En les dissolucions diluïdes, que són les més habituals, l'activitat coincideix amb laconcentració i l'expressió anterior es pot escriure:
El pH, en les dissolucions aquoses, té una escala que va del 0 al 14, en la qual el nombre 7 determina el pH neutre. Els valors inferiors a 7 indiquen acidesa (i més àcid com més petit és el nombre), i els superiors a 7 indiquen basicitat (més bàsic com més gran és el nombre). El pH s'utilitza per a evitar la manipulació de les xifres complexes que apareixen en expressar la concentració. Així, per exemple, si hom té una concentració [H₃O+] = 1,96 × 10–3 mol/l, s'obtindrà pH = 2,71.
Exemples de substàncies àcides, amb pH baix, són el suc dellimona, pH ≈ 2,3; elvinagre, 2,4 ≤ pH ≤ 3,4; o elsuc gàstric, 1,0 ≤ pH ≤ 3,0. De substàncies amb pH alt, és a dir alcalines o bàsiques, hom pot citar elssabons, 9,0 ≤ pH ≤ 11,5; les dissolucions d'amoníac emprades per a netejar, pH ≈ 11,5; o ellleixiu; pH ≈ 12,5.
El concepte de pH fou introduït pel químic danèsSøren Peter Lauritz Sørensen delLaboratori Carlsberg el 1909, quan realitzava estudis sobreproteïnes,aminoàcids ienzims.[2] Ideà una manera senzilla d'expressar l'àmplia variació de la concentració de cations hidrogen en les dissolucions, que pot variar des de més de 10 mol/l a menys de 10–15 mol/l. El definí com ellogaritme decimal canviat de signe de laconcentració de cationshidrogen, H+. Posteriorment es canvià el símbol inicial de Sørensen,PH, i per això s'utilitza actualment, pH. El símbol "pH" és unacrònim que significaelpotencial de l'hidrogen,[3] ja que el pH es pot mesurar a partir de mesures depotencials elèctrics en unacel·la electroquímica. Així per a una concentració de 10–2 mol/l, pH = 2.
El 1924 Sørensen i el seu col·laborador al Laboratori Carlsberg, el químic danèsKaj Ulrik Linderstrøm-Lang, proposaren que era més adient definir el pH en funció de l'activitat química:[4]
pH-metre amb l'elèctrode de vidre més l'elèctrode de referència i una sonda de temperaturapH-metre de butxacaPaper indicador del pH en format rotllo de serpentina
La mesura precisa del pH es realitza utilitzant elspH-metres,potenciòmetres que disposen d'unacel·la electroquímica que es posa dins la dissolució de la qual se'n vol determinar el pH, i que conté unelèctrode de referència, habitualment unelèctrode de plata-clorur de plata, i unelèctrode de vidre, que és sensible a la concentració de cations H+. Malgrat que els pH-metres de millor qualitat són de taula, actualment es pot disposar de pH-metres de butxaca que permeten realitzar mesures de pH precisesin situ.
Si no cal una mesura precisa del pH i només cal un valor aproximat, s'empren tires de paper indicador, les quals en contacte amb la dissolució que es vol analitzar canvien de color de forma gradual. D'aquesta manera, segons el color observat, per comparació amb una escala definida, hom té un valor aproximat del pH. Aquestes tires es fabriquen impregnant-les d'una mescla de diferentsindicadors àcid-base, substàncies que canvien de color dintre d'un interval de valors de pH. Aquests tipus de mescles s'anomenenindicadors universals.
El pH es defineix com a menys ellogaritme en base 10 de l'activitat en dissolució dels cationsoxoni, H₃O+. Tanmateix en les condicions més habituals de treball l'activitat coincideix amb laconcentració de la dissolució i, com que la diferència és negligible, es parla de concentracions.
L'escala de pH és una escala logarítmica, això significa que si tenim dues dissolucions que els seus pHs difereixen en una unitat, les seves concentracions seran una 10 vegades superior a l'altra en cations H₃O+. Si la diferència és de 3 unitats de pH, una de les dissolucions serà 1 000 vegades (103) més concentrada que l'altra. La concentració, o de forma més precisa l'activitat, es pot relacionar amb el pH amb la fórmula:
La definició de pH indica que és elmenys logaritme de l'activitat; aquestmenys implica que valors alts de pH signifiquen valors baixos de concentració, de cations oxoni, H₃O+. Les concentracions altes de cations oxoni donen valors de pH baixos. Per exemple:
El valor de pH = 7 indica que la dissolució és neutre. Aquest valor no és arbitrari, l'explicació cal cercar-la en l'autoionització de l'aigua i la sevaconstant d'equilibri,Kw. L'autoionització de l'aigua es descriu amb la següent equació:
Representació molecular de l'autoionització de l'aigua
Aquesta reacció química té una constant d'equilibri,Kc, que ve donada per:
Però com que la concentració d'aigua en aigua és constant i igual a 55,5 mol/l, la concentració d'aigua es pot multiplicar per la constant Kc i queda una nova constant,Kw, que s'anomena constant de dissociació de l'aigua i que val 10–14 a 25 °C.
