Scala del pH — acidi, basi e come calcolare il pH

La scala del pH indica quanto una soluzione acquosa è acida o basica. Nella chimica introduttiva, si scrive comunemente come

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

dove $[H_3O^+]$ è la concentrazione di idronio in moli per litro. Un pH più basso significa più acido. Un pH più alto significa più basico.

L’idea principale per capire davvero il pH è che non si tratta di una scala lineare. Una variazione di 1 unità di pH corrisponde a un fattore 10 in $[H_3O^+]$. Quindi un pH 3 è molto più acido di un pH 4, non solo un po’ di più.

Che cosa misura la scala del pH

In acqua, gli acidi aumentano la concentrazione di idronio e le basi la riducono. Poiché il pH è il logaritmo negativo in base 10 di $[H_3O^+]$, una maggiore quantità di idronio dà un pH più basso.

Molti libri di testo scrivono $[H^+]$ come abbreviazione. In acqua, $[H_3O^+]$ è il modo più preciso per descrivere la specie acida.

Nella maggior parte dei problemi scolastici, il pH viene presentato su una scala da 0 a 14:

• sotto 7: acido
• circa 7: neutro
• sopra 7: basico

Questa regola è una buona guida didattica per soluzioni acquose diluite vicino a $25^\circ \mathrm{C}$. Non è una regola universale valida per ogni temperatura o ogni concentrazione.

Come calcolare il pH

Se conosci la concentrazione di idronio, usa direttamente la definizione:

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

Se invece conosci prima la concentrazione di idrossido, puoi trovare il pOH:

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

Poi, per soluzioni acquose diluite a circa $25^\circ \mathrm{C}$, usa

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

Quest’ultima equazione dipende dalla temperatura, quindi indica sempre la condizione quando la usi.

Esempio svolto: trova il pH di una soluzione con $[H_3O^+] = 1.0 \times 10^{-3}\,\mathrm{M}$

Parti dalla definizione:

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

Sostituisci la concentrazione:

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

Poiché $\log_{10}(10^{-3}) = -3$,

$$\mathrm{pH} = 3$$

Quindi la soluzione è acida.

Questo esempio mostra anche la logica della scala. Una soluzione con pH 3 ha una concentrazione di idronio dieci volte maggiore di una soluzione con pH 4, e cento volte maggiore di una soluzione con pH 5.

Perché all’inizio la scala sembra poco intuitiva

Spesso si leggono i valori di pH come se fossero equidistanti. Non lo sono. Il logaritmo comprime grandi variazioni di concentrazione in piccoli passi numerici.

Per questo una variazione di 2 unità corrisponde a un fattore di $100$, e una variazione di 3 unità a un fattore di $1000$:

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

Una volta tenuto presente questo fatto, confrontare i valori di pH diventa molto più semplice.

Errori comuni

Trattare il pH come una scala lineare

La differenza tra pH 2 e pH 3 non è dello stesso tipo della differenza tra 20 cm e 21 cm. Rappresenta una variazione di dieci volte nella concentrazione di idronio.

Supporre che neutro significhi sempre pH 7

Questo è il valore standard usato in classe per l’acqua pura intorno a $25^\circ \mathrm{C}$. Il pH neutro esatto cambia con la temperatura.

Confondere la forza di un acido con il pH

Un acido forte si ionizza più completamente di un acido debole nelle stesse condizioni, ma il pH dipende anche dalla concentrazione. Un acido forte diluito può avere un pH più alto di un acido debole più concentrato.

Usare le equazioni del pH fuori dal loro contesto

Le formule semplici sopra sono più affidabili nella chimica acquosa introduttiva. In lavori più accurati, i chimici usano l’attività invece della semplice concentrazione.

Quando si usa la scala del pH

La scala del pH si usa ogni volta che vuoi una misura rapida dell’acidità o basicità in sistemi a base acquosa. Esempi comuni includono titolazioni acido-base, qualità dell’acqua, chimica del suolo, chimica degli alimenti e fluidi biologici.

È utile anche perché collega idee di chimica che gli studenti spesso imparano separatamente: concentrazione, logaritmi, acidi e basi, ed equilibrio in acqua.

Prova una tua versione

Calcola il pH per $[H_3O^+] = 10^{-2}\,\mathrm{M}$ e $[H_3O^+] = 10^{-6}\,\mathrm{M}$. Poi confronta le due soluzioni a parole, non solo con i numeri. È il modo più rapido per rendere concreta la scala logaritmica.