Soluciones cidas y bases. Amortiguadores Concepto segn Arrhenius, Bronsted-Lowry y Lewis. Soluciones amortiguadoras: Fosfato, y bicarbonato.

Fuente bibliogrfica_

ContenidosDefinicin de cidos y bases5. Ejercicios

Equilibrio qumicoCuando se alcanza el equilibrio a una determinada temperatura, se comprueba de forma experimental que : Hay una relacin constante entre las concentraciones de los productos y de los reactivos.

Esta relacin es la constante de equilibrio.

Constante de Equilibrio Para cualquier reaccin, el valor de Kc:Slo vara con la temperaturaSiempre es constante a una temperatura dadaEs independiente de las concentraciones iniciales

Coef. Estequiom.Concentracin molar

Electrolitos

Electrolitos dbiles y fuertes

Ideas Generales sobre cidos Tienen sabor agrio.Cambian a rojo, el color del papel de tornasol azul.Reaccionan con los metales activos:2HCl(ac) + Mg(s) MgCl2(ac) + H2(g)Reaccionan con los carbonatos y bicarbonatos, para producir dixido de carbono gaseoso:HCl(ac) + NaHCO3(s) NaCl(ac) + H2O(l) + CO2(g)Neutralizan a las bases

Ideas Generales sobre BasesTienen sabor amargo. Son untuosas al tacto.Cambian a azul, el color del papel de tornasol rojo. Neutralizan a los cidosHCl(ac) + NaOH(ac) NaCl(ac) + H2O(l)

Definiciones de cidos y BasesDefinicin de Arrhenius (1884)cido:Es la sustancia que en solucin acuosa, se disocia en sus iones, liberando iones H+.HCl(ac) H+(ac) + Cl-(ac)CH3COOH(ac) H+(ac) + CH3COO-(ac)Base: Es la sustancia que al disolverse en agua, se disocia en sus iones, liberando iones (OH)-.NaOH(ac) Na+(ac) +OH-(ac)

Limitaciones: * Sustancias con propiedades bsicas que no contienen iones hidroxilo (p.ej.: NH3 lquido)* Se limita a disoluciones acuosas.

cido: Especie que tiene tendencia a ceder un H+Base: Especie que tiene tendencia a aceptar un H+NH3 (ac) + H2O (l) NH4+ (ac) + OH- (ac)Bronsted-Lowry (1923)

cido: Especie que puede aceptar pares de electronesBase: Especie que puede ceder pares de electronesPara que una sustancia acepte un H+ debe poseer un par de electrones no compartidos.Lewis (1923)

Sustancias Anfteras o AnfiprticasLa teora de Bronsted-Lowry permite justificar porqu muchas sustancias pueden actuar a veces como cidos y otras como bases, a este tipo de sustancias se les denomina anfteras.

cidos PoliproticosSon sustancias que pueden ceder mas de un protn. Algunos ejemplos muy caractersticos son el H2SO4, H3PO4,etc. Lo importante es que:Los protones no se ceden todos a la vez, sino en sucesivas etapas cada una de las cuales viene caracterizada por un proceso de equilibrio.Las sucesivas cesiones son cada vez mas difciles.

cidos PoliproticosMuchos cidos tienen mas de una atomo de H ionizable. Estos cidos se conocen como cidos poliproticos.Ejemplo:H2SO3 (ac) + H2O (l) H3O+ (ac) + HSO3- (ac)

HSO3- (ac) + H2O (l) H3O+ (ac) + SO32- (ac)

Acidos fuertes Son los compuestos que se disocian completamenter en solucin acuosa, dando a la solucin gran capacidad de conduccin elctrica. El cido clorhdrico es un cido fuerte y un electrolito fuerte.

*

Son cidos fuertes la mayora de los cidos inorgnicos.