Per a l'aigua neutra les concentracions de cations oxoni i anions hidroxil són iguals, i valen:
La dissolució neutra, per tant, té un pH = 7:
Habitualment es parla que l'escala de pH va de 0 a 14 unitats. Això és així perquè habitualment les dissolucions que s'estudien són dissolucions diluïdes que no superen les concentracions 1,0 mol/l d'àcid o de base. Si és l'àcid, tenim que el pH és:
Si és la base la que presenta una concentració 1,0 mol/l tenim que, amb la constant d'equilibri la concentració de cations oxoni és:
Si es determina el pH de dissolucions més concentrades que les indicades es poden trobar pHs amb valors negatius[5] quan la dissolució és molt àcida, o superiors a 14 quan és molt alcalina. Tanmateix el fet de ser una escala logarítmica fa que hom no obtengui valors molt allunyats dels límits habituals.
Igual que es defineix el pH es defineix elpOH, menys el logaritme decimal de l'activitat dels anionshidroxil, OH-, que per a dissolucions diluïdes es pot posar en funció de la concentració en lloc de l'activitat:
A partir de l'equilibri d'autoionització de l'aigua i aplicant menys logaritmes s'obté la relació amb el pH:
L'escala de pH en aigua té valors des del zero al 14, però no passa igual quan el dissolvent no és aigua (àcids, bases, alcohols, hidrocarburs…). Si els dissolvents són àcids, l'escala es desplaça cap avall. Així per a l'àcid acètic, CH₃COOH, els valors van de –6 a –1 unitats; i per a l'àcid metanoic, HCOOH, de –9 a –2 unitats. Si els dissolvents són bases, l'escala es desplaça cap amunt respecte de la de l'aigua.[6]
En elsalcohols l'escala ocupa la mateixa zona que la de l'aigua, però ampliada cap avall i cap amunt. En el cas de l'etanol els valors de pH estan entre –4 i +16 unitats. En dissolvents no protònics, que no s'ionitzen, com ara l'acetona, l'escala s'amplia molt, i va de –5 a +10 unitats.[6]
Lesdissolucions amortidores són dissolució elpH de les quals varia molt poc per dilució o per addició de quantitats moderades d'àcids o debases, àdhuc forts. També s'anomenendissolucions tampó, i estan formades per un àcid dèbil i una de les sevessals, o per una base dèbil i una de les seves sals.
La influència de la concentració de cations oxoni, H₃O+, en els processos químics i biològics que tenen lloc a la natura, desenvolupa un paper determinant; i és tan variada i extensa que afecta totes les funcions vitals dels éssers vius, des dels bacteris fins a l'ésser humà.
El valor del pH en les aigües minerals aptes per al consum humà oscil·la al voltant de pH = 7, entre 6,8 i 8,0; i depèn majoritàriament del seu contingut endiòxid de carboni dissolt en forma d'àcid carbònic, d'hidrogencarbonat i decarbonat. Quan la concentració d'àcid carbònic és elevada tenim aigües lleugerament àcides, mentre que si és baixa és lleugerament alcalina. L'aigua del brollador deVichèi és una aigua àcida, amb un pH = 6,8, en el moment de sortir del brollador. Les aigües de rius solen tenir pHs lleugerament més alts que les minerals. L'aigua dels mars és lleugerament alcalina, lamar Mediterrània té un pH = 8,35; lamar del Nord entre 8,1 i 8,3; l'oceà Atlàntic 8,35 a la superfície i 7,87 a 3 000 m de fondària.[7] A causa de l'increment de la concentració dediòxid de carboni, CO₂, en l'atmosfera per la combustió de combustibles fòssils (carbó,gas natural,petroli) en la indústria i el transport, durant el segle XX ha disminuït el pH mitjà de l'aigua dels oceans en 0,1 unitats i, es preveu que durant el segle xxi disminueixi 0,3-0,4 unitats més. Això és degut a la major dissolució del diòxid de carboni en l'aigua formant-seàcid carbònic, que es dissocia segons les equacions:[8]
