pH and pOH: Crash Course Chemistry #30

Summary

El script explora el concepto de pH, relacionado con el equilibrio de una reacción reversible, y su importancia en la química. Explicación sobre cómo el agua, considerada un ácido o base, se ioniza formando iones hidronio (H3O+) y hidróxido (OH-). Se describe el pH como el 'poder de hidrógeno' en una solución, y cómo se calcula a través de logaritmos. La relación entre pH y pOH, y su suma constante de 14, se presenta como un aspecto fascinante de la química.

Takeaways

• 🧪 El pH es una medida de la potencia de hidrógeno en una solución, relacionada con el equilibrio de ácidos y bases.
• 🔤 La notación 'pH' proviene del químico danés Søren Sørensen, aunque el significado del 'p' no está claro.
• 💧 El 'H' en 'pH' hace referencia a hidrógeno, ya que los iones de hidrógeno son cruciales para el comportamiento de ácidos y bases.
• 📊 pH se define matemáticamente como el negativo del logaritmo en base 10 de la concentración de iones de hidrógeno en una solución.
• 🌡 La escala pH tiene un rango de 0 a 14, donde los números por debajo de 7 indican ácidos y los por encima indican bases.
• 🚰 El agua es considerada neutra con un pH de 7, debido a su capacidad de actuar tanto como ácido como base mediante la formación de iones H3O+ y OH-.
• 🔄 La constante de dissociación del agua (Kw) es 1.0 x 10^-14 y representa el equilibrio entre los iones H3O+ y OH- en el agua.
• 📉 Los ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico, liberan una gran cantidad de protones y tienen pHs muy bajos, mientras que los ácidos débiles, como el ácido cítrico, tienen pHs más altos.
• 📈 Las bases fuertes, como la hidróxido de sodio, consumen grandes cantidades de iones de hidrógeno y tienen pHs muy altos, en contraste con las bases débiles, que tienen pHs más bajos.
• ⚖️ El pH y el pOH, que es el negativo del logaritmo de la concentración de iones OH-, están conectados de tal manera que su suma siempre es 14.
• 📚 Los indicadores de pH, como el papel de litmus, cambian de color según el pH de una solución, lo que ayuda a determinar si es ácida o básica.

Q & A

¿Qué es el pH y por qué es importante en el cuidado personal?

El pH es una medida de la acidez o basicidad de una solución, expresada en términos del poder de hidrógeno. Es importante en el cuidado personal porque productos como jabones, champús, desodorantes y maquillaje que tienen un pH equilibrado son más suaves para la piel y el cabello, evitando la alteración del pH natural del cuerpo.

¿Quién creó el término 'pH' y por qué la 'p' está en minúscula y la 'H' en mayúscula?

El término 'pH' fue creado por el químico danés Søren Sørensen. La 'p' en minúscula no tiene una explicación clara, mientras que la 'H' en mayúscula representa hidrógeno, ya que los iones de hidrógeno son fundamentales en el comportamiento de ácidos y bases.

¿Cómo se define matemáticamente el pH de una sustancia?

El pH de una sustancia se define como el negativo de la logaritmo en base 10 de la concentración de iones de hidrógeno en la solución.

¿Qué es el ion H3O+ y cómo se relaciona con el pH?

El ion H3O+, también conocido como ion de hidróxido, es una forma en la que el agua puede actuar como ácido al liberar un protón. El pH está relacionado con la concentración de estos iones, ya que cuanto mayor sea su concentración, más ácido es el entorno y más bajo es el pH.

¿Cómo se calcula el pOH de una solución y cómo está relacionado con el pH?

El pOH se calcula como el negativo del logaritmo de la concentración de iones de hidroxilo (OH-) en una solución. Está relacionado con el pH porque la suma del pH y el pOH siempre da 14 en una solución aqueosa a temperatura ambiente.

¿Qué es el constante de dissociación del agua (Kw) y por qué es importante?

La constante de dissociación del agua (Kw) es el cociente de las concentraciones de iones de hidróxido y de hidróxido en una solución de agua en equilibrio. Es importante porque establece la relación entre la acidez y la basicidad en una solución y es igual a 1.0 x 10^-14.

