PARTE 3. TEMA 5. Produto iônico da água. Índice de hidrogênio e a escala de pH.

PARTE 3.
TEMA 5. Produto iônico da água. Potencial hidrogeniônico e escala de pH.
O potencial hidrogeniônico (pH) é uma grandeza que caracteriza a atividade ou concentração dos íons hidrogênio em soluções. O potencial hidrogeniônico é representado por pH.
O valor do pH é numericamente igual ao logaritmo decimal negativo da atividade ou concentração dos íons hidrogênio, expressa em mol por litro:
pH = -lg[H⁺]
Na água, a concentração de íons hidrogênio é determinada pela dissociação eletrolítica da água de acordo com a equação:
H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻
A constante de dissociação a 22°C é

Desprezando a pequena fração de moléculas dissociadas, pode-se considerar que a concentração da parte não dissociada da água é igual à concentração total de água, que é: C[H₂O] = 1000/18 = 55,55 mol/L.
Então: C[H⁺] · C[OH⁻] = K · C[H₂O] = 1,8·10⁻¹⁶ · 55,55 = 10⁻¹⁴
Para a água e suas soluções, o produto das concentrações dos íons H⁺ e OH⁻ é constante a uma dada temperatura. Esse valor é chamado de produto iônico da água (Kw) e, a 25°C, é igual a 10⁻¹⁴.
A constância do produto iônico da água permite calcular a concentração dos íons H⁺, se for conhecida a concentração dos íons OH⁻,
e vice-versa.
Os conceitos de meio ácido, neutro e básico adquirem um significado quantitativo.
No caso em que [H⁺] = [OH⁻], essas concentrações (cada uma) são iguais a mol/L, ou seja, [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol/L e o meio é neutro, nessas soluções:
pH = -lg[H⁺] = 7 e pOH = -lg[OH⁻] = 7
Se [H⁺] > 10⁻⁷ mol/L, [OH⁻] < 10⁻⁷ mol/L – o meio é ácido; pH < 7.
Se [H⁺] < 10⁻⁷ mol/L, [OH⁻] > 10⁻⁷ mol/L – o meio é básico; pH > 7.
Em qualquer solução aquosa: pH + pOH = 14, onde pOH = -lg[OH⁻]
O valor do pH é de grande importância para processos bioquímicos, para diversos processos industriais, no estudo das propriedades das águas naturais e suas possíveis aplicações, etc.

Cálculo do pH de soluções ácidas e básicas.

Para calcular o pH de soluções ácidas e básicas, é necessário primeiro determinar a concentração molar dos íons hidrogênio livres ([H⁺]) ou dos íons hidroxila livres ([OH⁻]), e depois utilizar as fórmulas:
pH = -lg[H⁺]; pOH = -lg[OH⁻]; pH + pOH = 14
A concentração de qualquer íon em mol/L numa solução eletrolítica pode ser calculada pela equação:

Cₘ(íon) = Cₘ(eletrolito) · α · n

onde:
Cₘ(íon) – concentração molar do íon em mol/L;
Cₘ – concentração molar do eletrólito em mol/L;
α – grau de dissociação do eletrólito;
n – número de íons desse tipo formados a partir da dissociação de uma molécula do eletrólito.
Se o eletrólito for fraco, o valor do grau de dissociação pode ser determinado com base na lei da diluição de Ostwald:

Então: Cₘ(íon) = Cₘ · α · n = √(Cₘ · K_diss)

Exemplo 1. Calcular o pH de uma solução 0,001M de hidróxido de sódio.
Solução: O hidróxido de sódio é um eletrólito forte, a dissociação em solução aquosa ocorre segundo a equação:
NaOH → Na⁺ + OH⁻
O grau de dissociação em solução diluída pode ser considerado igual a 1. A concentração de íons OH⁻ (mol/L) na solução é:

[OH⁻] = 0,001 mol/L
pOH = -lg[OH⁻] = -lg(0,001) = 3
pH = 14 - pOH = 11

Exemplo 2.