Escala de pH e indicadores

¿Cómo se lee la escala de pH y qué hace un indicador?

El pH comprime la concentración de hidronio en un número corto. A $25\ ^\circ\mathrm{C}$ el agua pura, y cualquier disolución neutra, cae en 7,00. Abajo de eso la disolución es ácida. Arriba es básica. Un indicador no reemplaza la definición: pinta una estimación para cuando no hay medidor. Si el examen da un pH y pide "ácida o básica", la temperatura que debes suponer es la estándar, $25\ ^\circ\mathrm{C}$, salvo que el enunciado diga otra. ^{1 3}

Una disolución es neutra cuando las concentraciones relativas de hidronio e hidróxido se corresponden, en el caso del agua pura cuando son iguales. El pH se define como el menos logaritmo de la molaridad de hidronio:

$$\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$$

Al revés, $[\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-\mathrm{pH}}$. El pOH hace lo mismo con el hidróxido: $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$ y $[\mathrm{OH^-}] = 10^{-\mathrm{pOH}}$. A $25\ ^\circ\mathrm{C}$, $K_{\mathrm{w}} = 1{,}0 \times 10^{-14}$, así que

$$14{,}00 = \mathrm{pH} + \mathrm{pOH}$$

En agua pura a esa temperatura las dos concentraciones valen $1{,}0 \times 10^{-7}\ \mathrm{M}$, y por eso pH y pOH valen 7,00. ^{2 1}

Ácida, a $25\ ^\circ\mathrm{C}$: $[\mathrm{H_3O^+}]$ mayor que $1{,}0 \times 10^{-7}\ \mathrm{M}$, hidróxido más chico, pH menor que 7,00 y pOH mayor que 7,00. Básica: al revés, pH mayor que 7 y pOH menor que 7. La tabla del capítulo lo resume en tres renglones, siempre a $25\ ^\circ\mathrm{C}$: ácido si hay más hidronio que hidróxido y el pH es menor que 7; neutro si las dos concentraciones son iguales y el pH es 7; básico si hay menos hidronio que hidróxido y el pH es mayor que 7. ¹

Ese 7 no viaja a cualquier temperatura. $K_{\mathrm{w}}$ depende de la temperatura, así que los adjetivos ácido, neutro y básico se corren. A $80\ ^\circ\mathrm{C}$ el agua pura tiene $[\mathrm{H_3O^+}] = 4{,}9 \times 10^{-7}\ \mathrm{M}$. Eso da pH = pOH = 6,31, y esa disolución sigue siendo neutra: las dos concentraciones son iguales. A esa temperatura, ácida significa pH menor que 6,31, no "menor que 7". El capítulo advierte que, cuando habla de pH ácido o básico sin más datos, se refiere a la temperatura estándar. En el examen ocurre lo mismo. ³

El pH se mide con un medidor. Uno de laboratorio puede resolver milésimas de unidad, con una exactitud de unas dos milésimas, y el texto señala que puede costar más de mil dólares. Uno portátil resuelve centésimas y anda por unas dos décimas de exactitud. El pOH casi no se mide: se calcula restando el pH de 14,00 a $25\ ^\circ\mathrm{C}$. ⁴

También se estima el pH a ojo, con indicadores coloreados. Un indicador universal toma un color distinto en disoluciones de distinto pH, así que se agrega a la disolución para leerlo. La figura compara viales $0{,}1\ \mathrm{M}$: clorhídrico con pH 1, acético con pH 3, cloruro de amonio con pH 5, agua desionizada neutra con pH 7, y bases cada vez más fuertes en la serie de la figura (cloruro de potasio en pH 7, anilina en pH 9, amoniaco en pH 11 e hidróxido de sodio en pH 13). El papel de pH trae una mezcla de indicadores y da colores distintos según el pH. ⁴

El tornasol es más viejo y más grueso. Boyle ya anotaba que los ácidos cambian ese tinte natural de azul a rojo. No da el pH con decimales. Sirve para decir "esto es ácido" cuando el papel azul se pone rojo. ⁵

Estas fichas no nombran la fenolftaleína ni el color que toma. Si el reactivo describe un cambio de color, el dato viene en el enunciado. La escala y el tornasol sí están en el capítulo. El paso del logaritmo, con números, está en el cálculo de pH y pOH. Quién dona el protón está en las tres teorías.

