Equilibrios Acido Base I

Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

6. Equilibrios ácido-base I

Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 2

Contenidos

Equilibrios ácido-base I

• Ácidos y bases

• Producto iónico del agua.

• Disoluciones neutras, ácidas y básicas.

• Concepto de pH.

• Ácidos y bases fuertes y débiles: Ka y Kb.

• Grado de ionización.

• Ácidos polipróticos.


Bibliografía recomendada

• Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003). – Secciones 17.1, 17.2, 17.3, 17.4, 17.5, 17.6, 17.9


Ácidos y bases


Ácidos y bases

• Teoría de Arrhenius: (punto de partida, superada)

– Ácido: sustancia que produce protones (H+) en agua

– Base o álcali: sustancia que produce iones hidroxilo (OH-) en agua

– ¿Por qué es alcalino el amoniaco, NH3?

• “Porque en disolución acuosa forma NH4OH, que cede OH-.”

• ¡Pero nunca se ha detectado la especie química NH4OH en agua!

• Necesitamos otra teoría

2( ) ( ) ( )H O

g ac acHCl H Cl

2( ) ( ) ( )H O

s ac acNaOH Na OH

[Lectura: Petrucci 17.1]


Ácidos y bases

• Teoría de Brønsted y Lowry: (aceptada hoy para ácidos y bases en disolución acuosa)

– Ácido: dador de protones

– Base o álcali: aceptor de protones

– Reacción ácido-base: reacción de intercambio de protones


2 2NaOH H O Na H O OH ácido base

3 2 4NH H O NH OH ácido base

3 2 4NH H O NH OH

3 2 4NH H O NH OH ácido base

ácido base ácido base

2 3HCl H O Cl H O ácido base

conjugados conjugados


Ácidos y bases

• Teoría de Lewis: (aceptada hoy para ácidos y bases en general)

– Ácido: aceptor de pares de electrones

– Base o álcali: dador de pares de electrones

– Reacción ácido-base: reacción de intercambio de pares de electrones


ácido de Lewis

base de Lewis

aducto


Ácidos y bases en disolución


Equilibrio de autoionización. Producto iónico del agua

2 2 3H O H O H O OH 14

,298 1,0 10wK

Agua pura:

3[ ][ ] wH O OH K (Aunque no escribimos el subíndice eq, nos referiremos a concentraciones de equilibrio de aquí en adelante)

14 7

3[ ] [ ] 1,0 10 1,0 10H O OH M a 25ºC:

3[ ] [ ]H O OH wK

ácido base ácido base débil débil fuerte fuerte

H H

Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base

14 7

3[ ] [ ] 9,6 10 3,1 10H O OH M a 60ºC:

3[ ] [ ]H O OH 3[ ] [ ]H O OH 3[ ] [ ]H O OH


Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina


pH, pOH y pK

Def.:

4

3[ ] 3,7 10H O M

3log[ ]pH H O

Las concentraciones molares de H3O+ y de OH- en disolución suelen ser mucho

menores que 1 M; p.ej:

11[ ] 2,7 10OH M 3,43

3[ ] 10H O M 10,57[ ] 10OH M

log[ ]pOH OH

3,43pH 10,57pH

14,0010wK

logw wpK K

14,00wpK

141,0 10wK

25ºC

3[ ][ ] wH O OH K

3log[ ] log[ ] log wH O OH K

wpH pOH pK

25º ;C 14,00pH pOH [Lectura: Petrucci 17.3]

3[ ] 10 pHH O M [ ] 10 pOHOH M 10 wpK

wK


pH, pOH y pK

3[ ] /H O M[ ] /OH MpH pOH

11,00111,0 10

9,0091,0 10

7,0071,0 10

5,0051,0 10

3,0031,0 10

121,0 10 12,00

101,0 10 10,00

81,0 10 8,00

61,0 10 6,00

41,0 10 4,00

2,0021,0 10

3,00

5,00

7,00

9,00

11,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

31,0 10

51,0 10

71,0 10

91,0 10

111,0 10

21,0 10

41,0 10

61,0 10

81,0 10

101,0 10

121,0 10

Acid

ez

Basic

idad



pH y pOH

Una muestra de agua de lluvia tiene pH=4,35. ¿Cuánto vale [H3O+]?

