Explique por que o pH de uma solução de um ácido forte 2,0 \mathrm{M} pode ser negativo.

Passo 1

O enunciado nos dá uma solução de um ácido forte 2,0 M e pede para explicar por que seu pH pode ser negativo. O conteúdo envolve a definição de pH como uma escala logarítmica e o fato de que, em soluções de ácidos fortes, ocorre dissociação completa, de modo que a concentração de prótons \mathrm{H}^+ é igual à concentração inicial do ácido.

Passo 2

Pela definição de pH temos
\mathrm{pH} = -\log\bigl(a_{\mathrm{H}^+}\bigr),
onde a_{\mathrm{H}^+} é a atividade dos íons \mathrm{H}^+. Em soluções diluídas costuma-se aproximar a_{\mathrm{H}^+}\approx[\mathrm{H}^+].

Passo 3

Como o ácido é forte, ele se dissocia completamente, logo
[\mathrm{H}^+] = 2,0\;\mathrm{M}.
Substituindo na expressão do pH:
\mathrm{pH} = -\log(2,0)\approx -0,30.
Repare que \log(2,0)>0, então o pH fica negativo.

Passo 4

Na prática, em concentrações tão altas o valor exato de pH usa atividade real a_{\mathrm{H}^+} = \gamma\,[\mathrm{H}^+] e o coeficiente de atividade \gamma é menor que 1. Mesmo assim, se [\mathrm{H}^+]>1 M pode ocorrer a_{\mathrm{H}^+}>1 e, portanto, \mathrm{pH}<0. Isso mostra que a escala de pH não é limitada a valores positivos nem ao intervalo usual de 0 a 14.

Resposta

O pH fica negativo porque a concentração de prótons é maior que 1 M, fazendo com que -\log[\mathrm{H}^+] seja menor que zero (no caso, \mathrm{pH}\approx -0,30).

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