Em química, pH é uma escala logarítmica usada para determinar a acidez de um meio. Este é aproximadamente o logaritmo negativo de base 10 da concentração molar, medida em unidades de mols por litro de íons de hidrogênio. Também pode ser chamado de indicador da acidez do ambiente. Mais precisamente, é o logaritmo negativo da base 10 da atividade do íon hidrogênio. A 25°C, soluções com pH menor que 7 são ácidas e soluções com pH maior que 7 são básicas. O valor de pH neutro depende da temperatura e é inferior a 7 à medida que a temperatura aumenta. A água pura é neutra, pH=7 (a 25°C), nem ácida nem alcalina. Ao contrário da crença popular, o valor do pH pode ser menor que 0 ou maior que 14 para ácidos e bases muito fortes, respectivamente.
Aplicativo
As medições de pH são importantes em agronomia, medicina, química, tratamento de água e muitas outras áreas.
A escala de pH é relevante para um conjunto de soluções padrão, cuja acidez é estabelecida pelaacordo. Os padrões de pH primário são determinados usando uma célula de concentração de transferência medindo a diferença de potencial entre um eletrodo de hidrogênio e um eletrodo padrão, como cloreto de prata. O pH de soluções aquosas pode ser medido com um eletrodo de vidro e um medidor ou indicador de pH.
Abertura
O conceito de pH foi introduzido pela primeira vez pelo químico dinamarquês Søren Peter Laurits Sørensen no laboratório Carlsberg em 1909 e revisado para o nível de pH atual em 1924 para acomodar definições e medições em termos de células eletroquímicas. Nos primeiros trabalhos, a notação tinha a letra H em p minúsculo, que significa: pH.
Origem do nome
O significado exato do p é contestado, mas de acordo com a Fundação Carlsberg, pH significa "o poder do hidrogênio". Também foi sugerido que o p representa a palavra alemã potenz ("poder"), outros se referem ao puisance francês (também significando "poder", com base no fato de que o laboratório Carlsberg era francês). Outra sugestão é que p se refere ao termo latino pondus hydroii (quantidade de hidrogênio), potentio hydroii (capacidade de hidrogênio) ou potencial hydroli (potencial de hidrogênio). Também é sugerido que Sørensen usou as letras p e q (geralmente letras conjugadas em matemática) simplesmente para denotar a solução de teste (p) e a solução de referência (q). Atualmente, em química, p representa o logaritmo decimal, e também é usado no termo pKa, usado para constantes de dissociação da acidez de um meio.
Contribuições americanas
Bacteriologista Alice Evans, conhecida pela influência de seu trabalho em produtos lácteos e segurança alimentar, creditou a William Mansfield Clark e seus colegas o desenvolvimento de métodos para medir o pH na década de 1910, que posteriormente teve um grande impacto em laboratórios e indústrias usar. Em suas memórias, ela não menciona o quanto Clarke e seus colegas sabiam do trabalho de Sorensen nos anos anteriores. Já naquela época, os cientistas estudavam ativamente a questão da acidez/alcalinidade do ambiente.
Influência do ácido
A atenção do Dr. Clark foi direcionada para o efeito do ácido no crescimento bacteriano. E graças a isso, ele complementou a ideia da então ciência do índice de hidrogênio da acidez do ambiente. Ele descobriu que era a intensidade do ácido em termos da concentração de íons de hidrogênio que afetava seu crescimento. Mas os métodos existentes para medir a acidez de um meio determinavam a quantidade, não a intensidade do ácido. Então, com seus colegas, Dr. Clark desenvolveu métodos precisos para medir a concentração de íons de hidrogênio. Esses métodos substituíram o método impreciso de titulação para determinação de ácidos em laboratórios biológicos em todo o mundo. Verificou-se também que eles podem ser usados em muitos processos industriais e outros nos quais são amplamente utilizados.
Prático
O primeiro método eletrônico de medição de pH foi inventado por Arnold Orville Beckman, professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em 1934. Foi nesse momento que o citricultor localSunkist queria um método melhor para testar rapidamente o pH dos limões que colhiam em pomares próximos. A influência da acidez do meio sempre foi levada em consideração.
Por exemplo, para uma solução com atividade de íons de hidrogênio de 5 × 10–6 (neste nível, este é, de fato, o número de mols de íons de hidrogênio por litro de solução), obtemos 1 / (5 × 10-6)=2 × 105. Assim, tal solução tem um pH de 5,3. Acredita-se que as massas de um mol de água, um mol de íons de hidrogênio e um mol de íons de hidróxido são respectivamente 18 g, 1 g e 17 g, a quantidade de 107 mols puros (pH 7) de água contém cerca de 1 g de íons de hidrogênio dissociados (ou, mais precisamente, 19 g de H3O + íons hidrônio) e 17 g de íons hidróxido.