HNO3 ac + H20 H3 O+ ac + NO-3ac

HClO4 ac + H20 H3 O+ ac + CLO-4 ac

H2SO4 ac + H20 H3 O+ ac + HSO-4 ac

cidos fuertes

Acidos dbilesLos cidos dbiles son aquellos que se disocian slo en parte, y por consiguiente, conducen la corriente elctrica en poca cantidad, es decir son electroloitos dbiles.El cido carbnico es un cido dbil; puesto que en solucin acuosa sus molculas se disocian en escaso porcentaje, de acuerdo con la siguiente ecuacin:

El cido actico es un cido dbil:CH3-COOH + H2O CH3-COO- + H3O+ Son tambin cidos dbiles los cidos orgnicos,(carboxlicos).

cidos DbilesLos cidos dbiles se ionizan solo parcialmente en solucin acuosa, establecindose un equilibrio. Si representamos un acido dbil general como HA, podemos escribir la ecuacin de ionizacion de la forma siguiente:

Ej:HA+ H2O H3O+(ac) + A- InicioC00 0Reacciona xxx

Equilibrio C0 - xx x

Puedindose escribir la expresin de la constante de equilibrio en soluciones acuosas como: [H3O+][A-]Ka = [HA]

Bases Fuertes Las bases fuertes solubles mas comunes son los hidrxidos inicos de los metales de los grupos IA y grupo IIA. Estos compuestos se disocian por completo en iones en solucin acuosa.Ejemplo: NaOH, KOH, Ca(OH)2

*Es una sustancia capaz de aceptar protones. H+ + -OH H2O

Los hidrxidos de metales alcalinos no son base de Bronsted, ya que son incapaces de aceptar protones. Pero, el ion hidroxilo (-OH), que se forma cuando se ionizan, es una base de Bronsted porque puede aceptar un protn.

Bases fuertesSon electrolitos fuertes que se ionizan completamente en el agua. NaOH s + H2O Na+ac + 2 -OH ac

KOH s + H2O K+ ac + 2 -OH ac

Base

*

Son electrolitos dbiles. El amoniaco es una base dbil, ya que una pequea fraccin de la molcula disuelta, reacciona con el agua para formar iones amonio e hidroxilos: NH3 ac + H2O NH+4 ac + -OHac

Bases dbiles

Bases DbilesMuchas sustancias se comportan como bases dbiles y se disocian parcialmente establecindose unequilibrio. Sea B la base dbil , podemos escribir la ecuacin de ionizacion de la forma siguiente:

Ej:B+ H2O HB+(ac) + OH- Inicio C0 0 0Reacciona x x x

EquilibrioC0 - x x xPuedindose escribir la constante de disociacin bsica de la forma siguiente: [HB+][OH-]Kb = [B]

*Se define como un cido y su base conjugada o como una base y su cido conjugado.

cido y su base conjugada El cido actico es soluble en agua en todas proporciones. Utilizando la teora de Bronsted y Lowry, se demuestra que es un cido dbil y forma pares conjugados.

CH3-COOH + H2O CH3-COO- + H3 O+cido dbil base base conjugada cido conjugado del cido dbilBase y su cido conjugado

NH3 + H2O NH+4 + -OH Base cido cido conjugado base conjugada de la base dbil Pares conjugados cido-base

*Constante de equilibrio del agua

El agua puede comportarse como cido o como base (lcali, hidrxido) dependiendo de la sustancia con la que reaccione.

H2O H+ + -OH

H2O + H2O H3O+ + -OH

Propiedades cido-base del aguacidobase conjugadabasecido conjugadoautoionizacin del agua

Producto inico del aguaEl agua es un electrolito dbil, o sea que se disocia en escasa proporcin. El proceso de disociacin se presenta mediante la reaccin reversible:

ecuacin 1

El equilibrio de disociacin del agua esta muy desplazado hacia la izquierda, es decir, la concentracin de los iones en el agua pura es mnima.A partir de la ecuacin 1 se puede deducir la expresin correspondiente a la constante de equilibrio para la disociacin del agua:

ecuacin 2

Su constante de equilibrio es: Ke = [H3O+] [-OH] [H2O]2 Si multiplicamos el denominador por Ke: De donde Ke [H2O]2 = Kw (producto inico del agua) Kw = [H3O+][OH-]

Valor del producto inicoExperimentalmente se ha determinado que a 25o C:

Kw= [H3O+][OH-] = 1 x 10-14De aqu se deduce que: Kw

Ejemplo 1:Cul es el valor de OH- si el valor de [H+] = 1.5 x 10 -4 ?

Ejemplo 2:Cul es la concentracin de [H+] si [OH-] = 2.0 x 10-5 ?

