¿Pueden el pH y el pOH ser negativos?

Teóricamente: ¡Sí! Técnicamente: depende. 😉 ¿Depende de qué? ¡Sobre concentración y acidez! ¿Tiene sentido un pH negativo? ¡Realmente no! 😉

¡La definición de pH es verdadera bajo la condición de una solución diluida (acuosa)! Esto significa: Si tiene ácido clorhídrico (1 Mol / L–> pH = 0), la concentración de agua no cambia considerablemente. La concentración de agua “en agua” es de 55,5 mol / l. (¡Realmente me gustó hacerles a mis alumnos esta pregunta sobre el agua!)

Para HCl de 1 Mol / L, se necesita un Mol de agua para resolver el “H +” para formar H3O +. Entonces la concentración de agua baja a 54.5 Mol / L. La diferencia a 55.5. Mol / L es insignificante.

Sin embargo, si usa ácidos fuertes en altas concentraciones, la definición clásica de pH ya no es apropiada porque la concentración de agua cambiará considerablemente.

No necesita tener en cuenta estos ácidos súper o mágicos. Piense en el ácido clorhídrico concentrado más común o el ácido sulfúrico concentrado.

Por definición clásica, un ácido clorhídrico de 10 mol / l debe tener un pH = -1. Eso no es realmente cierto ya que la concentración de agua cae a 45.5 mol / l. Ahora la diferencia con 55.5 ya no es despreciable.

Imagine que hubiera un ácido clorhídrico “100 Mol / L”: ¡el pH sería -2! 😀 ¡El pH se basa en log10! 😉

Entonces, en los ácidos concentrados, el uso del pH no tiene ningún sentido … en el ácido sulfúrico humeante, ¡no queda agua en absoluto!

Sí, y significa ácido muy concentrado y fuerte (o base, igual a continuación), como 10M HCl es aprox. pH = -1

Sin embargo, tendemos a abandonar el pH cuando se trata de soluciones altamente concentradas, porque cuando se pregunta cuál es el pH de una solución altamente concentrada, ¿realmente le importa cuántas [matemáticas] H_3O ^ + [/ matemáticas] hay? Dudo que. Puede que le importe lo útil que es este ácido allí en lugar de [matemáticas] H_3O ^ + [/ matemáticas]. O, lo que realmente se pregunta es “¿qué tan fuerte es la acidez de esta solución?”, ¿Verdad? (No estoy vendiendo un bote de H2SO4 e intento convencer a la gente de cuál es la concentración real de él; lo estoy usando para hacer reacciones)

El pH no pudo proporcionar información útil cuando se trata de algo que tiene una capacidad de protonación más fuerte que [matemática] H_3O ^ + [/ matemática], como [matemática] H_3SO_4 ^ + [/ matemática] en 98% [matemática] H_2SO_4-H_2O [/ matemáticas]. Además, las leyes que funcionaron en soluciones diluidas se desglosarán en soluciones concentradas. Es por eso que rara vez ves a alguien escribir pH = -1

Más allá del diluido aq. En el área donde el pH gobierna el mundo, tendemos a usar otro parámetro llamado Función de Acidez Hammett [matemática] (H_0) [/ matemática] para reemplazar el pH.

Para soluciones diluidas, [matemática] H_0 {\ aprox} pH [/ matemática].
Para ácido concentrado fuerte (soluciones), normalmente, [matemáticas] H_0 << pH [/ matemáticas]

Por ejemplo, puro [matemático] H_2SO_4 [/ matemático] tiene [matemático] H_0 = -12 [/ matemático]. No significa que la concentración [matemática] H ^ + [/ matemática] sea [matemática] 10 ^ {12} mol / L [/ matemática]. Significa que pura [matemática] H_2SO_4 [/ matemática] tiene la capacidad de protonación tan fuerte como una solución ficticia con una concentración [matemática] H ^ + [/ matemática] es [matemática] 10 ^ {12} mol / L [/ matemática] . Es útil cuando nos enfrentamos a preguntas como si una solución de ácido de Bronsted puede protonar un compuesto orgánico para cumplir una reacción.