¿Cómo se determina si un ácido es fuerte o débil?

Un ácido se considera fuerte si se ioniza completamente en soluciones acuosas, liberando una gran cantidad de protones y tiendo a tener un pH muy bajo. Un ácido débil se ioniza parcialmente, liberando menos cantidad de protones y su pH suele ser más alto que el de un ácido fuerte.

¿Qué indica el punto central del escalafón de pH y cómo se relaciona con el agua?

El punto central del escalafón de pH es 7, que indica la neutralidad. Agua pura, que es un mezcla de iones de hidróxido y de hidróxido en equilibrio, tiene un pH de 7.

¿Cómo se usan los indicadores de pH, como el litmus, para determinar la acidez o basicidad de una solución?

Los indicadores de pH, como el litmus, son sustancias químicas que cambian de color en diferentes pHs. El papel de litmus se torna rosado en ácidos, azul en bases y un tono púrpura claro cuando es neutral, lo que permite una estimación visual de la acidez o basicidad de una solución.

¿Por qué los logaritmos son útiles para representar las concentraciones de iones de hidrógeno en el pH?

Los logaritmos son útiles porque permiten manejar números muy grandes o muy pequeños, que son comunes en las concentraciones de iones de hidrógeno, de una manera más práctica y comprensible.

¿Cómo se relaciona la fuerza de un ácido o base con su pH?

La fuerza de un ácido o base está relacionada con la cantidad de iones de hidrógeno que liberan o consumen. Ácidos fuertes liberan más protones y tienen un pH más bajo, mientras que bases fuertes consumen más protones y elevan el pH.

Outlines

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🧼 El misterio del pH y su importancia en el cuidado personal

El primer párrafo introduce el concepto de pH y su presencia en productos de aseo personal como jabones, champús y desodorantes equilibrados en pH. Se menciona la curiosidad sobre el término 'pH', su origen y su significado, atribuido por el químico danés Søren Sørensen. Se explica que 'p' no tiene una explicación clara, mientras que 'H' representa hidrógeno, ya que los iones de hidrógeno son fundamentales en el comportamiento de ácidos y bases. El pH se define matemáticamente como el negativo de la logaritmo en base 10 de la concentración de iones de hidrógeno en una solución, lo cual es esencial para entender la acidez o basicidad de un líquido.

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🌡 La constante de dissociación del agua y la escala pH

Este párrafo profundiza en la importancia del agua en el concepto de pH, explicando cómo el agua puede actuar como ácido o base al liberar o aceptar protones. Se introduce el constante de dissociación del agua (Kw), que es igual a 1,0 x 10^-14 y representa la relación entre la concentración de iones hidronio (H3O+) y iones hidroxilo (OH-) en equilibrio. Se describe cómo se calcula el pH de una solución utilizando la concentración de iones hidronio y cómo el pH y el pOH están relacionados, siempre sumando 14 en una solución neutral. Se discute la diferencia entre ácidos fuertes y débiles, y bases fuertes y débiles, y cómo estos afectan el pH de una solución.

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🔬 Conclusión sobre el pH, pOH y su relevancia en la química

El último párrafo resume lo aprendido sobre el pH y pOH, destacando cómo el agua ioniza formando iones hidronio y hidroxilo en una reacción reversible, y cómo se calcula el pH y el pOH utilizando logaritmos. Se mencionan ejemplos de ácidos, bases y sustancias neutrales, y se explora la idea de que el pH puede mantenerse estable incluso cuando se añade una sustancia ácida o básica fuerte. El párrafo termina con un agradecimiento y una promesa de explorar en un próximo episodio cómo se mantiene el pH constante en soluciones frente a la adición de ácidos o bases fuertes.

Keywords

💡pH

El término 'pH' se refiere a la medida de la acidez o basicidad de una solución, y es fundamental para entender el equilibrio entre ácidos y bases. En el video, se define como 'la potencia de hidrógeno' en una solución, y se relaciona con la concentración de iones de hidrógeno (o iones de hidroxilo). El pH se calcula como el negativo del logaritmo base 10 de la concentración de iones de hidrógeno, y es central para el tema del video, ya que todo se centra en la acidez y basicidad.

