¿Has pensado alguna vez cómo los grandes ecosistemas pueden tener niveles de pH fluctuantes? Por ejemplo, ¿cómo puede producirse la acidificación de los océanos a tan gran escala? A menudo lo relacionamos con nuestra huella de carbono y la liberación deCO2 a la atmósfera. En realidad, esto crea ácido carbónico con el agua, así que sigue leyendo para saber cómo se regulan los cambios de pH en estos contextos. Pero, ¿qué causa los cambios de pH en contextos químicos además de en la naturaleza?
- En primer lugar, nos sumergiremos en la definición y el significado del pH.
- Después, en un tema estrechamente relacionado, ¿cómo se calcula el ph?
- ¿Qué es una escala de pH y por qué es logarítmica?
- Después, estudiaremos cómo afectan los cambios de pH al medio ambiente y los contextos biológicos del pH.
- Y para terminar, responderemos a la pregunta: ¿Cómo puede la dilución provocar cambios en el pH?
Significado de los cambios de pH
¿Qué es el pH y qué importancia tienen los cambios de pH?
ElpH se refiere a la acidez o alcalinidad de una solución, medida por la concentración de iones H+ en la solución.
Piénsalo de este modo: pH sólo significa el "potencial" de hidrógeno ('potentia hydrogeniie') en la solución.
Entonces, ¿qué es la acidez , o la falta de acidez?
Laacidez se describe así:
Las soluciones ácidas tienen una concentración elevada de iones H+.
Por otro lado, las soluciones básicas( solucionesalcalinas ) pueden describirse como:
Las soluciones básicas tienen una baja concentración de iones H+ en la solución.
Si el pH nos indica el nivel de iones H+ en la solución, que será su concentración, podemos identificar las soluciones y etiquetarlas como ácidas o básicas.
Un cambio de pH indicará que se ha producido un cambio en la concentración de iones H+ en la solución, lo que significa que un cambio de pH será un cambio en la acidez de la solución. Puede tratarse de un aumento de la acidez o de una disminución. Por ello, de lo que hablaremos más adelante, un cambio de pH indicará el paso de una solución ácida a una básica, o al revés.
Entonces, ¿cómo determinamos qué es una solución ácida o básica? ¿Hay alguna forma de cuantificar esas cifras y entender los cambios de pH de otra manera? En la siguiente sección, veremos cómo cuantificar la concentración de iones H+ y relacionarla con el pH mediante cálculos.
Ecuación del pH
El pH se mide mediante la siguiente fórmula
\[ pH=- \log[H^+] \]
Como puedes ver, el pH es una escala logarítmica de la concentración de iones H+ en disolución. Como es logarítmica, significa que cada paso de un número entero representa un paso entero de forma logarítmica , en este caso un cambio por un factor de 10.
Recuerda que las escalas logarítmicas no son lineales.
Esto significa que una solución que tiene un pH = 3 y una solución de pH = 4 difieren en 10x en la concentración de iones H+ , sin embargo una solución de pH = 3 y una de pH = 5 diferirán en 100x.
Utilizando los cálculos y los valores de concentración de una solución, podemos decir que las soluciones ácidas tienen un número de pH bajo y las soluciones básicas tienen un valor de pH alto. Esto se debe a que se trata de una escala logarítmica invertida, porque el logaritmo tiene delante un signo menos. En el siguiente apartado, veremos cómo encajan estos valores de pH en una escala para utilizarlos en el cambio de pH.
También puedes modificar la ecuación del pH para adaptarla a tu uso:
- Para averiguar la concentración de los iones H+ en la solución a partir del valor de pH. Puedes reordenar la ecuación para formular la siguiente ecuación: \[[H^+]=10^{pH} \]. Utilizando esta ecuación, puedes averiguar la concentración de iones H+ en una solución con sólo conocer el pH. Esto puede ser útil si tienes un medidor digital de pH y quieres averiguar el número total de iones H+, ya que el medidor digital de pH sólo te dirá el valor del pH.
- Otra fórmula que puedes utilizar es la fórmula pOH, que tiene en cuenta la concentración de iones hidróxido (OH-) en la disolución. Su fórmula es \[ pOH=- \log[OH^+] \]. El valor pOH es el valor inverso de la lectura del pH, del que hablaremos en el siguiente apartado.
Puede que hayas oído hablar de la acidificación de los océanos, pero ¿qué es exactamente? Curiosamente, está relacionado con el concepto de cambios de pH.
En entornos naturales cerrados, al igual que en un vaso de precipitados con una solución, el pH puede fluctuar en función de los reactivos añadidos y otras condiciones. En química, puedes manipular el pH de las soluciones, pero ¿cómo cambia el pH en entornos naturales al aire libre?
Pues bien, en los grandes depósitos de agua, se absorbeCO2 de la atmósfera, que forma ácido carbónico en el agua. Echa un vistazo a la siguiente ecuación
\[ CO_2 + H_2O \rightarrow H_2CO_3 \]
y este ácido carbónico puede producir iones H+ en el agua:
\[ H_2CO_3 \flechaderecha H^+ + HCO_{3}^- \]
Ésta es una de las razones por las que debemos controlar nuestras emisiones de carbono y nuestra huella de carbono. Cuanto másCO2 se libera a la atmósfera, más se acidifican los océanos, lo que altera los ecosistemas y provoca la extinción de especies.
Escala de pH
La escala de pH se creó para dar sentido a los valores arbitrarios del pH. La cuantificación de la concentración de iones H+ en solución es una herramienta eficaz para etiquetar ácidos y bases, pero hay que ponerlos en una determinada escala comparativa para poder utilizarlos. La escala de pH proporciona esto, y puede utilizarse para comparar distintas soluciones.
