Por que os valores de pH são apenas de 0 a 14?

Um pH fora da faixa convencional de 0 a 14 é possível, mas várias limitações causadas pelos instrumentos e pela própria solução nos impedem de medir essa substância.

Muitas vezes rotulamos a água como uma solução neutra com um pH de 7. Além disso, qualquer solução que pareça ácida tem um pH menor que 7, enquanto uma que é básica tem um pH maior que 7. No entanto, o que são esses números e o que eles nos dizem sobre a solução? É verdade que uma solução pode ter apenas valores de pH na faixa de 0f 0-14?

Qual é a escala de pH?

A escala de pH é usada para determinar se uma substância é ácida ou básica e para calcular quão forte é uma substância química. Um valor de pH é um número que varia de 1 a 14 para os produtos químicos mais comuns, com sete sendo o ponto médio ou neutro. Valores abaixo de 7 são indicadores de acidez, que aumentam à medida que o número diminui, enquanto valores acima de 7 indicam alcalinidade, que aumenta à medida que o valor aumenta. Uma coisa interessante a se notar aqui é que a escala de pH não é linear. Em outras palavras, um ácido com um pH de 3 não é duas vezes mais forte que um ácido com um pH de 6. Uma distinção importante a ser entendida é que a escala de pH é uma escala logarítmica.

A definição formal de pH revela que é simplesmente uma medida da atividade dos íons hidrogênio em um determinado solvente. A atividade aqui significa que seu movimento é livre, o que só é possível se o produto químico tiver ionizado, liberando íons na solução.

fórmula de pH

A fórmula para calcular o pH é mais ou menos assim:  p H = – log 10 [ Hs o l v a t e d ].

Esta é uma equação logarítmica com uma base 10. Nesta escala, uma substância com um ph de 3 é dez vezes mais ácida do que uma substância com um pH de 4 e 100 vezes mais ácida que uma substância com um pH de 5. Da mesma forma , uma substância com pH 9 é dez vezes mais alcalina que uma substância com pH 8 e 1000 vezes mais alcalina que uma substância com pH 6.

O que significa p em pH?

A história por trás da descoberta da escala de pH é bastante interessante. O conceito de pH foi introduzido pela primeira vez por um químico chamado Soren Peder Lauritz, que trabalhou no Carlsberg Laboratory em Copenhague, na Dinamarca. A primeira menção a esse termo parecia algo assim – p H – um pequeno p com um H no índice.

Enquanto o H representa a concentração de íons hidrogênio sobre a qual todo o conceito gira, o significado exato de p é altamente contestado. A escala mede basicamente uma diferença potencial entre diferentes soluções, contando a potência negativa de dez. Ambas as palavras – “poder” e “potencial” – começam com p nos três idiomas (francês, alemão e dinamarquês) em que Sorensen falou e publicou sua pesquisa. Dada essa ambiguidade, o significado de p permanece um dos grandes mistérios no campo da química, embora não sejam algo excessivamente crítico para o próprio conceito.

Podemos ter valores de pH fora da faixa de 0 a 14?

Teoricamente falando, a escala de pH deve realmente variar do infinito negativo ao infinito positivo. Esta alegação está de acordo com sua definição, que afirma que o pH de uma substância é o valor definido pelo logaritmo negativo da concentração de íons hidrogênio. No entanto, na realidade, a maioria das soluções encontradas em um laboratório padrão tem um valor de pH entre 0 e 14. Isso ocorre porque, para atingir níveis de pH abaixo de 0 ou acima de 14, seria necessário soluções extraordinariamente ácidas ou básicas, respectivamente.

Uma solução saturada de hidróxido de sódio (NaOH) deve ter um pH de 15 com base em sua molaridade. No entanto, o produto químico não será capaz de solvatar inteiramente devido à presença de água, que atua como um obstáculo à solvatação (decomposição) de moléculas maiores. Por sua vez, isso resultará em um declínio na liberação de íons hidróxido (OH – ), que são íons que absorvem os íons hidrogênio, aumentando o pH da solução.

É possível um pH negativo?

Atingir uma classificação de pH negativa é definitivamente possível. Na prática, qualquer ácido que produza uma concentração de íons hidrogênio com molaridade maior que um exibirá um pH negativo quando calculado. No entanto, se um ácido realmente  tem  um valor de pH negativo não é algo que possa ser verificado efetivamente em um laboratório.

Para colocar isso em perspectiva, considere uma solução 12 M de ácido clorídrico (HCL). Este produto químico deve ter um pH de -1,08, que é uma unidade acima da escala de pH padrão, mas não podemos medi-lo com nenhum instrumento conhecido. O papel decisivo (o meio mais comum de medir o pH) indica apenas se o valor do pH está acima ou abaixo de sete. Como tal, são necessários medidores de pH para estabelecer o valor real. No entanto, mesmo os medidores de pH com eletrodo de vidro falham em tarefas tão extremas por causa de algo chamado erro de ácido, que faz com que mesmo esses dispositivos altamente avançados medam um pH maior que o valor real. Mesmo se melhorarmos a eficiência desses instrumentos e alcançarmos a “perfeição” (o que parece quase impossível), ainda há um problema final – concentração efetiva.

O que é concentração efetiva?

Ácidos fortes nunca se dissociam completamente na água para liberar o número de íons hidrogênio necessários para levar o medidor do dispositivo a um valor negativo. Acentuando esse problema está a concentração efetiva de íons hidrogênio, que é sempre menor que a concentração real, pois há muito pouca água por unidade de ácido em soluções ácidas fortes e concentradas. A água ajuda na quebra de ácidos, liberando íons hidrogênio no processo. Isso ocorre porque a água é uma molécula dipolo e cria um movimento dipolo efetivo líquido. No entanto, na ausência de água, as moléculas de ácido não se decompõem tanto quanto deveriam, o que torna o pH muito mais alto do que o esperado com base na molaridade.

Uma palavra final

Em conclusão, é realmente possível ter um pH fora da faixa convencional de 0 a 14. No entanto, nesses casos, o pH deixa de ser uma medida útil ou até significativa devido às várias limitações causadas pelos instrumentos e pela própria solução. Para rotular soluções altamente concentradas, é preciso usar a concentração, como a molaridade, diretamente.

De uma perspectiva simples, o que o pH faz é ajudar a trazer concentrações extremamente pequenas de H + para uma faixa mais familiar de números, mas, à medida que as concentrações se tornam maiores, essa prática perde seu valor e se torna contraproducente. Felizmente, com o tempo, haverá certas modificações que melhorarão a eficiência e a precisão de nossas medidas extremas. Afinal, o pH é um dos conceitos mais famosos e úteis no mundo da química e, no campo da ciência, a precisão é essencial!

Referências:

1. Elmhurst College
2. Plataforma de aprendizagem PEI
3. American Chemical Society