Les distintes espècies debacteris tenen un creixement òptim estretament delimitat per un petit interval de pH. Per exemple el colibacil oEscherichia coli necessita un pH entre 4,8 i 8,8 (òptim entre 6,5 i 7,0); l'Streptococcus pneumoniae, causant de lapneumònia, creix en una zona de pH de 5,2 a 7,8, amb un valor òptim de 6,9; elClostridium tetani, que causa la malaltia deltètanus, es desenvolupa a un pH entre 5,5 i 8,3, essent l'òptim al voltant de 7,3; elYersinia pestis, causant de lapesta negra precisa un pH entre 5,6 i 7,5, amb un valor òptim de 6,8.[7]
En el cos humà hom hi troba medis on el pH oscil·la dins un estret marge perquè hi hagi un correcte funcionament de les activitats vitals. Així lasang té un pH entre 7,35 i 7,45;[9] i no pot superar el pH = 7,8. La sang té un pH extraordinàriament estable a causa dels sistemes amortidors que conté, entre els quals destaquen el dihidrogenfosfat/hidrogenfosfat, H₂PO₄-/HPO₄2-, i l'àcid carbònic/hidrogencarbonat, H₂CO₃/HCO₃-. Lasaliva té un pH òptim neutre i oscil·la entre 6,5 i 7,5. Elsuc gàstric té un pH molt àcid, entre 1,0 i 3,0, amb un valor òptim d'1,8. Aquests valors tan baixos permeten realitzar la funció digestiva alhora que destrueixenbacteris: per exemple elsenterococs moren a un pH inferior a 2,4. També lapell té un pH àcid (3,5-4,0) que li confereix una acció desinfectant. Elsuc pancreàtic és alcalí, entre 8,5 i 8,9 unitats de pH. Labilis té un pH pràcticament neutre 6,8-7,0. A l'intestí el pH oscil·la entre 7,0 i 8,0. Lesllàgrimes i lasuor tenen un pH aproximadament de 7,2.[7] Elsemen té un pH que va de 7,2 a 8,0[10] i elsespermatozoides perden la seva mobilitat per sota de 6,0 i a més de 10,0 unitats. Elfluix vaginal, en canvi, és àcid, entre 4,4 i 5,6 unitats de pH, la qual cosa evita l'entrada degèrmens no habituals.[7] L'orina té un pH que varia entre 4,8 i 8,4. La llet entre 6,6 i 7,6.[9]
Lesfruites tenen pHs variats però sempre són àcids. Entre les molt àcides (pH < 4) hom troba elscítrics: lallimona dolça té un pH 1,8-2,0; lallimona 2,2-2,4; i lataronja 3,0-4,0. I de les lleugerament àcides (pH > 4,5) hi ha lesfigues amb pH = 5,0 i elsdàtils, entre 6,2 i 6,4, que són dels valors més alts que es poden trobar. Quant averdures lesolives verdes també són molt àcides, trobant-se valors entre 3,6 i 3,8; algunes verdures són àcides (4 < pH < 4,5) com latomàtiga el qual pH oscil·la entre 4,0 i 4,4; i la majoria són lleugerament àcides:col, 5,1-5,3;patates, 5,4-5,8;xampinyons, 5,8-5,9;pèsols, 6,1-6,3.[11]
Flors d'hortènsia en sòl àcid
Flors d'hortènsia en sòl alcalí
Elsvegetals necessiten per al seu bon desenvolupament terres amb pH que variïn, per regla general, en un petit interval de valors, la qual cosa s'ha de tenir en compte en l'agricultura si hom vol obtenir un bon rendiment en cultivar-los. Per exemple quant a leshortalisses lespatateres requereixen unsòl lleugerament àcid, entre 5,0 i 6,0 unitats de pH; lapastanaga entre 5,0 i 5,5; elsnaps entre 6,3 i 6,8 i laremolatxa es desenvolupa òptimament si el pH és neutre o lleugerament alcalí, entre 7,0 i 7,5. Entre elscereals hom trobablat que necessita un terreny pràcticament neutre, entre 6,8 i 7,2; l'ordi també, entre 6,5 i 7,5; i elsègol el requereix lleugerament àcid entre 5,5 i 6,0. L'alfals pot créixer en sòls que poden arribar fins a pH = 8,0. Quant a les plantes ornamentals o de jardí l'hortènsia destaca per adaptar-se bé a terrenys amb pHs que van del 3,5 al 7,5, i es caracteritza per donar flors de diferents colors en funció del pH (color cel si el sòl és àcid, rosa si és alcalí). Les orquídies, contràriament a les hortènsies, requereixen un pH pràcticament de 5,0. Lesroses, lesdàlies, els gladiols creixen en sòls de pH entre 6,5 i 7,5.[7]
Fermentació de la cervesaLes begudes de cola són àcides, pH = 2,37-2,81Els vinagres s'han utilitzat tradicionalment com a conservants d'aliments
A la indústria tots els processos que involucren reaccions químiques o activitat demicroorganismes, són afectats pels valors del pH.