💡Ácido

Un ácido es una sustancia que dona iones de hidrógeno (protones) en una solución. En el video, se menciona que los ácidos, como el vinagre, aumentan la concentración de iones de hidrógeno, lo que disminuye el pH de la solución. Los ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico, liberan una gran cantidad de protones y tienen pHs muy bajos, mientras que los ácidos débiles, como el ácido cítrico, liberan menos protones y tienen pHs más altos.

💡Basa

Una basa es una sustancia que acepta iones de hidrógeno (protones) o dona iones de hidróxido. En el video, se explica que las bases, como el amoníaco, consumen iones de hidrógeno, lo que aumenta el pH de la solución. Las bases fuertes, como la hidroxido de sodio, dejan una concentración muy baja de iones de hidrógeno, por lo que su pH es muy alto, mientras que las bases débiles, como la bicarbonato de sodio, consumen menos iones de hidrógeno y su pH es menos alto.

💡Logaritmo

Un logaritmo es la exponente a la que se debe elevar un número base para obtener un número dado. En el video, se utiliza el logaritmo base 10 para calcular el pH, ya que es común en la química y se basa en la concentración de iones de hidrógeno en una solución. El uso de logaritmos ayuda a manejar números muy grandes o muy pequeños, como se ilustra con la definición matemática del pH.

💡Constante de ionización de agua (Kw)

La constante de ionización de agua, o Kw, es el valor que representa el equilibrio de la reacción reversible de ionización del agua en iones de hidrógeno y iones de hidróxido. En el video, se menciona que Kw es igual a 1,0 x 10^-14 y se utiliza para calcular las concentraciones de iones de hidrógeno y de hidróxido en una solución de agua pura, lo que es crucial para entender el pH y el pOH.

💡Iones de hidrógeno (H3O+)

Los iones de hidrógeno, a menudo representados como H3O+ o H+, son iones que resultan de la ionización del agua o de otros ácidos. En el video, se discute cómo la concentración de estos iones afecta el pH de una solución y cómo se relaciona con la acidez de la misma.

💡Iones de hidróxido (OH-)

Los iones de hidróxido son iones básicos que se forman durante la ionización del agua y se representan como OH-. En el video, se explica que la concentración de estos iones, junto con la de iones de hidrógeno, determina el pH y el pOH de una solución, y se relaciona con la basicidad de la misma.

💡pOH

El pOH es el negativo del logaritmo base 10 de la concentración de iones de hidróxido en una solución. En el video, se muestra cómo calcular el pOH a partir de la concentración de iones de hidróxido y se establece una relación matemática con el pH, donde la suma del pH y el pOH siempre es 14.

💡Ácidos fuertes

Los ácidos fuertes son aquellos que se ionizan completamente en una solución, liberando una gran cantidad de iones de hidrógeno y teniendo un pH muy bajo. En el video, se menciona que el ácido clorhídrico es un ejemplo de un ácido fuerte.

💡Bases fuertes

Las bases fuertes son aquellas que se ionizan completamente en una solución, consumiendo una gran cantidad de iones de hidrógeno y teniendo un pH muy alto. En el video, se menciona que la hidroxido de sodio es un ejemplo de una basa fuerte.

💡Ácidos débiles

Los ácidos débiles son aquellos que se ionizan parcialmente en una solución, liberando una cantidad menor de iones de hidrógeno en comparación con los ácidos fuertes, y por lo tanto, suelen tener pHs más altos. En el video, se menciona que el ácido cítrico es un ejemplo de un ácido débil.

💡Bases débiles

Las bases débiles son aquellas que se ionizan parcialmente en una solución, consumiendo menos iones de hidrógeno en comparación con las bases fuertes, y suelen tener pHs más bajos que las bases fuertes pero más altos que los de los ácidos débiles. En el video, se menciona que el bicarbonato de sodio es un ejemplo de una basa débil.

Highlights

El concepto de pH se relaciona con el equilibrio de una reacción reversible y está asociado con ácidos y bases.

La notación 'pH' fue creada por el químico danés Søren Sørensen, sin una explicación clara para la 'p'.