O papel da temperatura
Observe que o pH depende da temperatura. Por exemplo, a 0 °C o pH da água pura é 7,47. A 25 °C é 7 e a 100 °C é 6,14.
O potencial do eletrodo é proporcional ao pH quando o pH é definido em termos de atividade. A medição precisa do pH é apresentada no padrão internacional ISO 31-8.
Uma célula galvânica é configurada para medir a força eletromotriz (EMF) entre o eletrodo de referência e o eletrodo sensor de atividade de íons de hidrogênio quando ambos estão imersos na mesma solução aquosa. O eletrodo de referência pode ser um objeto de cloreto de prata ou um eletrodo de calomelano. Um eletrodo seletivo de íons de hidrogênio é padrão para essas aplicações.
Para colocar este processo em prática, um eletrodo de vidro é usado em vez de um eletrodo volumoso de hidrogênio. Elepossui um eletrodo de referência embutido. Também é calibrado contra soluções tampão com atividade conhecida de íons de hidrogênio. A IUPAC sugeriu o uso de um conjunto de soluções tampão com atividade H+ conhecida. Duas ou mais soluções tampão são usadas para explicar o fato de que a inclinação pode ser um pouco menor que a ideal. Para implementar esta abordagem de calibração, o eletrodo é primeiro imerso em uma solução padrão e a leitura do medidor de pH é definida para o valor do padrão padrão.
E agora?
A leitura da segunda solução tampão padrão é então corrigida usando o controle de inclinação para ser igual ao nível de pH para essa solução. Quando mais de duas soluções tampão são usadas, o eletrodo é calibrado ajustando os valores de pH observados em uma linha reta em relação aos valores padrão do tampão. As soluções tampão padrão comerciais geralmente são fornecidas com informações sobre o valor a 25 °C e o fator de correção a ser aplicado para outras temperaturas.
Definição característica
A escala de pH é logarítmica e, portanto, o pH é uma quantidade adimensional, frequentemente utilizada, entre outras coisas, para medir a acidez do ambiente interno da célula. Esta era a definição original de Sorensen, que foi substituída em 1909.
No entanto, é possível medir diretamente a concentração de íons de hidrogênio se o eletrodo for calibrado em termos de concentrações de íons de hidrogênio. Uma maneira de fazer isso, que tem sido amplamente utilizada, é titular uma solução de concentração conhecidaácido forte com uma solução de concentração conhecida de um álcali forte na presença de uma concentração relativamente alta de um eletrólito de suporte. Como as concentrações de ácido e alcalino são conhecidas, é fácil calcular a concentração de íons de hidrogênio para que o potencial possa ser relacionado ao valor medido.
Os indicadores podem ser usados para medir o pH usando o fato de que sua cor muda. A comparação visual da cor da solução de teste com uma escala de cores padrão permite que o pH seja medido com precisão inteira. Medições mais precisas são possíveis se a cor for medida espectrofotometricamente usando um colorímetro ou espectrofotômetro. O indicador universal é composto por uma mistura de indicadores para que haja uma mudança de cor permanente de cerca de pH 2 para pH 10. O papel indicador universal é feito de papel absorvente impregnado com um indicador universal. Outro método para medir o pH é usar um medidor de pH eletrônico.
Níveis de medição
Medir pH abaixo de cerca de 2,5 (cerca de 0,003 mol de ácido) e acima de cerca de 10,5 (cerca de 0,0003 mol de álcali) requer procedimentos especiais, pois a lei de Nernst é violada em tais valores quando se utiliza um eletrodo de vidro. Vários fatores contribuem para isso. Não se pode supor que os potenciais de transição do líquido sejam independentes do pH. Além disso, pH extremo significa que a solução está concentrada, de modo que os potenciais do eletrodo são afetados pela mudança na força iônica. Em pH alto, o eletrodo de vidro pode sersujeito a erro alcalino à medida que o eletrodo se torna sensível à concentração de cátions como Na+ e K+ em solução. Estão disponíveis eletrodos especialmente projetados que superam parcialmente esses problemas.
O escoamento de minas ou resíduos de minas pode resultar em valores de pH muito baixos.
A água pura é neutra. Não é ácido. Quando o ácido se dissolve em água, o pH estará abaixo de 7 (25°C). Quando um álcali se dissolve em água, o pH será maior que 7. Uma solução de 1 mol de um ácido forte como o ácido clorídrico tem pH zero. Uma solução de um álcali forte, como hidróxido de sódio, na concentração de 1 mol, tem um pH de 14. Assim, os valores de pH medidos geralmente ficam na faixa de 0 a 14, embora valores e valores de pH negativos acima de 14 são bem possíveis.