34,35 log[ ]H O 3log[ ] 4,35H O 4,35 5

3[ ] 10 4,5 10H O M

Una muestra de un amoniaco de uso doméstico tiene pH=11,28. ¿Cuánto vale [OH-]?

14,00 14,00 11,28 2,72pOH pH

2,72 log[ ]OH 2,72 3[ ] 10 1,9 10OH M


Ácidos y bases fuertes

Tienen el equilibrio de ionización muy desplazado a la derecha

2 3HCl H O Cl H O NaOH Na OH

- puede considerarse totalmente desplazado, salvo en disoluciones muy concentradas

- el aporte de la autoionización del agua a la concentración de H3O+ en las

disoluciones de ácidos fuertes y de OH- en las de bases fuertes es despreciable

2 32H O H O OH

Ácidos fuertes más frecuentes Bases fuertes más frecuentes

HCl HBr HI

4HClO

3HNO

2 4H SO (sólo la 1ª ionización)

LiOH NaOH KOH

RbOH CsOH

2

Mg OH 2

Ca OH

2

Sr OH 2

Ba OH




Ejemplo: Disolución HCl(ac) 0,015 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH?

2 3HCl H O Cl H O

0c 0c0( )c

2 32H O H O OH w w

[ ]Cl

3[ ]H O

[ ]OH

0c

0c w

w

0c

0,015M

0,015M

3[ ] [ ]wOH K H O 141,0 10 0,015 136,7 10 M

136,7 10 M

1

3[ ][ ] wH O OH K

2

3

3

~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido

• los OH- proceden de la ionización del agua

• los Cl- proceden de la ionización del ácido

• [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw

log0,015 1,82pH

4




Ejemplo: Disolución HCl(ac) 1,0x10-8 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH?

2 3HCl H O Cl H O

0c 0c0( )c

2 32H O H O OH w w

[ ]Cl

3[ ]H O

[ ]OH

0c

0c w

w

0c

81,0x10 M

0( ) wc w w K 2

0 0ww c w K 89,5 10w M

89,5 10 M

1

3[ ][ ] wH O OH K

2

3

3

el H3O+ procedente de la ionización del ácido no es

mucho mayor que el procedente de la ionización del agua


• los Cl- proceden de la ionización del ácido


7log1,05x10 6,98pH

4


8 8

3[ ] (1,0x10 9,5x10 )H O M 7

3[ ] 1,05x10H O M



Ejemplo: Disolución de Ca(OH)2(ac) 0,022M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH?

2

2 ( )( ) 2acCa OH Ca OH

0c 02c0( )c

2 32H O H O OH w w

2[ ]Ca

3[ ]H O

[ ]OH

0c

w

02c w

0,022M

132,3 10 M

3[ ] [ ]wH O K OH 141,0 10 0,044 132,3 10 M

0,044M

1

3[ ][ ] wH O OH K

3

3

2 ~ todo el OH-procede de la ionización del la base disuelta

• los H3O+ proceden de la ionización del agua

• los Ca2+ proceden de la ionización de la base disuelta


02c

4 13log2,3 10 12,64pH



Ácidos y bases débiles


Ácidos y bases débiles

Es necesario considerar su equilibrio de ionización

2 3HA H O A H O Constante de ionización o de acidez del ácido HA


3[ ][ ]

[ ]a

A H OK

HA

2B H O HB OH Constante de ionización o de basicidad de la base B

[ ][ ]

[ ]b

HB OHK

B

2 3HCN H O CN H O 106,2 10aK 9,21apK

- ácidos más fuertes cuanto mayor Ka (cuanto menor pKa)

3 2 4NH H O NH OH 51,8 10bK 4,74bpK

- bases más fuertes cuanto mayor Kb (cuanto menor pKb)


Ácidos débiles

Fu

erza d

el á

cid

o


Bases débiles

Fu

erza d

e la b

ase


Ácidos débiles

Disolución HA(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución?

2 3HA H O A H O x xx

2 32H O H O OH w w

[ ]A

3[ ]H O

[ ]OH

x

x w

w

x

3[ ][ ] wH O OH K

~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido

(Kw<<Ka)


• los A- proceden de la ionización del ácido


3[ ][ ]

[ ]a

A H OK

HA

[ ]HA 0c x • el HA se ioniza parcialmente; ¿es Ka suficientemente pequeña para que c0-x=c0?

