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Escala de pH com concentrações
O valor de pH do pHmetro descreve a concentração de íons de hidrogênio dissolvidos e é de grande importância para muitas reações químicas e bioquímicas. A escala de pH é derivada do expoente negativo da concentração de íons oxônio e é, portanto, logarítmica. No ponto neutro de pH 7, as concentrações de íons oxônio e hidróxido são exatamente idênticas em quantidade. Este valor de pH é exibido em um pHmetro, por exemplo, em água pura ou soluções neutralizadas. Em valores de pHmetro abaixo de 7, a concentração de íons oxônio é maior e a solução reage de forma ácida. Por outro lado, valores acima de 7 significam uma proporção maior de íons hidróxidos, de modo que tais soluções reagem alcalinamente.
| 100 = 1 10-1 = 0,1 10-2 = 0,01 10-3 = 0,001 10-4 =0,0001 10-5 = 0,00001 10-6 = 0,000001 10-7 =0,0000001 |  |
O diagrama mostra a escala de pH habitual de 0 a 14 e a concentração de íons relacionados de H30+ e OH- na água. A escala de pH é derivada do exponente negativo da concentração H3=+ e tem uma estrutura logarítmica. No "ponto neutro" pH/, a concentração de íons de H30+ e OH- são iguais em quantidade. Isso seria no caso de água ultrapura. Se a concentração de H30+ aumenta, isso é conhecido como valores de pH ácidos, dentro de uma faixa de pH de 0 a 7. Se, por outra parte, a concentração de íons de OH- for maior, tem uma faixa de pH alcalino de pH 7 a 14.
Por que podem ocorrer valores negativos de pH?
O valor do pH indica a quantidade de íons de hidrogênio dissolvidos ou sua atividade contida em uma solução aquosa. Se a quantidade de íons de hidrogênio (H+ ou como H3O+) for igual à quantidade de íons de hidróxido (OH-), a solução é chamada de pH neutro. Isto corresponde a uma leitura de 7 em um pHmetro, presente em água pura a uma temperatura de 25 ºC. No entanto, assim que outras substâncias são dissolvidas na água, como na água da torneira ou na água da chuva que absorveu substâncias do ar, o valor do pH pode mudar. Portanto, isso ocorre apenas se as substâncias dissolvidas influenciarem o equilíbrio em favor dos íons de hidrogênio ou em favor dos íons hidróxidos. Se houver um excesso de íons de hidrogênio, o valor do pH é reduzido em um pHmetro e a solução é chamada de ácida. Se a quantidade de íons hidróxido predominar, o valor de pH aumenta e a solução torna-se básica ou alcalina. Quanto maior a diferença entre a quantidade de íons hidrogênio e íons de hidróxidos, mais distante estará o valor de pH 7.
Por exemplo, os ácidos introduzem muitos íons de hidrogênio adicionais e, assim, deslocam o valor do pH para baixo. Para a maioria das aplicações, um medidor de pH, que normalmente usa uma faixa de 0 a 14 pH é suficiente. No entanto, ácidos fortes podem perturbar o equilíbrio de tal forma que são produzidos valores negativos de pH. No entanto, os possíveis valores numéricos estão limitados pela solubilidade dos ácidos na água. Por exemplo, na água de mina extremamente ácida de uma mina da Califórnia, os medidores de pH detectaram valores de pH tão baixos quanto -3,6. Quase todos os pHmetros só podem medir valores dentro de uma faixa de 0 a 14, o que é completamente suficiente para muitas aplicações. Porém, os pHmetros digitais com uma faixa de medição estendida estão disponíveis há algum tempo. Com um pHmetro deste tipo, é possível medir de maneira rápida e fácil valores de pH negativos de -1 ou até -2.
O valor de pH da solução de ácido clorídrico em diferentes concentrações:
Um medidor de pH pode indicar valores de pH acima de 14?