Si desea tener un ácido fuerte, lo único que debe hacer es diseñar un anión muy muy estable, que se sienta muy cómodo con una carga negativa, al igual que la carga negativa en [matemáticas] HSO_4 ^ – [/ matemáticas ], donde la carga negativa se dispersó en varios átomos.

Hay algo más fuerte que (puro) H2SO4:

Carborano superacida H (CHB11Cl11)
[matemáticas] H_0 = -18 [/ matemáticas] (1 millón de veces más fuerte que H2SO4)

Ácido fluoroantimónico [matemático] (H_2F) ^ + (SbF_6) ^ – [/ matemático]
[matemáticas] H_0 = -31.3 [/ matemáticas]
No sé cómo describir eso, eh … ¿2.5 pliegues en orden de magnitud más fuerte que H2SO4? ╮ (╯ ▽ ╰) ╭

Técnicamente si . Usualmente escribimos,
[matemáticas] pH = -log_ {10} [H ^ +] [/ matemáticas]
Entonces, cuando [math] (-log_ {10} [H ^ +]) <0 [/ math] o [math] [H ^ +]> 1 [/ math] M, tendremos un pH negativo.
Más específicamente, relacionamos la actividad de iones de hidrógeno en lugar de concentración cuando hablamos de la escala de pH .
Entonces, técnicamente, [matemática] pH = -log_ {10} [a_ {H ^ +}] [/ matemática] donde [matemática] a_ {H ^ +} [/ matemática] es la actividad del ion hidrógeno.
El término pH, por definición, está reservado para soluciones acuosas . Para soluciones no acuosas, generalmente utilizamos la función de acidez de Hammett , que es solo otra escala como el pH en sí, pero específicamente desarrollada en relación con los superácidos . [matemáticas] \ displaystyle H_0 = -log_ {10} \ Bigg [e ^ {\ bigg (\ dfrac {\ mu_ {H ^ +} – \ mu_ {H ^ +} ^ \ ominus} {RT} \ bigg)} \ Bigg] [/ matemáticas]
donde [math] \ mu_ {H ^ +} [/ math] es el potencial químico del ion hidrógeno, [math] \ mu_ {H ^ +} ^ \ ominus [/ math] es su potencial químico en el estado estándar elegido , R es el constante de gas y T es la temperatura termodinámica .
Los ejemplos de superácidos incluyen ácido trifluorometanosulfónico ([matemático] CF_3SO_3H [/ matemático]), ácido fluorosulfúrico ([matemático] HSO_3F [/ matemático]), los cuales son aproximadamente mil veces más fuertes que el ácido sulfúrico. Otros de tales ácidos son el ácido fluoroantimónico ([matemática] H_2FSbF_6 [/ matemática]); y ácido carborano ([matemáticas] CHB_ {11} Cl_ {11} [/ matemáticas]).
Del mismo modo, las bases extremadamente fuertes tendrán valores negativos de pOH tales como diisopropilamida de litio

Si. Por ejemplo, una solución 10M de HCl tiene un pH de -log (10), que es -1. Las escalas son logarítmicas, por lo que los valores negativos tienen sentido.

Si. Los ácidos y bases muy fuertes pueden tener valores negativos de pH y pOH, respectivamente. Los estudiantes trabajan regularmente con ácidos que tienen un pH negativo sin darse cuenta. El ácido sulfúrico perfectamente concentrado (18 M) tiene un pH de alrededor de -1.3. Sin embargo, esta concentración es difícil de mantener debido a la naturaleza higroscópica de los ácidos fuertes.

La lección que se les enseñó a los niños que la escala de pH va de 0 a 14 es una simplificación excesiva diseñada para aumentar la comprensión del concepto subyacente.