2

0

a

xK

c x

2

0 0a ax K x K c

2 4

2

a a o aK K c Kx

0c

2

0

a

xK

c

1

1

2

2

0 ax c K

wKw

x

0¿4 ?ac K

0¿4 ?ac K

SI NO


2

0

;a

xK

c x

2

0 0 ;a ax K x K c

04 :ac K

2 4

2

a a o aK K c Kx

0x

Si

4

2

a o aK c Kx

04 a ac K K

2

04 a ac K Ko ac K

2

0

a

xK

c que equivale a aproximar 0 0c x c

2

0 ax c K

La aproximación se hace para calcular

Para calcular la concentración de equilibrio de HA se puede usar 0c x

x


Bases débiles


2

0

b

xK

c x

2

0 0b bx K x K c

2 4

2

b b o bK K c Kx

2

0

b

xK

c

1 2

0 bx c K

wKw

x

0¿4 ?bc KSI NO

Disolución B(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución?

2B H O HB OH x xx

2 32H O H O OH w w

3[ ][ ] wH O OH K

[ ][ ]

[ ]b

HB OHK

B

[ ]HB

[ ]OH

3[ ]H O

x

x w

w

x ~ todo el OH- procede de la ionización de la base (Kw<<Kb)

• los H3O+ proceden de la ionización del agua

• los HB+ proceden de la ionización de la base

[ ]B 0c x • la B se ioniza parcialmente; ¿es Kb suficientemente pequeña para que c0-x=c0?

0¿4 ?bc K

0c1 2


Ácidos débiles

Ejemplo: Disolución HF(ac) 0,15 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4]

2 3HF H O F H O x xx

2 32H O H O OH w w

0,0099M

121,0 10 M

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K


43[ ][ ]6,6 10

[ ]a

F H OK

HF

0,15M

39,9 10x

0¿4 ?ac K 0,60 0,00066 0,60 SI

[ ]F

3[ ]H O

[ ]OH

x

x w

w

x

[ ]HF 0c x 0c

2

0

a

xK

c

0 ax c K

0,0099M

wKw

x

14

3

1,0 10

9,9 10

121,0 10

3[ ] [ ] [ ] [ ]HF F H O OH

3log9,9 10 2,00pH


Ácidos débiles

Ejemplo: Disolución HF(ac) 0,00150 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4]


2 32H O H O OH w w

0,00072M

111,4 10 M

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K


43[ ][ ]6,6 10

[ ]a

F H OK

HF

0,00078M

47,2 10x

0¿4 ?ac K 0,0060 0,00066 0,0067 NO

[ ]F

3[ ]H O

[ ]OH

x

x w

w

x

[ ]HF 0c x

2

0

a

xK

c x

wKw

x

14

4

1,0 10

7,2 10

111,4 10

2 4

2

a a o aK K c Kx

0,00072M

0,00099o ac K

3[ ] [ ] [ ] [ ]HF F H O OH

4log7,2 10 3,14pH


Ácidos débiles

Ejemplo: El pH de una disolución HF(ac) 0,0015 M es 3,14. ¿Cuánto vale la constante de ionización del HF?


2 32H O H O OH w w

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

3[ ][ ]

[ ]a

F H OK

HF

3,14 4

3[ ] 10 7,2 10x H O [ ]F

3[ ]H O

[ ]OH

x

x w

w

x

[ ]HF 0c x

4 24

0

(7,2 10 )6,6 10

0,0015 0,00072a

x xK

c x


Bases débiles

2B H O HB OH x xx

2 32H O H O OH w w

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

9[ ][ ]1,5 10

[ ]b

HB OHK

B

[ ]HB

[ ]OH

3[ ]H O

x

x w

w

x

[ ]B 0c x 0c

Ejemplo: Disolución piridina(ac) 0,0015 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y pH? [Piridina: Kb=1,5x10-9]

61,5 10x

0¿4 ?bc K 90,0060 1,5 10 0,0060 SI

2

0

b

xK

c

0 bx c K

wKw

x

14

6

1,0 10

1,5 10

96,7 10 6log1,5 10 5,82pOH

61,5 10 M

96,7 10 M

0,0015M

3[ ] [ ] [ ] [ ]B HB OH H O 61,5 10 M

14,00 5,82 8,18pH


Bases débiles

2B H O HB OH x xx

2 32H O H O OH w w

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

[ ][ ]

[ ]b

HB OHK

B

[ ]HB

[ ]OH

3[ ]H O

x

x w

w

x

[ ]B 0c x

Ejemplo: El pH de una disolución de piridina(ac) 0,0015 M es 8,18 ¿Cuánto vale la constante de ionización de la piridina?