En l'elaboració de productes mitjançantfermentació (vi,cervesa,pa, etc.) és determinant treballar dins la zona de pH on els ferments creixen millor. En les cerveses el pH augmenta ràpidament començada la fermentació i se situa al voltant de pH = 4,5. Amb aquest pH l'activitat delllevat de la cervesa és òptima i s'impedeix la proliferació d'altres ferments i bacteris. També un pH lleugerament àcid facilita la conservació de la cervesa una vegada obtinguda: la pilsen té un pH entre 4,4 i 4,6, i en general les cerveses tenen un pH entre 3,4 i 4,9. Els vins també tenen pHs àcids, entre 2,8 i 3,8.[7] Quant al pa, la massa ha de tenir un pH entre 4,5 i 5,5 i en fermentar-se ha d'estar entre 5,0 i 5,5. Mai ha de superar-se el pH = 6,0 perquè es desenvolupa elBacillus subtilis que donaria lloc a la formació de fils, mala olor i mal gust del pa.[12]
Les begudes refrescants són un producte de consum molt estès. El seu efecte refrescant es deu al seu contingut en diòxid de carboni que acidifica l'aigua i que es desprèn en forma de bombolles una vegada obert l'envàs. Com que la sensació refrescant es deu a l'acidesa també s'addicionen altres àcids, coma ara l'àcid fosfòric, l'àcid cítric, l'àcid màlic, l'àcid tàrtric o l'àcid ascòrbic; els quals incrementen el pH de les begudes. De mitjana aquestes begudes tenen un pH al voltant de 2,4. Lesbegudes de cola són les que el tenen més baix, entre 2,37 i 2,81; les begudes esportives el tenen més alt, semblant als sucs de fruita, i al voltant de pH 3,8. La llet, l'aigua mineral i les begudes desoja tenen un pH lleugerament alcalí.[13]
La indústria lletera també depèn molt del pH. La llet devaca té un pH entre 6,4 i 6,6, i una desviació indica adulteració o malaltia en la vaca. En la maduració dels formatges és important mantenir el pH més adient pel tipus deformatge que s'elabora. I l'acidesa exacta té una importància capital tant per al rendiment com per a la qualitat en l'obtenció de lamantega.[7]
L'addició d'àcids és el mètode més antic per a la conservació d'aliments. Així s'aconsegueix un canvi de gust i la disminució del valor del pH. Els pHs baixos són nocius per afongs ibacteris amb la qual cosa s'impedeix la seva proliferació allargant la durada de l'aliment. Amb aquesta finalitat, en la indústria alimentària s'empren diferents àcids, anomenatsacidulants. Se'ls sol identificar amb un codi que comença per la lletra "E" seguida de tres xifres. Per exempleàcid acètic (E260),diòxid de carboni (E290),àcid succínic (E363),àcid fosfòric (E338) oàcid clorhídric (E507). També hi ha aliments que requereixen un pH concret per a mantenir les seves propietats, s'empren additius que s'anomenenreguladors de pH, per exemplefosfat de sodi (E339),malat de sodi (E350),tartrat de calci (E354) oàcid adípic[14]
En la indústria química delgalvanitzat el valor del pH dels banys galvanotècnic té una gran influència sobre l'aspecte i les propietats dels metalls que es dipositen. El pH més favorable depèn, per a cada cas, de la temperatura, la concentració i la densitat del corrent elèctric emprat. Per exemple per alniquelat s'empren dissolucions de pH = 5,5-6,0;[7] elcromat es realitza en una dissolució d'àcid sulfúric amb un pH al voltant de 2,5-3,4.
En laindústria adobera els tractaments als quals se sotmet la pell al llarg de la seva preparació són una sèrie de processos que, quasi sense cap excepció, es desenvolupen sota la influència del valor del pH. Com a exemple ladepilació es realitza amb dissolucions d'òxid de calci o calç a un pH alt sense superar el pH = 12,5. Posteriorment, s'ha de desencalar, eliminar la calç, la qual cosa s'assoleix a un pH = 3,5. Durant l'adobatge és quan és més important la regulació del pH. En el tractament ambcrom s'inicia amb un tractament ambclorur de sodi iàcid clorhídric a pH = 2,5 i després se segueix amb un bany de sals de crom a pH 3,0-4,0.[7]
La indústria delsdetergents treballen amb materials alcalins. Per exemple elssabons donen dissolucions de pH entre 9,0 i 11,5. El pH és determinant en el poder detergent i en l'agressivitat del producte sobre la pell i les fibres. En la indústria dels cosmètics tots els productes que es preparen han de tenir en consideració el pH de la pell, entre 4,0 i 5,0, o dels cabells, per exemple.[7]
