Escala de pH — ácidos, bases y cómo calcular el pH

La escala de pH te indica cuán ácida o básica es una solución acuosa. En química introductoria, suele escribirse como

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

donde $[H_3O^+]$ es la concentración de hidronio en moles por litro. Un pH más bajo significa mayor acidez. Un pH más alto significa mayor basicidad.

La idea principal para entender el pH es que no es una escala lineal. Un cambio de 1 unidad de pH equivale a un factor de 10 en $[H_3O^+]$. Así que un pH 3 es mucho más ácido que un pH 4, no solo un poco más.

Qué mide la escala de pH

En agua, los ácidos aumentan la concentración de hidronio y las bases la reducen. Como el pH es el logaritmo decimal negativo de $[H_3O^+]$, una mayor cantidad de hidronio da un pH más bajo.

Muchos libros de texto escriben $[H^+]$ como abreviatura. En agua, $[H_3O^+]$ es la forma más precisa de describir la especie ácida.

En la mayoría de los problemas escolares, verás el pH presentado en una escala de 0 a 14:

• por debajo de 7: ácido
• alrededor de 7: neutro
• por encima de 7: básico

Esa regla es una buena guía de aula para soluciones acuosas diluidas cerca de $25^\circ \mathrm{C}$. No es una regla universal para cualquier temperatura o cualquier concentración.

Cómo calcular el pH

Si conoces la concentración de hidronio, usa directamente la definición:

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

Si primero conoces la concentración de hidróxido, puedes hallar el pOH:

$$\mathrm{pOH} = -\log_{10}[OH^-]$$

Luego, para soluciones acuosas diluidas a unos $25^\circ \mathrm{C}$, usa

$$\mathrm{pH} + \mathrm{pOH} = 14$$

Esa última ecuación depende de la temperatura, así que indica la condición cuando la uses.

Ejemplo resuelto: hallar el pH de una solución con $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

Empieza con la definición:

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}[H_3O^+]$$

Sustituye la concentración:

$$\mathrm{pH} = -\log_{10}(1.0 \times 10^{-3})$$

Como $\log_{10}(10^{-3}) = -3$,

$$\mathrm{pH} = 3$$

Así que la solución es ácida.

Este ejemplo también muestra la lógica de la escala. Una solución con pH 3 tiene diez veces la concentración de hidronio de una solución con pH 4, y cien veces la concentración de hidronio de una solución con pH 5.

Por qué la escala parece poco intuitiva al principio

A menudo, la gente interpreta los valores de pH como si estuvieran espaciados de manera uniforme. No lo están. El logaritmo comprime grandes cambios de concentración en pequeños pasos numéricos.

Por eso, un cambio de 2 unidades equivale a un factor de $100$, y un cambio de 3 unidades equivale a un factor de $1000$:

$$10^2 = 100,\qquad 10^3 = 1000$$

Cuando tienes eso en cuenta, las comparaciones de pH resultan mucho más fáciles de interpretar.

Errores comunes

Tratar el pH como una escala lineal

La diferencia entre pH 2 y pH 3 no es del mismo tipo que la diferencia entre 20 cm y 21 cm. Representa un cambio de diez veces en la concentración de hidronio.

Suponer que neutro siempre significa pH 7

Ese es el valor estándar de clase para el agua pura alrededor de $25^\circ \mathrm{C}$. El pH neutro exacto cambia con la temperatura.

Confundir la fuerza de un ácido con el pH

Un ácido fuerte se ioniza más completamente que un ácido débil en las mismas condiciones, pero el pH también depende de la concentración. Un ácido fuerte diluido puede tener un pH más alto que un ácido débil más concentrado.

Usar las ecuaciones del pH fuera de su contexto indicado

Las fórmulas simples de arriba son más fiables en química acuosa introductoria. En trabajos más precisos, los químicos usan actividad en lugar de concentración simple.

Cuándo se usa la escala de pH

La escala de pH se usa siempre que quieras una medida rápida de la acidez o basicidad en sistemas acuosos. Algunos ejemplos comunes son las valoraciones ácido-base, la calidad del agua, la química del suelo, la química de los alimentos y los fluidos biológicos.

También es útil porque conecta ideas de química que los estudiantes suelen aprender por separado: concentración, logaritmos, ácidos y bases, y equilibrio en agua.

Prueba tu propia versión

Calcula el pH para $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ y $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$. Luego compara las dos soluciones con palabras, no solo con números. Esa es la forma más rápida de hacer que la escala logarítmica se vuelva concreta.