La ionizzazione dell'acqua: calcolo del pH e del pOH

Sappiamo bene che è buona regola evitare di usare il phon con i piedi bagnati, perché l’acqua è in grado di condurre la corrente e darci la scossa. Ciò non accade per l’acqua distillata, poiché essa non contiene elettroliti, ovvero ioni disciolti, in grado di far passare la corrente. In realtà l’acqua pura è in grado debolmente di condurre l’elettricità, fatto che segnala la presenza di ioni.

Essa, infatti, subisce un processo chiamato autoionizzazione (o autoprotolisi) dell’acqua, che permette di liberare ioni idrogeno (H⁺) e ioni idrossido (OH^-)*.

H₂O ⇔ H⁺ + OH^-
 

La doppia freccia rappresenta l’equilibrio fra i reagenti e i prodotti. Questi ultimi si trovano in concentrazione di 10^-7 M ciascuno, alla temperatura di 25°C. L’equilibrio è nettamente spostato verso i reagenti, ovvero l’acqua, come dimostrato dal valore della costante di equilibrio (K_eq)** per questa reazione.

K_eq = 1,8 ∙ 10^-16 
 

Essendo i due ioni nella stessa concentrazione, l’acqua distillata, pur leggermente autoionizzata, si definisce neutra. L’aumento della concentrazione degli ioni H⁺ rende la soluzione acida, l’aumento degli OH^-, invece, rende la soluzione basica.
 

Esiste quindi una scala di valori in grado di indicare la concentrazione di ioni H⁺ nella soluzione, ovvero il pH. Esso è il logaritmo negativo in base 10 della concentrazione degli ioni H⁺. Analoga è la definizione di pOH.
 

pH = - log₁₀[H⁺]                                                pOH = - log₁₀[OH^-]
 

Poiché la concentrazione degli ioni H⁺ nell’acqua distillata è 10^-7 M
 

• una soluzione a pH = 7 è neutra.
• una soluzione a pH < 7 è acida.
• una soluzione a pH > 7 è basica.
   

Essendo la concentrazione dell’acqua non ionizzata a 25°C costante (55,4M), è possibile calcolare il prodotto ionico dell’acqua (K_w)
 

K_w = K_eq ∙ [H₂O] = [H⁺] ∙ [OH^-] = 1,8 ∙ 10^-16 ∙ 55,4 = 10^-14

 

Per proprietà dei logaritmi : - log₁₀K_w = -log₁₀[H⁺] + (- log₁₀[OH^-]) = 14  ⇒  pK_w = pH + pOH = 14

Questa scala di valori ha però dei confini, legati alla relazione fra pH e pOH. 
 

• pH = 0, quando la concentrazione di H⁺ in soluzione è 1M, e la concentrazione di OH^- è 10^-14M

• pH = 14, quando la concentrazione di H⁺ in soluzione è 10^-14M, e la concentrazione di OH^- è 1M

Un esercizio svolto riguardo questo argomento può essere trovato qui.

note

* Questa definizione è una semplificazione: in realtà la reazione libera ioni idrossonio H₃O⁺, al posto di ioni H⁺, che infatti reagiscono con un’ulteriore molecola d’acqua. Il pH quindi sarebbe riferito alla concentrazione degli H₃O⁺.

**La costante di equilibrio (K_eq) di una reazione chimica A + B → C + D si definisce come il prodotto della concentrazione dei prodotti diviso il prodotto della concentrazione dei reagenti:

Quando il suo valore è molto piccolo l’equilibrio della reazione è spostato verso i reagenti, al contrario se è molto grande c’è un accumulo di prodotti.