Depende muito da acidez do meio de solução. Como o pH é uma escala logarítmica, uma diferença de uma unidade de pH é equivalente a dez vezes a diferença na concentração de íons de hidrogênio. O PH de neutralidade não chega a 7 (a 25 °C), embora na maioria dos casos esta seja uma boa aproximação. A neutralidade é definida como a condição na qual [H+]=[OH-]. Como a auto-ionização da água mantém o produto dessas concentrações [H+] × [OH-]=Kw, pode-se observar que na neutralidade [H+]=[OH-]=√Kw ou pH=pKw / 2.
PKw é aproximadamente 14, mas depende da força iônica e da temperatura, então o valor do pH do meio também importa, que deve ser neutronível. A água pura e uma solução de NaCl em água pura são neutras porque a dissociação da água produz a mesma quantidade de ambos os íons. No entanto, o pH de uma solução neutra de NaCl será ligeiramente diferente do pH da água pura neutra, uma vez que a atividade dos íons hidrogênio e hidróxido depende da força iônica, então Kw varia com a força iônica.
Plantas
Pigmentos vegetais dependentes que podem ser usados como indicadores de pH são encontrados em muitas plantas, incluindo hibisco, repolho roxo (antocianina) e vinho tinto. O suco cítrico é ácido porque contém ácido cítrico. Outros ácidos carboxílicos são encontrados em muitos sistemas vivos. Por exemplo, o ácido lático é produzido pela atividade muscular. O estado de protonação dos derivados de fosfato, como o ATP, depende da acidez do meio de pH. O funcionamento da enzima de transferência de oxigênio da hemoglobina é afetado pelo pH em um processo conhecido como efeito raiz.
Água do mar
Na água do mar, o pH é normalmente limitado entre 7,5 e 8,4. Desempenha um papel importante no ciclo do carbono no oceano, e há evidências de acidificação contínua dos oceanos causada pelas emissões de dióxido de carbono. No entanto, medir o pH é complicado pelas propriedades químicas da água do mar, e existem várias escalas de pH diferentes na oceanografia química.
Soluções Especiais
Como parte da definição operacional da escala de acidez (pH), a IUPAC define uma série de soluções tampão na faixa de pH (muitas vezes referida comoNBS ou NIST). Essas soluções têm uma força iônica relativamente baixa (≈0,1) em comparação com a água do mar (≈0,7) e, como resultado, não são recomendadas para uso na caracterização do pH da água do mar porque as diferenças na força iônica causam alterações no potencial do eletrodo. Para resolver este problema, foi desenvolvida uma série alternativa de buffers baseados em água do mar artificial.
Esta nova série resolve o problema das diferenças de força iônica entre amostras e tampões, e a nova escala de pH para acidez média é chamada de escala comum, geralmente chamada de pH. A escala global foi determinada usando um meio contendo íons sulfato. Esses íons sofrem protonação, H+ + SO2-4 ⇌ HSO-4, então a escala total inclui a influência de ambos os prótons (íons de hidrogênio livres) e íons de sulfeto de hidrogênio:
[H+] T=[H+] F + [HSO-4].
A escala livre alternativa, muitas vezes referida como pHF, omite essa consideração e se concentra exclusivamente em [H+]F, tornando-a, em princípio, uma representação mais simples da concentração de íons de hidrogênio. Apenas [H+] T pode ser determinado, então [H+] F deve ser estimado usando [SO2-4] e a constante de estabilidade HSO-4, KS:
[H +] F=[H+] T - [HSO-4]=[H+] T (1 + [SO2-4] / K S) -1.
No entanto, é difícil estimar KS na água do mar, limitando a utilidade de uma escala livre mais simples.
Outra escala, conhecida como escala da água do mar, muitas vezes referida como pHSWS, leva em conta a ligação de prótons entre íons de hidrogênio e íons de fluoreto, H+ + F- ⇌HF. O resultado é a seguinte expressão para [H+] SWS:
[H+] SWS=[H+] F + [HSO-4] + [HF]
No entanto, o benefício de considerar essa complexidade adicional depende do teor de flúor do meio. Por exemplo, na água do mar, os íons sulfato são encontrados em concentrações muito mais altas (> 400 vezes) do que as concentrações de flúor. Como consequência, para a maioria dos propósitos práticos, a diferença entre a escala comum e a escala da água do mar é muito pequena.
As três equações a seguir resumem as três escalas de pH:
pHF=- log [H+] FpHT=- log ([H+] F + [HSO-4])=- log [H+] TpHSWS=- log ([H+] F + [HSO-4] + [HF])=- log [H+]
Do ponto de vista prático, as três escalas de pH de um ambiente ácido (ou água do mar) diferem em seus valores até 0,12 unidades de pH, e as diferenças são muito maiores do que normalmente é necessário para a precisão de Medições de pH, em particular em relação ao sistema carbonático oceânico.
