Ácidos, bases y el pH explicados de forma sencilla
El zumo de limón sabe ácido, el agua jabonosa resbala entre los dedos y el desatascador disuelve la grasa pegada en la tubería. Detrás de observaciones tan distintas hay una misma pregunta: ¿cuántos iones de hidrógeno hay nadando en el líquido? La respuesta cabe en un solo número, el valor de pH. Te dice si una sustancia es ácida, neutra o básica. Y tiene una propiedad que sorprende a mucha gente: no cuenta a pasos normales, sino de diez en diez.
En la vida diaria la escala va de 0 a 14: por debajo de 7 es ácido, exactamente 7 es neutro y por encima de 7 es básico (alcalino). Son valores orientativos: el café, la cola y la sangre varían un poco según la marca y la persona.
¿Qué hace que una sustancia sea ácida? El químico danés Johannes Brønsted dio en 1923 una explicación sorprendentemente sencilla. Un ácido es una partícula capaz de ceder un ion de hidrógeno. Ese ion de hidrógeno (H+) no es más que un protón: un átomo de hidrógeno al que le falta su único electrón. Una base es lo contrario, una partícula capaz de aceptar ese protón. Así que ácido y básico no son propiedades que una sustancia tenga por sí sola, sino papeles dentro de una reacción: uno cede, el otro acepta. Sin pareja no ocurre nada.
Un protón suelto no aguanta ni un segundo solo en el agua. Se engancha enseguida a una molécula de agua y forma un ion oxonio (H3O+). Por eso, cuando los químicos hablan de una disolución ácida, lo que quieren decir en rigor es una disolución con muchos iones oxonio. Su contrapartida es el ion hidróxido (OH-), típico de las disoluciones básicas. Si disuelves cloruro de hidrógeno en agua obtienes ácido clorhídrico y con él un exceso de iones oxonio. Si disuelves hidróxido de sodio obtienes sosa cáustica con un exceso de iones hidróxido.
Lo llamativo es que incluso el agua pura contiene los dos tipos. De vez en cuando una molécula de agua le cede un protón a otra molécula de agua. Ese proceso se llama autoprotólisis: dos H2O se convierten en un H3O+ y un OH-. Ocurre muy raras veces, eso sí. A 25 grados Celsius solo hay 0,0000001 moles por litro de cada tipo de ion, es decir 10-7 mol/l. Como ambos son exactamente igual de frecuentes, el agua pura es neutra, y de ese único número sale el famoso valor 7.
El pH no es más que una forma cómoda de escribir esa concentración. Es el logaritmo decimal negativo de la concentración de oxonio: pH = -log c(H3O+). En vez de 0,0000001 mol/l escribes simplemente 7; en vez de 0,01 mol/l escribes 2. El logaritmo es además el motivo de la propiedad más importante de la escala: un paso en la escala de pH significa un factor de diez. Una disolución de pH 4 contiene diez veces más iones oxonio que una de pH 5 y cien veces más que una de pH 6.
De pH 1 a pH 7 hay seis pasos. Cada paso divide entre diez el número de iones oxonio; en conjunto, un factor de un millón.
Por eso frases como "la cola es el doble de ácida que el café" son sencillamente falsas. El café está en torno a pH 5 y la cola en torno a pH 2,5: son dos pasos y medio y, por tanto, unas 300 veces más iones oxonio. Y el jugo gástrico, con pH 1 o 2, no es cinco o seis veces más ácido que el agua pura, sino unas cien mil a un millón de veces más. Quien entiende este punto entiende también por qué cambios mínimos de pH en el cuerpo son peligrosos: la sangre humana está muy exactamente en pH 7,4 y una desviación duradera de unas pocas décimas pone en riesgo la vida.
¿Y cómo se mide el pH? Lo más sencillo es un indicador, un colorante que cambia de color según el pH. El tornasol, por ejemplo, se vuelve rojo en medio ácido y azul en medio básico. Un indicador universal es una mezcla de varios de esos colorantes: en tira o en disolución muestra colores distintos a lo largo de toda la escala, que se comparan con una tabla de colores; de ahí viene justamente el degradado del gráfico de arriba. Si necesitas más precisión, usas un pHmetro con electrodo de vidrio: mide una tensión eléctrica minúscula y calcula con ella el pH con dos decimales.
