No estoy seguro de qué tipo de respuesta quieres. Conocer su base de conocimiento o por qué necesita la información ayudaría a ajustar la respuesta a sus necesidades. Puedo hablar sobre el pH (y probablemente explicar en exceso como si estuviera hablando con un niño de 5 años), y puedo dar instrucciones detalladas sobre cómo usar un medidor de pH, pero tendría que ir a los libros (difícil) para poder darle una explicación técnicamente correcta sobre cómo funciona un medidor de pH. Todo lo que escribo aquí puede leerse en libros y en fuentes en línea. Estoy tratando de dar una explicación más comprensible o una con un sabor diferente y más práctico, pero es posible que no tenga éxito, y solo lo haga aburrido y difícil de seguir.
Utilizo una balanza analítica digital y un medidor de pH en el trabajo, pero no puedo explicar cómo funcionan. Habría podido explicar cómo funcionan las balanzas de boticario de dos cacerolas anticuadas, pero no puedo explicar cómo funcionan las modernas. No me importa, siempre y cuando pueda obtener información confiable, precisa y precisa de esos instrumentos, y hay muchas calibraciones y verificaciones hechas a tal efecto. La función del medidor se verifica periódicamente para garantizar que lee los voltajes correctamente. Se utilizan estándares de tampón certificados para calibrar el medidor de pH antes de medir el pH de cualquier muestra. Esa calibración se realiza a dos valores de pH diferentes, con el objetivo de hacer que uno de esos valores de pH sea más alto que los valores de pH a medir, y el otro más bajo que los valores de pH a medir. A menudo, se prueba un tercer estándar tampón certificado (si es posible con un pH intermedio) como control para ver si la lectura está de acuerdo con el valor certificado. El electrodo se enjuaga cuidadosamente, se seca suavemente y se deja “equilibrar” antes de tomar cada lectura. El tiempo de equilibrio y la estabilidad de las lecturas se controlan para evaluar el rendimiento del electrodo de pH.
La historia tradicional de la teoría del pH comienza diciendo que el agua líquida pura está compuesta principalmente de moléculas de H2O, con algunas partículas cargadas que surgen de la división de esas moléculas en iones de hidrógeno positivos (H +) e iones de hidroxilo negativos (OH-) . Alguien dirá que esos iones y moléculas se asocian en partículas más grandes, pero mientras haya partículas positivas y negativas, no importa si el ion positivo tiene la fórmula H + o H3O +, o lo que sea. En agua pura habría cantidades iguales de iones de agua negativos y positivos. A medida que una sustancia se disuelve en agua, puede agregar nuevas moléculas e iones, y tal vez algunas de las mismas moléculas de iones e iones que estaban en el agua. La sustancia disuelta puede contribuir con un exceso de uno de los tipos de iones ya presentes en el agua, o puede reaccionar con uno de los tipos de iones ya presentes en el agua, alterando la proporción de iones de agua positivos a negativos. El valor de pH de una solución acuosa es un reflejo de las cantidades relativas de esos iones de agua. Si las cantidades de iones H + y OH- son iguales, decimos que la solución es neutral y / o que su pH es 7. Si hay más iones H + que iones OH-, decimos que la solución es ácida (pH bajo) . Si hay más iones OH- que iones H +, decimos que la solución es alcalina o básica (pH alto). Las soluciones que contienen solventes distintos al agua, como por ejemplo soluciones con alcohol agregado, no tienen pH. Podemos seguir los movimientos de determinar el pH y llamar al resultado un “pH aparente”, o podemos indicar cuál hubiera sido el pH si el solvente agregado no estuviera allí, pero el pH es una propiedad medible que se define solo para soluciones en agua.
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De dónde proviene la definición de pH:
La división (disociación) del agua es lo que llamamos una reacción reversible en el equilibrio, lo que significa que una molécula de agua que estaba completa puede dividirse en los dos iones en cualquier punto, y otros dos iones pueden unirse para formar una nueva molécula completa, pero la relación de iones positivos al volumen total de agua no cambia, siempre que la temperatura sea constante y no se agregue nada.