El 'H' en 'pH' representa hidrógeno, ya que los iones de hidrógeno son fundamentales en el comportamiento de ácidos y bases.

El pH se define matemáticamente como el negativo del logaritmo en base 10 de la concentración de iones de hidrógeno en una solución.

El agua puede actuar como ácido o base, liberando o consumiendo iones de hidrógeno.

La constante de dissociación del agua, Kw, es igual a 1,0 x 10^-14 y representa la relación entre las concentraciones de iones hidronio y hidroxilo.

La concentración de iones hidronio y hidroxilo en agua pura es igual y se calcula como la raíz cuadrada de 1,0 x 10^-14.

El pH de agua pura es 7, lo que establece el centro de la escala de pH.

El indicador de pH litmus cambia de color según el pH, mostrando diferentes tonos para ácidos, bases y soluciones neutras.

El pH se calcula a partir de la concentración de iones hidronio, mientras que el pOH se calcula a partir de la concentración de iones hidroxilo.

La suma del pH y el pOH de una solución siempre es 14, lo que muestra una conexión matemática entre ambos.

Los ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico, liberan una gran cantidad de protones y tienen pHs muy bajos.

Los ácidos débiles, como el ácido cítrico, liberan menos protones y generalmente tienen pHs más altos.

Las bases fuertes, como el hidróxido de sodio, consumen grandes cantidades de iones de hidrógeno y tienden a tener pHs muy altos.

Las bases débiles, como el bicarbonato de sodio, consumen menos iones de hidrógeno y generalmente tienen pHs en el rango de 8-11.

El pH neutro técnicamente es solo 7.0, pero en un sentido más práctico, se considera entre 6 y 8.

El episodio de Crash Course Chemistry cubre temas como la ionización de agua, el constante de dissociación del agua, y cómo se calculan el pH y el pOH.

Se discuten las diferencias entre ácidos y bases fuertes y débiles, y cómo se relacionan con sus pHs correspondientes.

El uso de logaritmos para calcular pH y pOH se explica de manera sencilla y accesible.

El episodio fue escrito por Edi González, editado por Blake de Pastino, y contó con la asesoría química del Dr. Heiko Langner.

Transcripts

This may come as a bit of a shock to you, but I'm not super into personal grooming.

Like I understand soap and shampoo.

But there's all this other stuff now, and I keep seeing references to pH balance everywhere.

pH balanced soaps, and shampoos, and deodorant, and makeup abound in supermarkets and drugstores.

And I've even seen pH balanced water?!

We've talked a lot about balance over the last couple of weeks,

and pH balance is related to the equilibrium state of a reversible reaction.

You're probably also familiar with the pH scale, and you know that it has to do with acids and bases.

But what is pH exactly?

And why is it weirdly written with a lowercase 'p' and a capital 'H'?

And also, what about pH's alter ego pOH?

The capitalization thing is probably the easiest to answer, 'cause there is no answer.

No one really knows what the 'p' means.

The Danish chemist who came up with the term,

a guy with the absolutely amazing name, Søren Sørensen, never explained his reasoning.

Some people think that it comes from some form of the word power,

whether it's puissance in French, or maybe Latin, pondus.

But it probably just came from a common habit chemist have of differentiating a test solution,

labeled 'p', from a reference solution, called 'q'.

But thinking of the 'p' as standing for power, does help us remember the meaning more easily.

The 'H' part is even easier, it stands for hydrogen.

Because hydrogen ions, or protons, are pivotal to the behavior of acids and bases, which is what pH describes.

So you can think of pH as basically the power of hydrogen in a solution.

The strength of the acid or base character of a substance.

And it all revolves around one very important point of focus, our old friend water.

[Theme Music]

If you've been watching Crash Course Chemistry from the beginning you've gotten the message

that water is special in more ways than I can list, and pH is just one more of those ways.

We normally think of water as a perfectly neutral substance, neither acidic nor basic, and that's true.

But, as I've mentioned before, water can also function as an acid --

releasing hydrogen ions, also known as protons, and as a base -- consuming them.

How on Earth is that possible?

In order to explain, we first have to understand what the pH of a substance really tells us.

