Il valore di pH per una soluzione rappresenta la concentrazione dello ione idronio H3O+ presente in essa. Poiché le soluzioni con cui si ha a che fare abitualmente sono diluite, la concentrazione dello ione idronio è estremamente piccola ed è espressa come potenza negativa di 10 ( u.d.m.: mol/ L). Per poter esprimere queste concentrazioni in maniera concisa e significativa si usano i logaritmi negativi.
Così il pH è definito come:
pH= – log [H3O+]
Per esempio in una soluzione satura di CO2, [H3O+]= 1.2 · 10-4 M e il pH è dato da:
pH= -log [H3O+]= – log [1.2 · 10-4] = 3.92
La scala parte da un valore minimo corrispondente a un pH = 0 (massima acidità), valore che corrisponde a [H3O+]= 100 = 1 mol/L fino ad arrivare al valore massimo di pH= 14 (massima basicità), che corrisponde a [H3O+] = 10-14. Tale valore deriva dalla reazione di autodissociazione dell’acqua, la quale può agire sia da base che da acido, così non è sorprendente che la reazione
H2O + H2O = H3O+ + OH–
acido 1 base 2 = acido 2 base 1
proceda a destra in acqua pura, e anche se ciò avviene molto limitatamente, la quantità di prodotti ottenuta è misurabile. Infatti a 25 °C il prodotto [H3O][OH-]= 10-14 ed è definito come costante del prodotto ionico dell’acqua (Kw). Una soluzione che non sia né acida né basica per definizione contiene una eguale concentrazione di H3O+ e OH– .
Pertanto se [H3O] = [OH-] e [H3O][OH-]= 10-14 , [H3O] = [OH-] = 10-7 M. In alternativa si può dire che per una soluzione neutra è pH = pOH = 7.00. Considerando la espressione del prodotto ionico dell’acqua si può anche scrivere pH + pOH =pKw= 14.
Valori inferiori a 0 e maggiori di 14 sono possibili, naturalmente, ma sono indicativi di soluzioni fortemente acide o basiche rispettivamente, corrispondenti a valori che rendono difficile la misura elettrochimica e comportano, comunque, deviazioni significative dall’idealità.
Si veda anche la risposta di Rita Giardini
Ovviamente questo discorso è valido in una soluzione acquosa. In altri solventi vi è una diversa costante di dissociazione, e quindi una diversa scala del pH. Questo è infatti noto come “effetto livellante del solvente”