. Gire el medidor de pH a "standby".
7. Retire los electrodos de la solución de prueba y enjuáguelos con agua.
Mediciones redox
La medición del potencial de oxidación-reducción de una solución se denomina comúnmente medición redox. Esta medición proporciona una indicación del poder oxidante o reductor de una solución. Dado que un medidor de pH también es un voltímetro muy bueno, puede usarse para realizar mediciones redox. El electrodo sensor utilizado en esta medición suele ser de platino, aunque se han utilizado oro y plata para propósitos especiales. El electrodo de referencia es el mismo que el utilizado en las mediciones de pH. El potencial del electrodo se expresa generalmente en milivoltios (mV). Por lo tanto, la mayoría de los medidores de pH tienen una escala de (mV), así como una escala de pH. Además, dado que el coeficiente de temperatura varía con el par redox particular que se mide, el control de temperatura se desactiva durante la medición de (mV).
Mediciones plon
En los últimos años se han desarrollado electrodos similares al electrodo de pH, pero específicos para otros iones. Estos incluyen electrodos para amoníaco, cloruro, cianuro, nitrato y sulfuro, por nombrar algunos. Estos electrodos pueden usarse en combinación con un electrodo de referencia con cualquier medidor de pH moderno. El medidor debe estandarizarse en una solución de plon conocido del ion de interés, al igual que en la estandarización de pH. El plon de una solución de prueba se puede leer directamente en el medidor como en la medición de pH.
Markson Science Inc. 1-800-854-2822; (714) 755-6655
203 Oak St. Del Mar, CA 92014
Como vemos, el pH es una forma de hablar sobre el estado eléctrico de la solución química. El agua muy pura no conducirá la electricidad y la medida de la resistividad del agua se usa a menudo como indicador de la pureza del agua. Cuanto mayor sea la resistencia, más pura será el agua. Es la carga iónica de los átomos y minerales disueltos en el agua lo que es responsable del flujo de electrones.
"Tanto el pH como la conductancia específica pueden verse afectados significativamente por la presencia de cantidades mínimas de "impurezas" como carbonatos y óxidos. La solubilidad de muchos de ellos está en el rango de solo 5 a 25 ppm. Sin embargo, al convertirse en bicarbonatos por el dióxido de carbono atmosférico, la solubilidad puede aumentar considerablemente. Ejemplo: la conversión de óxido de calcio – a carbonato de calcio – a bicarbonato de calcio." – Thomas M. Riddick
pH de la sangre – Equilibrio ácido-base
Michael J. Bookallil – Profesor Titular de Anestesia, Royal Prince Alfred Hospital – Universidad de Sídney
pH y temperatura corporal
M J Bookallil