Cuando un ácido se encuentra con una base, los dos se anulan mutuamente. Los iones oxonio y los iones hidróxido reaccionan entre sí y de ahí sale agua completamente corriente. Lo que sobra son los otros iones, y juntos forman una sal. El ejemplo típico es la reacción del ácido clorhídrico (HCl) con la sosa cáustica (NaOH): se obtienen sal común (NaCl) y agua. Dos líquidos corrosivos, mezclados en la proporción correcta, se convierten en agua salada. Esa reacción se llama neutralización. Se usa en el laboratorio para volver inofensivos los restos de ácido, en la agricultura para encalar suelos ácidos y en el estómago cada vez que una pastilla contra el ardor recoge el exceso de jugo gástrico.
La demostración de lo mucho que hacen unos pocos puntos de pH la lleva cada persona en la boca. El esmalte dental está formado casi por completo por hidroxiapatita, un mineral de fosfato de calcio muy duro. Es la sustancia más dura del cuerpo humano, pero tiene una debilidad: se disuelve en ácido. Si el pH de la boca baja de 5,5 aproximadamente, el llamado pH crítico, se arrancan iones de calcio y de fosfato del esmalte. La cola, con pH 2,5, está muy por debajo; el zumo de limón, con pH 2, todavía más. A eso se suman las bacterias de la caries en la placa: aprovechan el azúcar y liberan ácidos por su cuenta. La saliva suele compensarlo en media hora y devuelve minerales al esmalte. Justo por eso los dentistas recomiendan esperar un rato después de una comida ácida antes de cepillarse: si no, uno se limita a frotar y llevarse el esmalte reblandecido.
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¿Por qué la escala de pH termina justo en 0 y en 14?
En rigor no termina ahí. La escala es un cálculo, no una regla con tope. Los ácidos muy concentrados pueden tener valores de pH negativos y las bases muy concentradas, valores por encima de 14. Lo que pasa es que esas disoluciones casi nunca aparecen en la vida diaria ni en un laboratorio escolar, así que se acordó el intervalo de 0 a 14 como escala manejable.
Si el jugo gástrico está en pH 1, ¿por qué no disuelve el propio estómago?
Porque el estómago se protege. Su pared interna está cubierta por una capa espesa de moco, y las células liberan hidrogenocarbonato en ese moco: una base que neutraliza al instante el ácido que llega. Justo en la pared celular el pH ronda 7, aunque un milímetro más adentro esté en 1 o 2. Además, la mucosa gástrica se renueva continuamente. Cuando esa protección falla aparece lo que se llama una úlcera de estómago.
¿El agua del grifo tiene exactamente pH 7?
No, exactamente 7 solo lo tiene el agua químicamente pura. El agua del grifo lleva minerales disueltos, sobre todo hidrogenocarbonato procedente de la roca caliza, y por eso suele estar entre 7 y 8,5, es decir, ligeramente básica. Al revés, el agua destilada que se deja al aire se vuelve con el tiempo ligeramente ácida: absorbe dióxido de carbono del aire, se forma ácido carbónico y el pH baja hasta 5,5 más o menos. Un pH de 7 limpio es más un ideal que un estado cotidiano.
El indicador casero más conocido está en la sección de verduras. La lombarda contiene colorantes del grupo de las antocianinas, y esos colorantes cambian de color según el pH. Corta unas hojas, hiérvelas en agua, deja enfriar el caldo y cuélalo. Reparte el zumo violeta en varios vasos y añade algo distinto a cada uno: con zumo de limón o vinagre se vuelve rojo intenso, con agua sola se queda violeta, con disolución de levadura química pasa a azul o verde y con agua jabonosa se va al verde amarillento. En ese mismo orden puedes reconstruir la escala de pH desde la cocina, y de paso se explica por qué en unas regiones a esta verdura se la llama roja y en otras azul: cocida con vinagre o manzana se queda roja; cocida en agua calcárea y ligeramente básica, se vuelve azul.
Por qué el agua se dilata al congelarse lo cuenta la anomalía del agua. Cómo se relacionan sólido, líquido y gas lo explican los tres estados de la materia. Y cómo las células obtienen energía del azúcar liberando dióxido de carbono lo muestra la respiración celular.
La frase para el examen: los ácidos ceden protones, las bases los aceptan y el pH cuenta esos protones en potencias de diez. Un paso en la escala nunca es una diferencia pequeña: siempre es un factor 10.
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