Concepto de pHComo manejar las concentraciones de [H+] o de [OH-] con cifras muy pequeas y exponentes negativos resulta poco prctico, se han sustituido estos valores por el logaritmo decimal inverso de la concentracin de iones H+, llamado pH, as:

Si la concentracin de H+ es 1.0x10-7 moles/litro, se obtendr que:

Como la escala de pH es logartmica, la variacin de una unidad de pH corresponde a una variacin 10 veces mayor de la concentracin de iones H+.

Escala de pHPara medir el pH se pueden utilizar algunas sustancias (indicadores cido-base) que son sensibles a la concentracin de iones hidrgeno. Estas sustancias dependiendo de la acidez o basicidad del medio, cambian de color a valores de pH especficos.

[H+]pHEjemplocidos1 X 1000HCl1 x 10-11Jugo gstrico1 x 10-22Jugo de limn1 x 10-33Vinagre1 x 10-44Agua gaseosa1 x 10-55Agua de lluvia1 x 10-66LecheNeutral1 x 10-77Agua puraBases1 x 10-88Claras de huevo1 x 10-99Levadura1 x 10-1010Leche de magnesia1 x 10-1111Amonaco1 x 10-1212Hidrxido de calcio - Ca(OH)21 x 10-1313Limpiador de drenajes1 x 10-1414NaOH

pH de los lquidos del ser humano

Lquidos biolgicos pHSangre venosaSangre arterial7,357,45Saliva 6,0-7,0Saliva (pacientes con cncer)4,5-5,7Orina 6,0-8,0Lagrima 7,5

Lquidos biolgicos pHDuodeno (Luz)3Duodeno (superficie de vellosidades)5,5Yeyuno (luz)6-7Jugo gstrico1,5-2,0Lagrima 7,5Sudor humano5,5Lquido amnitico7,0-7,5Semen 7,2-8,0Vmito 3,8

Medidor de pH

Concepto de pOHUna escala semejante a la del pH se puede construir considerando para el clculo la concentracin del ion OH-. Esta nueva escala se define como pOH y es igual a:

Los clculos son tambin similares. As, para una solucin que contiene 1.0 x 10-3 mol/litro de iones OH- su pOH ser:

La suma del pH y del pOH es igual a 14

A mayor H+ menor pHA menor H+ mayor pHLa concentracin debe estar expresada en MolaridadEl pH esa una medida de la acidez

* Determinacin del pH de bases fuertesFrmula: pOH = - log [OH] y pH = 14 - pOHFrmula: pH = - log [H+]

Determinacin del pH de cidos fuertes

* Determinacin del pH de cidos dbilesEntre los cidos dbiles que tienen relacin con la medicina tenemos: cidos orgnicos, cido actico, cido pirvico, cido fnico, cido carbnico y frmacos cidos dbiles.Frmula: pH = 1 pKa 1 log [M] 2 2Donde M es la concentracin molar del cido

* Determinacin del pH de bases dbilesFrmula: pH = pKw 1 pKb + 1 log [M] 2 2

Donde el pKw = 14 Donde M es la concentracin molar de la base

EJERCICIOS

Cul es la concentracin de los iones : OH- en una disolucin de HCl cuya concentracin de ion hidrgeno es 1.3 M?Kw = [H+][OH-] = 1.0 x 10-14[H+] = 1.3 M= 7.7 x 10-15 M

ProblemasCalcule el pH de las siguientes soluciones:1.-[H+] = 1.25 x 10-3 mol/lLt

pH = -log [H+] = 2.9

Problema 2:[OH-] = 3.5 x 10-10 mol/Lt

Problema 3:pOH = 1.2

Problema 4:HCl 0.05 M

Problema 5:NaOH 0.01 M

6.-Cul es el pH de una disolucin 2 x 10-3 M HNO3?HNO3 es un cido fuerte: 100% disociacin .pH = -log [H+] = -log [H3O+] = -log(0.002) = 2.7Ba(OH)2 es un base fuerte: 100% disociacin.InicialFinal0.018 M0.018 M0.036 M0.0 M0.0 M0.0 MpH = 14.00 pOH = 14.00 + log(0.036) = 12.56

Cul es el pH de una disolucin 0.5 M HF (a 250C)?Inicial (M)Cambio (M)Equilibrio (M)0.500.00-x+x0.50 - x0.00+xxx0.50 x 0.50Ka

