¿Puede una sola molécula de agua tener un valor de pH? ¿Cuál es el número más bajo de moléculas de agua en las que podemos definir nuestro valor de pH tal como lo conocemos?

Ahora, no puedo responder con precisión esta pregunta exacta, pero podría agregar algunos consejos. Como han respondido otros, el pH se trata de la constante de equilibrio del agua. Para 1 mol de agua, habrá 1 * 10 ^ -7 iones H + (suponiendo pureza y temperatura estándar). Podríamos seguir disminuyendo la cantidad de moléculas, hasta que lleguemos a 10 moléculas de agua, (probablemente) habría un ion H +. Si tuviéramos la mitad de esa cantidad, 5 millones de moléculas de agua, supongo que habría un 50% de posibilidades de que una de ellas se disocie en un momento dado. Para una sola molécula, no existen las interacciones (enlaces de hidrógeno, etc.) para tener la misma energía libre de Gibbs, por lo que la constante de equilibrio sería completamente diferente. Supongo que menos de 10 millones de moléculas hace que el pH sea inviable, ya que se convierte en un ejercicio de probabilidad.

En una nota al margen, recuerdo de la química de pregrado (hace muchas, muchas lunas) que tomó alrededor de mil átomos de oro antes de que razonablemente se pudiera decir que el oro era de color dorado. La termodinámica estadística nunca fue mi punto fuerte, y solía dañar mi cerebro.

No. Si vuelve a la derivación del pH, comienza con una constante de equilibrio, para la ionización del agua.

K = [H +] [OH -] / [H2O]

Una constante de equilibrio se deriva de la energía libre de Gibbs, una propiedad termodinámica de un sistema. En la termodinámica clásica, un sistema se define como que tiene un número suficientemente grande de partículas para parecer homogéneas, lo que significa que no se pueden detectar fluctuaciones en la concentración o el comportamiento de partículas individuales.

Entonces el pH de una sola molécula no tiene sentido.

Una sola molécula de agua tendría un pH neutro de 7.0.

La definición de pH es la relación entre la concentración de iones H + (o H3O +) a iones OH–. Cuantos más iones H + hay en una solución, más bajo es el pH y más ácido es. Si la concentración de OH– es mayor, entonces la solución sería alcalina. Si los dos iones están presentes en proporciones iguales, entonces el pH es neutral 7.0.

Entonces, realmente podría medir el pH de cualquier cantidad de agua, incluso hasta una molécula, siempre que conozca la proporción de H + a OH–. Si la única gota de agua que mencionó en su pregunta tuviera un ion H + flotando razonablemente cerca, llamaría ácida a la solución. Si estuviera rodeado por múltiples H +, lo llamaría ácido. Si estuviera rodeado por H + y OH–, entonces esos H + y OH– podrían combinarse para formar más moléculas de H2O, o al menos equilibrar el pH más cerca de neutral.