While chemically we say that pH represents the power of hydrogen in a solution, it's mathematically defined as:

"the negative of the base 10 logarithm of the concentration of hydrogen ions in solution."

OK, so now that you're terrified, I'm here to help.

So, yeah, logarithms can seem a little bit scary at first, but the ones that we're using here are super easy.

And bonus, once you get familiar with them here, it'll be that much easier to understand them in math class.

So now that we got the scary mathematical definition, let's do the simplest mathematical definition.

At any given moment, there will be a certain number of hydrogen ions in solution -- a very small number --

the concentration will be a number like one times 10 to the negative fifty moles per liter.

That negative 5, is your base 10 logarithm.

Take the negative of that, and you get the pH. 5.

Now let's get a bit more in to the weeds.

The logarithm, or log, of a number is the exponent to which another number, called the base,

must be raised to produce the target number.

So for base 10 logs, the base is 10.

They're what we use most in chemistry, and they're really easy to understand,

and also what we base scientific notation on.

So as an example, the base 10 logarithm of one hundred is 2.

Because 10 raised to the power of 2, or 10 squared, equals one hundred.

Base 10 logs are so common that we often leave the subscript 10 off when we write it.

Like if your calculator has a 'log' button, that's just for base 10 logs.

So what in the name of Søren Sørensen does this have to do with face melting acids?

Well I'm getting to that, and it all starts with waters crazy potential to act as both an acid and a base.

Random changes in the tiny electrical fields around the atoms in water

occasionally cause the molecules to break apart.

Specifically a hydrogen ion, or proton, will break off from one molecule and attach itself to another one,

forming a hydronium ion, H3O+, and a hydroxide ion, OH-.

This is why water can act as both an acid and a base.

It's molecules can both release and accept protons.

In this case, it's only interacting with itself.

But water can interact in the same way with other acids and bases.

Some times you'll see the hydronium ion written as a simple hydrogen ion, H+,

allowing the reaction to be written with only one water molecule.

It's not technically accurate, but it's close enough to reality that it can be used to simplify things.

So when we say that the pH is the negative log of the hydrogen ion concentration...

yeah, we actually mean hydronium ion concentration.

Just another thing that early scientists got a little wrong and now we have to live with.

Anyway, this dissociation of water is a reversible reaction.

And in fact, the ions always reform in to water within a tiny fraction of a second.

But it's happening all the time constantly.

In your bottled water, in the water inside your cells, and in the ocean. Always.

However, at any given instant only a tiny number of molecules are dissociated ions.

In fact, the exact number of these molecules is well known to chemists.

It's the equilibrium constant for this reaction.

And because it's such a special reaction, it has it's own name -- the water dissociation constant, or Kw.

Kw is equal to one point zero times 10 to the negative fourteenth.

The formula for Kw is set up like any equilibrium constant,

concentrations of products over concentrations of reactants,

all raised to the exponents based on the coefficients of the balance reaction.

There is however one difference.

Because the ions represent such a tiny proportion of the total mass, the water itself is essentially pure.

And pure substances, because they don't have concentrations, aren't included in equilibrium calculations.

So the formula for Kw becomes simply the hydronium ion concentration times the hydroxide concentration.

According to the balanced equation for the dissociation of water,

hydronium and hydroxide are formed at a 1:1 ratio,

so their equilibrium concentrations must be equal.

That means if we call the concentration of H3O+, for example 'x',

then the concentration of OH- must equal 'x' as well.

So the formula for the dissociation constant 1.0 x 10^-14 simplifies even further to x times x, or x squared.

Suddenly, it's crazy easy.

The equilibrium concentration of each ion is just the square root of 1.0 x 10^-14.

Touch one key on the 'ol calculator, and hello both concentrations equal

1.0 x 10^-7 moles per liter in equilibrium.

The pH then, is simply the negative log of that, which is 7.

This my friends, is the basis of the pH scale.

Water is neutral, so 7 is the center of the scale.

And I can prove it too.

This is a strip of paper that's been infused with a chemical called litmus.

Litmus is a pH indicator, a chemical that turns different colors at different pHs.

There are many different indicators, with many different colors, but we'll talk more about those next week.

For now, just know that litmus paper turns pink in acids, blue in bases, and a sorta light purple when it's neutral.