Problema 6:HCN 0.05 M

**.Se ha generado 3,8 g de cido clorhdrico en las clulas parietales del estmago, el mismo que se ha mezclado con 1 litro de los lquidos que forman el jugo gstrico. Se desea determinar el pH de dicho cido.Solucin:1.-Para determinar el pH , se necesita conocer la molaridad del cido. Hallando molaridad: masa(g)soluto 3.8g Molaridad = = = 0.104 mol/L PMsoluto V(L 36.5 g/mol x 1L

2.-Hallando el pH:

pH = -log [H+] pH = -log [1.04 x 10 -1] =Problema 7:

Problema 8a) Determinar el pH de la orina asumiendo que depende nicamente de la urea. Datos: urea H2NCONH2 25 g/L, con un Kb de 1,53 x 10-12 1.-Hallar la molaridad de la rea, luego el pH. masa(g)soluto 25g Molaridad = = = 0. 42mol/L por lo q PMsoluto V(L 60 g/mol x 1L 2.-Hallar el pH: La rea es una base dbil , por lo que aplicaremos la expresin:pH = pKw 1 pKb + 1 log [M] 2 2Donde [M] es la molaridad de la base.pKb= -log Kb = -log 1,53 x 10-12 = 11.82pH =14 1(11.82) + 1 log [0.42] = 7.907 2 2

*

*9.-La sangre venosa tiene una concentracin de hidrogeniones de 4,466835922 x 10-8 moles/L, mientras que la sangre arterial posee 3,548133892 x 10-8 moles/L. Se desea conocer el pH de la sangre venosa y arterial.De acuerdo a su resultado mencione si estn dentro del rango normal, en acidosis o en alcalosis:SOLUCIN :

pH =-log [4,466835922 x 10-8]= 7.35 sangre venosa pH =-log [3,548133892 x 10-8]= 7.45 sangre arterial

*Problema 10.- Se tiene 6 g de cido actico en 2 litros de agua destilada. Se desea conocer su pH, sabiendo que su Ka = 1,8 x 10-5.SOLUCIN:El cido actico es un cido dbil, por lo que aplicaremos la ecuacin:

Calculamos M:

Calculamos pKA = -log Ka= -log 1,8 x 10-5= 4.74

pH = 1 pKa 1 log [M] 2 2pH = 1 (4.74) 1 log [0.05]= 3.02 2 2 masa(g)soluto 6g Molaridad = = = 0.05 mol/L PMsoluto V(L 60 g/mol x 2L

11.-. Se tiene 1,7 g de amonaco en 10 litros de agua destilada. Se desea conocer el pH de la solucin, sabiendo que su Kb = 1,8 x 10-5.SOLUCIN:Calculamos pKb = -log Kb= -log 1,8 x 10-5= 4.74Es una base dbil, por lo que aplicaremos la expresin:pH = pKw 1 pKb + 1 log [M] 2 2Calculamos M

* masa(g)soluto 1.7g Molaridad = = = 0.01 mol/L PMsoluto V(L 17 g/mol x 10L

pH = 14 1 (4.74) + 1 log [0.01] 2 2pH= 10.63*

12.-. Se han disuelto 19,6 g de cido sulfrico, formndose una solucin de 10 litros. Se desea conocer el pOH de dicha solucin:SOLUCION:

Se halla pH y se resta de 14 pH =-log [0.02]= 1.7pOH =14 1.7 =12.3* masa(g)soluto 19.6g Molaridad = = = 0.02 mol/L PMsoluto V(L 98g/mol x 10L

Problema 13:Solucin de NH3 0.25 M

Problema 14:Calcular [H+] de una solucin con pH = 6.5

15.-El pH del agua de lluvia recolectada en una cierta regin del noreste de Estados Unidos en un da particular fue 4.82. Cul es la concentracin del ion H+ del agua de lluvia? pH = -log [H+][H+] = 10-pH= 10-4.82= 1.5 x 10-5 MpH + pOH = 14.00pOH = -log [OH-]= -log (2.5 x 10-7)= 6.60pH = 14.00 pOH = 14.00 6.60 = 7.40

Porcentaje de ionizacin = Concentracin del cido ionizado en el equilibrioConcentracin inicial del cidox 100%Para un cido monoprtico HAPorcentaje de ionizacin = x 100%[HA]0 = concentracin inicial

DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS Mantener el pH constante es vital para el correcto desarrollo de las reacciones qumicas y bioqumicas que tienen lugar tanto en los seres vivos como, a nivel experimental, en el laboratorio. Los amortiguadores (tambin llamados disoluciones amortiguadoras, sistemas tampn o buffers) son aquellas disoluciones cuya concentracin de protones apenas vara al aadir cidos o bases fuertes , aquellas soluciones que evitan cambios bruscos en el pH. Son soluciones que no varan apreciablemente el pH, al agregar pequeas cantidades de cido o base.