En los laboratorios modernos, la temperatura será bastante estable, entre 20 y 25 grados Celsius, y a esa temperatura podemos decir que 1 litro de agua pura (1000 mililitros) tendrá una masa de 1000 gramos y solo 18 × 10 ^ (- 7) = 18 / 10,000,000 gramos de eso estarán en forma de moléculas de agua divididas. Debido a que a menudo medimos las concentraciones en términos de moles por litro, y un mol de agua tiene una masa de 18 gramos, decimos que 10 ^ (- 7) = 1 / 10,000,000 moles de agua están en forma dividida por litro de agua. Esa concentración se llama 10 ^ (- 7) M = 1 / 10,000,000 M. Leemos que “M” como “molar” o “moles por litro”. Esa es la concentración molar de iones H +, y también la concentración de OH- iones El número de ceros en ese denominador, 7, es el pH del agua pura. en términos matemáticos, se dice que el pH es el logaritmo (en la base 10) de la concentración de iones H +, con el signo cambiado (de negativo a positivo. Entonces, log (1 / 10,000,000) = -7, y esa concentración de iones de hidrógeno corresponde a pH 7.
El pH del agua con cierta cantidad de una sustancia neutra pura, como el cloruro de sodio (NaCl, sal de mesa), también es 7, porque la disolución de la sal en agua no cambia el número de iones H + u OH-. Otra sustancia, cuando se agrega al agua, contribuye o reacciona con los iones de agua, cambiando sus concentraciones. Los ácidos aumentan la concentración de iones H +, disminuyendo el pH a un número inferior a 7. Incluso podría ser un pequeño número negativo Las bases disminuyen la concentración de iones H +, aumentando el pH a un número entre 7 y 14.
Si se altera el equilibrio entre las moléculas de agua completa y los iones H + y OH- al agregar cualquier sustancia que contribuya o reaccione con uno de esos tipos de iones de agua, puede haber un exceso de un tipo de ion sobre el otro, la concentración de los cambios de iones H +. Si esa concentración cambiara a 1/10 M, diríamos que el pH es 1, si cambia a 1,000,000,000 M, diríamos que el pH es 9. El agua y sus iones reaccionan a tales cambios, para mantener el producto del las concentraciones de los dos tipos de iones de agua son constantes, por lo que una concentración de 10 ^ (- 9) M = 1 / 1,000,000,000 M de iones H + significa una concentración de 10 ^ (- 5) M = 1 / 10,000,000 M de iones OH-. Si un ácido como el cloruro de hidrógeno gaseoso (HCl) se disuelve en agua, casi todas las moléculas de HCl disuelto se dividirán en iones Cl- y H +. Algunos de los pocos iones OH- en el agua se unirán con los iones H + proporcionados por el ácido para formar moléculas de agua, pero como los iones OH- en el agua pura eran muy pocos, para empezar, agregar un ácido al agua aumentará concentración de H + y bajar drásticamente el pH. Si una base, como el hidróxido de sodio (NaOH) se agrega al agua, los iones OH-NaOH contribuyen a aumentar la concentración de iones OH-. Algunos de los pocos iones H + originalmente en el agua se unirán a algunos iones OH-, disminuyendo drásticamente la concentración de iones H + y aumentando el pH.