But one thing you need to remember about the pH scale,

because pH is calculated from a negative logarithm, it turns everything backward.

When the hydrogen ion concentration goes up, the pH gets lower.

For instance, if a little acid, such as vinegar, were added to the water,

the concentration of hydronium ion might rise to say, 1.0 x 10^-4 moles per liter.

Which is a thousand times more than before.

That concentration would push the pH down to 4.

On the other hand, a base, such as ammonia,

would consume a lot of hydrogen ions if it were added to the water.

If the hydrogen ion concentration drops to 1.0 x 10^-11,

a thousandth of the equilibrium concentration, the pH would be eleven.

As you can see, the logs turn out to be a mathematical shorthand,

that saves us from dealing with very huge or very tiny numbers.

The pH scale then is normally written from 0 to 14.

With numbers below 7 representing acids, and numbers above 7 representing bases.

It could also below zero or above 14, but that only happens in super extreme cases,

that you are very unlikely to encounter.

At least I hope.

As with like hydrochloric or nitric acid, which ionize strongly, sometimes even completely.

Thus releasing a lot of protons, are called strong acids.

Because they raise the hydrogen concentration a lot, they also generally have very low pHs.

Weak acids, like citric acid, dissociation incompletely,

releasing much smaller amounts of hydrogen ions, and therefore they usually have higher pHs.

Generally considered in like the 4 to 6 range.

Strong bases meanwhile, like sodium hydroxide,

consume large amounts of hydrogen ions leaving the concentration very low, so they 10d to have very high pHs.

Weak bases, like sodium bicarbonate (baking soda), consume much less, and generally have pHs in the 8-11 range.

Neutral pH is technically just 7.0, but in a more practical sense, it's usually considered to be between 6 and 8.

So if pH is based on the concentration of hydrogen, that is hydronium ions,

what about the concentration of hydroxide ions?

Just as we can calculate the pH of a substance from it's hydrogen ion concentration, we can calculate the pOH.

The negative log of the hydroxide concentration.

This is easy because Kw never changes.

Although the concentrations of hydrogen and hydroxide are only equal in pure water, or perfectly neutral solutions,

the product of the 2 concentrations always equals 1.0 x 10^-14 in any aqueous solution.

So like orange juice, which is really just an aqueous solution of sugar and citric acid and a few other things,

say the hydrogen concentration in your OJ is 3.2 x 10^-4 moles per liter.

Just for the fun of it, let's go ahead and calculate what the pH is at that point, which turns out to be 3.5.

But we can also use the Kw and the hydronium ion concentration

to do a very simple division problem and find the hydroxide concentration.

It works out to 3.1 x 10^-11 moles per liter.

Once we have the concentration we can take another step,

we can find the pOH of the solution which is similar to the pH, simply the negative log of the OH concentration.

The pOH in this case is 10.5.

And now for a tip that's just more awesome and cooler than an ice cream corn dog,

the sum of the pH and the pOH is always 14.

In the example we just did, the pH was 5.4 and the pOH was 8.6, and yeah you add those together: 14! Surprise!

OK, maybe that's only cool to me.

But that's never stopped me before, I love this stuff!

And next week, I hope to really bend your mind by showing you how to make the pH of a solution hold steady,

even if you dump a strong acid or base in it.

In the meantime, thank you for watching this episode of Crash Course Chemistry.

If you paid attention, you learned

how pure water ionizes to form hydronium and hydroxide ions in reversible reactions.

And you learned about the equilibrium constant for that reaction,

which has a special name: the water dissociation constant.

You learned some examples of acids and bases and neutral substances,

as well as why some acids and bases are called strong and others are called weak.

You learned about logarithms and how you can use them to calculate the pH of a substance.

And a little bit about pOH, which can be calculated with logarithms, also with subtraction.

And finally, you learned about some cool mathematical connections between pH and pOH.

This episode was written by Edi González and edited by Blake de Pastino.

The chemistry consultant was Dr. Heiko Langner.

It was filmed, edited, and directed by Nicholas Jenkins. The script supervisor was Katherine Green.

Michael Aranda is our sound designer, and our graphics team is Thought Café.