¿Es físicamente posible un nivel de pH negativo?

Question

Un amigo mío estaba revisando la definición de pH, y se preguntaba si es posible tener un nivel de pH negativo. A partir de la ecuación que aparece a continuación, parece ciertamente posible: basta con tener un $1.1$ (o algo $\gt 1$ ) solución molar de $\ce{H+}$ iones: $$\text{pH} = -\log([\ce{H+}])$$ (Donde $[\ce{X}]$ denota la concentración de $\ce{X}$ en $\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ .)

Si $[\ce{H+}] = 1.1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$ entonces $\mathrm{pH} = -\log(1.1) \approx -0.095$

Por lo tanto, es teóricamente posible crear una sustancia con un pH negativo. Pero, ¿es físicamente posible (por ejemplo, podemos crear un ácido de 1,1 molar en el laboratorio que realmente siga comportándose de forma coherente con esa ecuación)?

Answer 1

Una publicación para ti: "El pH negativo existe", K. F. Lim, J. Chem. Educ. 2006 , 83 , 1465 . Citando el resumen en su totalidad:

La idea errónea de que el pH está entre 0 y 14 se ha perpetuado en libros de divulgación científica, libros de texto, guías de repaso y libros de referencia.

El texto del artículo ofrece algunos contraejemplos:

Por ejemplo, la solución concentrada de HCl disponible en el mercado (37% en masa) tiene $\mathrm{pH} \approx -1.1$ mientras que la solución saturada de NaOH tiene $\mathrm{pH} \approx 15.0$ .

Answer 2

Ciertamente es posible en teoría. Resuelve para $\ce{pH < 0}$ :

$\ce{-log[H+] < 0\\ log[H+] > 0\\ [H+] > 1}$

Así que, como has dicho, una solución en la que la concentración de iones de hidrógeno es superior a uno debería tener teóricamente un valor negativo $\ce{pH}$ . Dicho esto, en esos extremos de concentración, la utilidad y la precisión del $\ce{pH}$ La escala se rompe por varias razones.

Incluso los ácidos clasificados convencionalmente como "fuertes" no se disocian al 100%. En realidad, su disociación es también un proceso de equilibrio, aunque esto sólo se pone de manifiesto en concentraciones muy elevadas. A medida que la solución se concentra más, cualquier ácido adicional no puede ser disuelto tan completamente, y el equilibrio químico comienza a favorecer la disociación cada vez menos. Por lo tanto, a medida que la solución se satura, el grado de disociación comienza a estabilizarse y la concentración de iones de hidrógeno se aproxima a un límite superior práctico. Además, $\ce{pH}$ medido a través de la concentración molar como indicador de la actividad termodinámica es intrínsecamente inexacto en los extremos de la concentración. Otros fenómenos, como la formación de especies químicas distintas por autoionización en función de la concentración, complican aún más las cosas (por ejemplo, la generación de $\ce{H3SO4+}$ en ácido sulfúrico concentrado, $\ce{H2F+}$ en ácido fluorhídrico concentrado, etc.).

Para soluciones altamente concentradas de ácidos fuertes, las alternativas/extensiones a $\ce{pH}$ existen que son funcionales más allá de los límites de $\ce{pH}$ (véase, por ejemplo, el Función de acidez de Hammett ).

En cuanto a si las soluciones de los negativos $\ce{pH}$ se han preparado u observado experimentalmente, la respuesta es sí. Aquí hay un enlace a un artículo que describe la medición de $\ce{pH}$ en las aguas ácidas de las minas, que cita una cifra de $-3.6$ .

Answer 3

Cualquier solución ácida fuerte con una concentración superior a 1 mol/L tiene el pH negativo. Piensa en cualquier solución ácida fuerte concentrada de uso común como el 3M $\ce{HCl}$ , 6M $\ce{HNO3}$ . En realidad, el pH negativo es muy común.

Answer 4

Es muy posible.

Digamos que pones 3 moles de $\ce{HCl}$ en 1 mol de agua. $\ce{HCl}$ siendo un ácido fuerte se disocia completamente en $\ce{H+}$ y $\ce{Cl-}$ iones como:

$$\ce{HCl -> H+ + Cl-}$$

así que después de la disociación completa, $[\ce{H+}]=3~\mathrm{mol/L}$ (ignorando la ínfima contribución del agua en sí)

Por definición, $$\mathrm{pH} = -\log[\ce{H+}]$$

por lo tanto, $\mathrm{pH}= -\log 3= -0.48$

Así que es muy posible tener soluciones de ácidos fuertes cuyo $\ce{[H+]}$ es igual o superior a 1 molar y, por tanto, su pH es negativo.

Answer 5

Es posible tener $\mathrm{pH}<0$ y no necesitas crear ninguna sustancia. Toma una solución concentrada de uno de los ácidos inorgánicos fuertes (es decir, uno con constante de disociación superior a 1000 como el ácido sulfúrico) y aquí tienes.