La cuestión de los tampones:
A los químicos y los cuerpos de los organismos vivos les gusta controlar el pH con el que están trabajando. Eso es posible usando lo que llamamos buffers. Un tampón es una mezcla de compuestos que pueden aumentar o disminuir la concentración de iones H + en solución acuosa. Un ejemplo es un tampón de acetato. El ácido acético es uno de los componentes del vinagre. Se llama ácido débil debido al hecho de que no se disocia por completo. La forma disociada (ion acetato e ion H +) existe en equilibrio con las moléculas no disociadas de ácido acético, y las dos formas pueden interconvertirse, resistiendo cualquier cambio. Si se agrega ácido acético puro al agua, a medida que se diluye y las moléculas se separan, más se disociará en iones acetato negativos e iones H + positivos. Habría una mayor concentración de H + que en agua pura y un pH bajo. Si se agregara una pequeña cantidad de una base fuerte, como el hidróxido de sodio a la solución de ácido acético, contribuiría con iones OH-, que se combinarían con algunos de los iones H + en exceso para formar agua, tendiendo a disminuir la concentración de H + y elevar el pH Sin embargo, algunas moléculas no disociadas de ácido acético se disociarían, contribuyendo con iones H + y contrarrestando tales cambios hasta cierto punto. En el punto donde las concentraciones de ácido acético no disociado y acetato de iones son iguales, el pH será de aproximadamente 4,8. Una solución con dicha composición puede resistir la influencia de la base agregada o el ácido agregado, y se llama solución tampón. Si se agrega ácido, los iones H + adicionales agregados se combinarán con iones acetato para formar moléculas de ácido acético no disociadas. Si se agrega base, la disminución en el concentrado de H + causada por la base será parcialmente contrarrestada por H + de la disociación de las moléculas de ácido acético.
Los tampones se hacen con un ácido débil y una base fuerte (como para el tampón de acetato ya descrito), o con una base débil y un ácido fuerte, o, a veces, menos idealmente, con un ácido débil y una base débil. Las recetas para los buffers de uso frecuente se pueden encontrar en muchas referencias en línea. El pH teórico de un tampón se puede calcular con la ecuación de Henderson-Hasselbalch. El pH de un tampón es el pKa del ácido más el logaritmo de una relación de formas disociadas y no disociadas. Por ejemplo, el pKa del ácido acético es de aproximadamente 4.8, y ese será el pH de una solución con cantidades iguales (o concentraciones de iones de acetato y moléculas de ácido acético no disociadas). Es un tampón con muchas de las dos formas, más capaz de resistir los cambios en el pH por cualquier influencia externa (base o ácido). Si se hiciera un tampón de acetato mezclando volúmenes iguales de una solución de ácido acético 0,2 M y una solución de acetato de sodio 0,2 M, sería un tampón de pH 4,8 muy eficiente Si quisiera un pH de 5.7-5.8, mezclaría 1 parte de esa solución de ácido 0.2 M y 9 partes de la solución de acetato de sodio 0.2 M. La relación de acetato a ácido sería 9, con un log (9) = aproximadamente 1, por lo que el pH estará a 1 unidad del pKa. No necesito saber cómo formular la relación o escribir la ecuación. Sé que sé que log (9) = aproximadamente 1, y log (1 / 9) = aproximadamente -1, pero la proporción está sesgada del ácido, por lo que el pH será aproximadamente 1 más que el pKa.Si mezclo cloruro de amonio 0.2 M y 0.2 M, el pH debería Sería el pKa del ion amonio como ácido, que calculo como 9.2. Si solo tiene el pKb de la base de amoníaco, el pKa del ácido correspondiente, el ion amonio es 14 menos el pKb. Si la mezcla tenía 8 partes de amoníaco y 10 partes de cloruro de amonio, una relación 8/10 = 0.8 tiene log (0.80 = aproximadamente -0.1. ¿El pH de la mezcla es más o menos de 9.2? Fue 9.2 para cantidades iguales de ambas soluciones , Si hay menos amoníaco que el cloruro de amonio, será menos básico y tendrá un pH más bajo, por lo que el pH es 9.2 – 0.1 = 9.1. Si estoy mezclando soluciones de diferentes concentraciones, tendré que usar la proporción de moles añadidos. Si estoy pesando componentes, tendría que usar dividir la masa entre la masa molar (o el peso de la fórmula) para encontrar la cantidad de moles añadidos. En cualquier caso, después de hacer mi tampón, a menudo mido su pH usando el medidor de pH , porque si me equivoco, quiero saber antes de arruinar un experimento.