Un amortiguador resiste el cambio de pH, porque contienen tanto una especie cida que neutraliza los iones OH- , como una bsica que neutraliza los iones H+ . Estas especies cida y bsica no se deben consumir entre s.

Cambio de pH tras aadir cido/base al aguaCambio de pH tras aadir cido/base a una disolucin amortiguadora

Cmo se forman?Los amortiguadores ms sencillos estn formados por mezclas binarias: un cido dbil y una sal del mismo cido con una base fuerte (por ejemplo, cido actico y acetato sdico) una base dbil y la sal de esta base con un cido fuerte (por ejemplo, amonaco y cloruro amnico) .Dos sales : una ms cida que la otra. ( por ej. Fosfato monohidrgeno disdico: Na2HPO4 y fosfato dihidrgeno monosdico NaH2PO4 )La concentracin de protones del agua pura experimenta una

Ecuacin de Henderson Hasselbach

Si la concentracin de cido = salEntonces la siguiente expresin

se convierte en pH = pKaEn estas condiciones el buffer funciona en su mxima capacidad amortiguadora.

Propiedades de los amortiguadores:

A partir de esta frmula se pueden deducir fcilmente las propiedades 1.- El pH de una disolucin amortiguadora depende de la naturaleza del cido dbil que lo integra (de su pKa), de modo que para cantidades equimoleculares de sal y de cido, el pH es justamente el pKa de este cido. Dicho de otra forma, se puede definir el pKa de un cido dbil como el pH del sistema amortiguador que se obtiene cuando [sal] = [cido]2.- El pH del sistema amortiguador depende de la proporcin relativa entre la sal y el cido, pero no de las concentraciones absolutas de estos componentes. De aqu se deduce que aadiendo agua al sistema, las concentraciones de sal y cido disminuyen paralelamente, pero su cociente permanece constante, y el pH no cambia. Sin embargo, si la dilucin llega a ser muy grande, el equilibrio de disociacin del cido se desplazara hacia la derecha, aumentando la [sal] y disminuyendo [cido], con lo cual el cociente aumenta y el pH tambin, de forma que se ira acercando gradualmente a la neutralidad (pH 7). 3.- Cuando se aaden cidos o bases fuertes a la disolucin amortiguadora, el equilibrio se desplaza en el sentido de eliminar el cido aadido (hacia la izquierda) o de neutralizar la base aadida (hacia la derecha). Este desplazamiento afecta a las proporciones relativas de sal y cido en el equilibrio. Como el pH vara con el logaritmo de este cociente, la modificacin del pH resulta mnima hasta que uno de los componentes est prximo a agotarse.

Depende del par conjugado cido dbil y la sal de ese cido dbil , o del par base dbil y la sal de esa base dbil. La solucin ser mejor amortiguadora en la zona de pH que sea ms cercana a su valor de pKa.

Su mxima capacidad amortiguadora, ocurre cuando:[aceptor de protones]=[dador de protones] pH = pKa o sea , cuando

En qu zona de pH una solucin funcionar como buffer o tampon?

Intracelulares:Sistema tampn fosfato dicido f osfato monocidoHPO4- - H2PO4-2 pKa alrededor de 7.0Tambin contribuyen Glucosa 6 P , ATP, protenas intracelulares.

Extracelulares: ( sangre y lq. Intersticiales)El ms importante: sistema tampn cido carbnico -bicarbonato. ( H2CO3-HCO3-)Tambin contribuyen protenas extracelulares como hemoglobina.

Amortiguadores Extracelulares:

La ecuacin que se aplica a este sistema amortiguador es: de donde resulta que al pH fisiolgico de 7,4:

Qumica

*