Ideas clave

• Definición. $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$ y $\mathrm{pOH} = -\log[\mathrm{OH^-}]$. A $25\ ^\circ\mathrm{C}$ suman 14,00. ²
• A 25 °C. Neutro en 7,00. Ácido por debajo. Básico por arriba. ¹
• Otra temperatura. El neutro es el pH del agua pura a esa temperatura. A $80\ ^\circ\mathrm{C}$ ese pH es 6,31. ³
• Indicadores. El universal cambia de color con el pH. El papel de pH mezcla varios. El medidor da el número. ⁴
• Tornasol. Un ácido lo pasa de azul a rojo. No reemplaza al medidor. ⁵

Ejemplos resueltos

Tres pH a 25 °C

El problema dice que la temperatura es $25\ ^\circ\mathrm{C}$.

1. pH 4,2 es menor que 7,00. Hay más hidronio que en el agua pura. La disolución es ácida. ¹
2. pH 7,00 iguala al agua pura. Es neutra. ²
3. pH 9,4 es mayor que 7. Es básica, aunque no sea un hidróxido "fuerte" de la lista. El adjetivo sale del número, no del nombre comercial.
4. Entre 4,2, 7,00 y 9,4, la más ácida es 4,2 y la más básica es 9,4. Ordenar de ácida a básica es subir el pH. ¹

Agua caliente

A $80\ ^\circ\mathrm{C}$ el agua pura tiene pH 6,31.

1. Hidronio e hidróxido siguen iguales entre sí. Por eso es neutra, aunque el número sea menor que 7. ³
2. Una disolución a esa temperatura con pH 6,0 está por debajo de 6,31: ácida.
3. No uses el 7 del laboratorio a $25\ ^\circ\mathrm{C}$ para corregir este caso.
4. Si el reactivo no da temperatura, quédate en $25\ ^\circ\mathrm{C}$ y en el 7. ³

Papel azul

1. Metes papel tornasol azul en una disolución y sale rojo. Los ácidos producen ese cambio. La disolución es ácida. ⁵
2. El papel no te dijo si el pH es 1 o 5. Para eso hace falta indicador universal, papel de pH o medidor. ⁴
3. Un vial de la figura con pH 1 (clorhídrico $0{,}1\ \mathrm{M}$) es más ácido que uno con pH 5 (cloruro de amonio $0{,}1\ \mathrm{M}$). Los dos quedarían del lado ácido del tornasol. ⁴
4. No leas "rojo" como básico. En el tornasol de Boyle el rojo es el lado ácido. ⁵

Errores comunes

Creer que pH 6,31 siempre es ácido. A $80\ ^\circ\mathrm{C}$ es el pH del agua pura y es neutro. El corte de 7 pertenece a $25\ ^\circ\mathrm{C}$. ³

Ordenar "de más ácida a más básica" empezando por el pH grande. A $25\ ^\circ\mathrm{C}$ el pH chico es el más ácido. El pH grande es el más básico. ¹

Usar el tornasol como si diera el pH. Solo dice que un ácido lo pasó de azul a rojo. El número sale del medidor, del papel de pH o de un indicador universal comparado con la escala. ^{5 4}

Cómo lo pregunta el examen

Si listan pH y piden la sustancia básica, a $25\ ^\circ\mathrm{C}$ es la de pH mayor que 7. Un pH cercano a 10 cae de ese lado. Un pH de 2, uno de 3 y el 7 del agua pura no. ¹

Un pH menor que 7 se clasifica ácido. No marques "básica" solo porque el cálculo del logaritmo salió positivo: el signo del carácter lo da la comparación con 7, no el hecho de que el pH sea un número positivo. ¹

El tornasol azul que se vuelve rojo señala un ácido. El jugo que produce ese cambio es ácido, en la línea de Boyle. ⁵

Si el enunciado dice que un indicador pasa de incoloro a rosa intenso, la respuesta pedida es que la disolución es básica. Estas fichas no nombran la fenolftaleína: el color lo trae el reactivo, no la sección 14.2. Lo que la sección sí enseña es que un indicador coloreado estima el pH, y que por encima de 7, a $25\ ^\circ\mathrm{C}$, la disolución es básica. ^{4 1}

Cuando hay que ordenar de más ácida a más básica, se ordena de menor pH a mayor pH. La tabla numérica viene en el propio reactivo. No la inventes. ¹

Resumen

• pH es menos el logaritmo de la molaridad de hidronio. pOH hace lo mismo con el hidróxido. ²
• A $25\ ^\circ\mathrm{C}$ suman 14,00. El neutro está en 7,00. ¹
• Ácido: pH menor que 7. Básico: pH mayor que 7. Eso es a $25\ ^\circ\mathrm{C}$. ¹
• A $80\ ^\circ\mathrm{C}$ el agua pura tiene pH 6,31 y sigue neutra. ³
• El indicador universal y el papel de pH estiman el número. El ácido pone rojo el tornasol azul. ^{4 5}