5,82 6[ ] 10 1,5 10x OH

6 29

6

0

(1,5 10 )1,5 10

0,0015 1,5 10b

x xK

c x

14,00 8,18 5,82pOH

no es necesario considerar si se desprecia frente a c0 o no


Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles)


Grado de ionización =

2 3HA H O A H O x xx

3[ ][ ]

[ ]a

A H OK

HA

[ ]Ax

[ ]HA 0c x

0 0

[ ]A x

c c

Molaridad de ácido ionizado

Molaridad de ácido inicial

0c

0(1 )c

3[ ]H Ox 0c

2 2

0

0 (1 )a

cK

c

2

0

(1 )a

cK

100%

0c

Ácido fuerte

Ácido débil

1

0

0,5

2

0

4

2

a a o aK K c K

c


Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles)

0c

Ácido fuerte

Ácido débil

1

0

0,5

Ej.: ¿Cuál es el grado de ionización del HF(ac) 0,0015 M y del HF(ac) 0,15 M de los ejemplos de más atrás?

HF(ac) 0,0015 M:

HF(ac) 0,15 M:

0 0

[ ]F x

c c

0,000720,48 48%

0,0015

0,00990,066 6,6%

0,15


Ácidos polipróticos




Ejemplo: H3PO4, con Ka1 >> Ka2 >> Ka3

3 4 2 2 4 3H PO H O H PO H O 3

1 7,1 10aK

8

2 6,2 10aK

13

3 4,4 10aK

x x x

y y y

z z z

3 4[ ]H PO

2 4[ ]H PO

2

4[ ]HPO

3

4[ ]PO

3[ ]H O

[ ]OH

x y

y z

z

x y z w

w

][

]][[2

4

3

3

4

HPO

OHPO

][

]][[

42

3

2

4

POH

OHHPO

][

]][[

43

342

POH

OHPOH

2

2 4 2 4 3H PO H O HPO H O

2 3

4 2 4 3HPO H O PO H O

2 32H O H O OH w w

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

0c x

x 2 1( )a aK K

y3 2( )a aK K

x 1(& )w aK K

2

1

0

a

xK

c x

2ay K

3a

z xK

y

wx w K

y

1 x

2

z

w

3

4




3 4[ ]H PO

2 4[ ]H PO

2

4[ ]HPO

3

4[ ]PO

3[ ]H O

[ ]OH

x y

y z

z

x y z w

w

0c x

x

y

x

2

1

0

a

xK

c x

2ay K

3a

z xK

y

wx w K

y

1 x

2

z

w

3

4

Ejemplo: Disolución H3PO4(ac) 3.00 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH?

0 1¿4 ?ac K 312,00 7,1 10 12,00 SI

2

1

0

a

xK

c 3

0 1 3,00 7,1 10ax c K 1

8

2 6,2 10ay K 2

3a

yz K

x

0,15x

813 196,2 10

4,4 10 1,9 100,15

3

4 wKw

x

14141,0 10

6,7 100,15

2,85M

0,15M

0,15M

86,2 10 M 191,9 10 M

146,7 10 M

log0,15 0,82pH


Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico H2SO4


2 4[ ]H SO

4[ ]HSO

2

4[ ]SO

3[ ]H O

[ ]OH

0c x

x

0c x w

w

0

0c x

02

0

( )a

x c xK

c x

0

wKw

c x

0,49M

0,51M

0,011M

142,0 10 M

log0,51 2,92pH

1ª ionización: ácido fuerte; 2ª ionización: ácido débil

2 4 2 4 3H SO H O HSO H O

2

2 1,1 10aK

0( )c 0c 0c

x x x

2

4 3

4

[ ][ ]

[ ]

SO H O

HSO

2

4 2 4 3HSO H O SO H O

2 32H O H O OH w w

14

3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

02

0

a

c xK

c

0,011x

Ejemplo: Disolución H2SO4(ac) 0,50 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y pH? [Ka2=1,1x10-2]

14141,0 10

2,0 100,51

2 0,011ax K

Equilibrios Acido Base I

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