A continuación se muestra la escala de pH:
pHFig. q. Escala de pH. Fuente: jansanconsulting.com
Hay dos cosas que puedes observar en la escala: los colores y los valores.
Observarás que la escala va de 0 a 14. ¿Por qué? Porque a menudo se determina que el agua es el punto medio, ya que es neutra. El agua tiene naturalmente un pH de 7, que constituye el punto medio de la escala. Todo lo que esté por debajo de 7 se vuelve ácido y todo lo que esté por encima de 7 se vuelve básico (o alcalino).
Puede haber valores de pH superiores a 14 o inferiores a 1, pero en raras ocasiones, y para la mayoría de los casos te ceñirás a esta escala de 1 - 14.
Esta escala puede utilizarse para trazar diferentes soluciones y compararlas. Si tienes una base de datos de las soluciones que utilizas y sus valores de pH, puedes ordenarlas en orden de aumento o disminución del pH para comprender la acidez relativa y las concentraciones de iones H+ dentro de las soluciones.
Causas del cambio de pH
Como ya hemos dicho, los cambios de pH son cambios en la acidez de una solución. Pueden consistir en una disminución o en un aumento de la concentración de iones H+, por lo que para comprender por qué cambia el pH tenemos que echar un vistazo a las fuentes de iones H+ en las distintas soluciones.
Es clave mencionar que un cambio en el pH puede ser en ambas direcciones, esto significa que el pH puede aumentar o disminuir. Lo más importante es que los aspectos clave del cambio de pH están relacionados con la forma en que una solución es ácida, neutra o básica. Si un cambio de pH es drástico, puede dar lugar a un cambio de sus propiedades químicas, lo que tendrá grandes implicaciones para sus usos químicos.
Hay dos formas de ver esto, en entornos químicos aislados o en escenarios de la vida real.
Entornos químicos aislados
En un entorno químico aislado, como un vaso de precipitados con un ácido o una base específicos, sólo puede producirse un cambio de pH si se le añade otra solución.
Hay tres soluciones posibles que pueden añadirse: un ácido, una base o una solución neutra como el agua. Si añades más ácido a un ácido, el pH bajará, pero si añades una base a un ácido, el pH subirá (recuerda que el logaritmo de la fórmula del pH tiene un signo menos delante, lo que significa que la escala está invertida: cuanto más ácida sea la solución, más bajo será el pH). Dependiendo de la fuerza de tus soluciones de partida y de la cantidad de las mismas, el pH podría permanecer dentro del intervalo ácido, básico o volverse neutro. Esto se debe a que puede sufrir una reacción de neutralización.
Si añades una solución neutra, como agua, se producirá una dilución de tu base o ácido. Más adelante hablaremos de la dilución.
Entornos biológicos y ecológicos
En otros contextos químicos, puede tratarse de problemas medioambientales o biológicos. En el medio ambiente, como lagos y depósitos de agua, el pH de las aguas naturales dependerá de la fuente de iones H+ del agua. Esto suele deberse a los distintos minerales de origen natural. Los cambios de pH se producirán cuando cambien las concentraciones de estos minerales en el agua. Muchos de estos minerales crearán un entorno básico al tener hidróxidos, y la acidez del entorno suele proceder de la lluvia ácida.
En contextos biológicos, el pH es muy importante para la función fisiológica de las proteínas y los órganos. Esto puede ser en el contexto de los niveles de pH de la sangre, así como de los niveles óptimos de pH dentro de las células para su funcionamiento. El pH es muy crucial para estas condiciones, y los cambios de pH se regulan mediante tampones. Los tampones pueden mediar en un gran cambio de pH procedente de la ingesta alimentaria o de otros aportes biológicos para crear un pH estable dentro del organismo.
Cambio del pH por dilución
Aquí hablaremos de las consecuencias de la dilución en los niveles de pH.
Sabemos que el pH está correlacionado con la concentración de iones H+ en la solución. Esto se basa en una fórmula indicada anteriormente.
Por tanto, si diluyes la solución básica o ácida, lo que puede hacerse añadiendo una cantidad fija de agua a la solución, el pH cambiará.
La dilución de soluciones ácidas o básicas siempre acerca el nivel de pH a 7, ya que es el punto medio neutro. Así, añadir agua a una solución ácida aumentará el pH, mientras que añadir agua a una solución básica lo disminuirá.
La clave que hay que recordar al estimar los niveles de pH durante las diluciones es que la cantidad de iones H+ en la solución seguirá siendo la misma, pero la cantidad de disolvente (es decir, agua) cambiará. Esto significa que habrá una cantidad fija de iones H+ en la solución, pero cambiará el volumen de agua, lo que dará lugar a una concentración diferente. En última instancia, esto cambiará el pH de la solución.
Si quieres calcular el pH después de la dilución, tienes que volver a calcular la concentración de iones H+ en la solución utilizando las fórmulas de Avogadro antes de calcular el pH.
Debido al estado logarítmico de la escala de pH, para pasar de un valor de pH a otro por dilución necesitarás 10 veces la cantidad de agua.
Espero que este artículo te haya aclarado el concepto de cambio de pH y que ahora sepas cómo pueden influir distintos factores en el nivel de pH, tanto en contextos químicos como en la naturaleza.
Cambio de pH - Puntos clave
- El pH viene determinado por la concentración de iones H+ en el agua.
- La fórmula para calcular el pH es \( pH=- \log[H^+] \).
- La escala de pH va de 1 a 14, representando los valores más bajos los ácidos y los más altos las bases.
- La escala de pH es logarítmica.
- El cambio de pH puede producirse como parte de una dilución o adición de otras soluciones o minerales.
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