Assim como soluções altamente ácidas têm valores de pH abaixo de 0, há também substâncias básicas cujas soluções aquosas altamente concentradas têm valores de pH acima de 14. Isto inclui, por exemplo, a solução de hidróxido de sódio. Como a faixa de medição dos medidores de pH comuns termina em 14, eles não podem determinar valores mais altos. Para a medição de soluções fortemente alcalinas, é necessário um pHmetro com uma faixa de medição estendida. Já existem modelos de pHmetro que podem medir valores de pH até 15, 16 ou mesmo até 20.
O valor de pH do hidróxido de sódio em diferentes concentrações:
Erros de medição de um pHmetro ao medir ácidos e álcalis fortes
Com ácidos fortes, especialmente com valores de pH abaixo de 2, e com álcalis fortes com valores de pH acima de 12, podem ocorrer erros de medição consideráveis quando se usa um pHmetro normal. No caso de um erro ácido, é indicado valores de pH muito altos e, no caso de um erro alcalino, são indicados valores de pH muitos baixos. O motivo geralmente é porque a camada de membrana do eletrodo é alterada pela solução. Ao analisar soluções com tais valores, escolha um pHmetro cujo eletrodo de pH seja adequado para estas faixas de medição. Observe também que as soluções utilizadas para calibrar um pHmetro devem incluir a faixa de medição desejada. Portanto, ao medir valores de pH abaixo de 2, não é recomendável calibrar o pHmetro com as soluções de calibração usuais de pH 4,0, pH 7,0. Em vez disso, deve-se utilizar soluções especiais de calibração para pHmetros de alta qualidade, por exemplo, de pH 1,0 e pH 2,0.
Os eletrodos de pH de membrana de vidro convencionais são geralmente construídos como um sistema de medição de uma haste com um eletrodo de referência integrado. Em um pHmetro, o eletrodo de medição e o eletrodo de referência são integrados em uma haste de vidro que está imersa na substância a ser medida. Muitas vezes, um sensor de temperatura também é integrado para compensação automática de temperatura. Um pHmetro com um eletrodo de vidro tem uma ampla faixa de medição, mas é suscetível a interferências. Principalmente, a membrana de vidro e o diafragma do eletrodo de referência devem ser manuseados com cuidado e mantidos permeáveis. Portanto, estes eletrodos de pH são frequentemente limpos e armazenados em soluções especiais. Um pHmetro com estes eletrodos deve ser calibrado e ajustado regularmente e com frequência. Quando uma precisão suficiente não for alcançada, será necessário substituir o eletrodo. Quando é indicado que um pHmetro é livre de manutenção, isso geralmente se refere apenas ao fato de que não é necessário preencher ou substituir o líquido eletrolítico usado no eletrodo de referência.
Para o controle contínuo do valor de pH em processos, recomendamos o uso de pHmetros com eletrodos especiais que alcançam resultados de medição precisos e não requerem manutenção ou calibração ou apenas esporadicamente. Especialmente em processos longos onde é necessário reagir a pequenos desvios no valor do pH, assim como em processos onde diferentes valores de pH devem ser alcançados e mantidos ao longo do tempo, é vantajoso usar um eletrodo de pH que não tenha que ser desmontado para limpeza ou calibração durante o processo. Muitos dos eletrodos de pH de baixa manutenção podem ser limpos em procedimentos automatizados que são adaptados à respectiva sequência de processo; alguns também são calibram e ajustados automaticamente.
Para medições contínuas em ambientes industriais onde as medições são feitas diretamente no líquido do processo, geralmente são usados pHmetros com sondas que não só requerem menos manutenção, mas também são mecanicamente e quimicamente mais resistentes do que eletrodos de vidro habituais. Estes incluem, por exemplo, eletrodos de pH nos quais o esmalte funciona como uma camada sensível ao pH, em vez da membrana de vidro, e sondas de pH que medem utilizando a tecnologia ISFET. ISFET significa transistor de efeito de campo sensível a íons (Ion Sensitive Field Effect Transistor). Com sensores ISFET, o valor de pH é determinado pelos efeitos de campo que ocorrem quando os íons se acumulam.