pH
Il pH delle soluzioni è una proprietà chimica importante. L’ossigeno è molto più elettronegativo dell’idrogeno. Entrambi gli elettroni condivisi in un legame ossigeno-idrogeno tendono a passare più tempo con l’atomo di ossigeno che con l’idrogeno. Anche se la stragrande maggioranza delle molecole d’acqua rimane intatta nell’acqua liquida, in qualsiasi momento alcuni singoli atomi di idrogeno soccombono alla pressione dell’ossigeno elettronegativo e perdono la loro presa su entrambi gli elettroni condivisi. Quando questo accade, il legame covalente si rompe e uno ione idrogeno (carica positiva perché ha perso il suo elettrone per l’ossigeno, abbreviazione = H+) viene rilasciato. La parte rimanente della molecola d’acqua originale è chiamata ione idrossido (carica negativa perché ha mantenuto un elettrone extra, abbreviazione = OH-). Anche se presenti a livelli molto bassi in soluzione, gli ioni H+ e OH- possono avere enormi effetti sulle proprietà di una soluzione, specialmente quando non sono in equilibrio. In acqua pura, ogni ione idrossido che si forma crea uno ione idrogeno, quindi c’è un numero uguale di anioni e cationi. Se un soluto viene aggiunto all’acqua, tuttavia, questo equilibrio può cambiare.
L’acido cloridrico (HCl) è un composto molecolare che si dissocia (separa) facilmente perché il cloro è fortemente elettronegativo. Quando viene messo in acqua, i legami covalenti dell’HCl si rompono per formare ioni H+ e Cl-, che aumentano la concentrazione di ioni H+ nella soluzione. Questo crea una soluzione acida perché ci sono più ioni H+ che ioni OH- presenti. I composti che aggiungono ioni H+ alle soluzioni sono chiamati acidi. Al contrario, ci sono anche sostanze come l’ammoniaca (NH3) che sono basi perché fanno diminuire la concentrazione di ioni H+, dando come risultato una soluzione basica.
Perché la scissione delle molecole d’acqua è estremamente rara, il numero di ioni idrogeno e idrossido in una soluzione è così piccolo che usiamo una speciale formula basata sui logaritmi per misurare il numero di ioni idrogeno presenti, dandoci numeri più gestibili nella scala del pH. La scala del pH va da 0 a 14 e rappresenta la concentrazione di ioni idrogeno (H+) in una soluzione. Il pH dell’acqua pura è 7, che rappresenta 1 x 10-7 ioni idrogeno per ogni molecola d’acqua intatta. Questo è 
solo uno ione H+ per ogni 10 milioni di molecole di H2O!
Nella scala del pH, come la concentrazione di ioni H+ aumenta, i valori del pH diminuiscono. Ciò significa che un basso valore di pH rappresenta un’alta concentrazione di ioni H+ (soluzione acida) e un alto valore di pH rappresenta una bassa concentrazione di H+ (soluzione basica). Infine, per ogni cambiamento di numero intero nella scala del pH, la concentrazione effettiva di ioni H+ cambia di dieci volte. Per esempio, un cambiamento di pH da 7 a 8 rappresenta un calo della concentrazione di ioni idrogeno da 1 su 10 milioni a 1 su 100 milioni.
Tester di pH
In questa attività, determinerai il pH di alcuni comuni oggetti domestici e alimentari.
Buffer
Perché ci interessa il pH di una soluzione? La maggior parte delle cellule del corpo funzionano solo all’interno di un intervallo molto stretto vicino al pH neutro. Gli enzimi che ci aiutano a crescere e a riprodurci, a scomporre il cibo che mangiamo e ad assistere in altre funzioni vitali, lavorano in un intervallo di pH specifico e ristretto. Per aiutare a mantenere questo pH, i tamponi sono presenti in quasi tutte le soluzioni viventi.
Un tampone è qualsiasi sostanza che riduce al minimo il cambiamento del pH di una soluzione. La maggior parte dei tamponi consiste in una combinazione di un acido debole e di una base debole, dove la base è l’anione che rimane dopo che l’acido debole si dissocia (si separa) per rilasciare ioni H+. Questo può sembrare confuso, ma è in realtà una reazione avanti e indietro abbastanza semplice dove il tampone agisce come “amico” degli ioni H+ quando necessario, ma anche degli ioni OH- quando necessario, mantenendo un equilibrio costante nel valore del pH.
Immaginate una famiglia con tre bambini. Se il figlio maggiore e il figlio minore tendono a litigare spesso, il figlio di mezzo spesso funge da “cuscinetto” tra i due bambini che litigano. Quando diciamo “cuscinetto” in questa situazione, intendiamo che il bambino di mezzo farà giochi da bambino più grande nei momenti in cui il bambino più grande ha bisogno di attenzione e farà giochi più semplici, da bambino più giovane, nei momenti in cui il bambino più piccolo ha bisogno di attenzione. Spostandosi per soddisfare i bisogni di ogni bambino, il bambino di mezzo tampona la situazione, con il risultato di avere bambini meno arrabbiati. Questo può non essere ottimale per il bambino tampone di mezzo, ma rende i genitori più felici!
Nelle soluzioni, un tampone chimico agisce in modo simile. Per esempio, l’acido carbonico (H2CO3) è un acido debole. Quando viene messo in soluzione, una piccola quantità di acido carbonico si dissocia in ioni H+ e l’anione bicarbonato rimanente (HCO3-). Questo aumenta la concentrazione di ioni H+ e abbassa i valori del pH (verso l’acido). Lo ione bicarbonato è considerato una base debole perché se ci sono molti ioni H+ in soluzione, si riassocerà (si legherà chimicamente) con gli ioni H+ in eccesso per formare nuovamente l’acido debole, che riduce la concentrazione di ioni H+, portando i valori del pH verso l’alto (di nuovo verso il basico).
I tamponi mantengono il pH di una soluzione regolando la direzione delle loro reazioni chimiche (dissociandosi o riassociandosi) in risposta ad aumenti o diminuzioni della concentrazione di ioni H+ che possono essere causati da altre sostanze che entrano o escono dalla soluzione. Se si aggiunge un acido forte come l’acido cloridrico (HCl) a una soluzione tampone, ci sarà improvvisamente un eccesso di ioni H+ dalla dissociazione dell’HCl. I tamponi nella soluzione risponderanno legando questi ioni H+ in eccesso per riformare l’acido debole, utilizzando gli ioni H+ in eccesso in modo che il pH possa rimanere intorno allo stesso valore nonostante l’aggiunta di un acido. La presenza di acido carbonico/ione bicarbonato nel flusso sanguigno è uno dei modi principali in cui il corpo regola il pH del sangue per evitare l’acidosi o l’alcalosi, entrambe condizioni pericolose per la vita derivanti da cambiamenti nel livello di pH del sangue.