Química 2º Bach 1. Contenidos 1.- Características de ácidos y bases 2.- Evolución histórica...

Contenidos1.- Características de ácidos y bases2.- Evolución histórica del concepto de

ácido y base.2.1. Teoría de Arrhenius. Limitaciones.2.2. Teoría de Brönsted-Lowry.

2.3. Teoría de Lewis

3.- Equilibrio de ionización del agua. pH.4.- Fuerza de ácidos y bases.

4.1. Ácidos y bases conjugadas.4.2. Relación entre Ka y Kb.4.3. Cálculos de concentraciones en equilibrio, pH,

constantes, grado de disociación

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Contenidos5.- Reacciones de hidrólisis de sales (estudio cualitativo).

5.1. Sales procedentes de ácido fuerte y base débil.5.2. Sales procedentes de ácido débil y base fuerte.5.3. Sales procedentes de ácido débil y base débil.5.4. Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte.5.5. Calculo de concentraciones y pH.

6.- Disoluciones amortiguadoras. 7.- Indicadores de ácido-base. 8.- Valoraciones de ácido-base (volumetrías).

8.1. Neutralización

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CaracterísticasÁCIDOS:

Tienen sabor agrio.Son corrosivos para la

piel.Enrojecen ciertos

colorantes vegetales.Disuelven sustanciasAtacan a los metales

desprendiendo H2.Pierden sus propiedades

al reaccionar con bases.

BASES:Tiene sabor amargo.Suaves al tacto pero

corrosivos con la piel.Dan color azul a ciertos

colorantes vegetales.Precipitan sustancias

disueltas por ácidos.Disuelven grasas.Pierden sus propiedades

al reaccionar con ácidos.

4

Definición de ArrheniusPublica en 1884 su teoría de

“disociación iónica”.Hay sustancias (electrolitos) que en

disolución se disocian en cationes y aniones.ÁCIDO: Sustancia que en disolución acuosa

disocia cationes H+ (protones).BASE: Sustancia que en disolución acuosa

disocia aniones OH– (iones hidroxilo u oxidrilo).

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DisociaciónÁCIDOS:AH (en disolución acuosa) A– + H+

Ejemplos: HCl (en disolución acuosa) Cl– + H+

H2SO4 (en disolución acuosa) SO42– + 2 H+

BASES:BOH (en disolución acuosa) B + + OH–

Ejemplo: NaOH (en disolución acuosa) Na+ + OH–

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NeutralizaciónSe produce al reaccionar un ácido con una base

por formación de agua: H+ + OH– — H2OEl anión que se disoció del ácido y el catión que

se disoció de la base quedan en disolución inalterados (sal disociada):

NaOH +HCl — H2O + NaCl (Na+ + Cl–) La teoría de Arrhenius, aunque constituyó un

gran avance, tiene importantes limitaciones, ya que reduce excesivamente los conceptos de ácido y base.

7

Teoría de Brönsted-Lowry.En 1923, el danés J. N. Brönsted y el inglés T.

M Lowry propusieron, independientemente una teoría que ampliaba los conceptos expuestos por Arrhenius.

ÁCIDOS:Toda especie química, molecular o iónica,

capaz de ceder un ión H+ a otra sustancia.

BASES:Toda especie química, molecular o iónica,

capaz de recibir un ión H+ de otra sustancia.

8

Par Ácido/base conjugadoSiempre que una sustancia se comporta

como ácido (cede H+) hay otra que se comporta como base (captura dichos H+).

Cuando un ácido pierde H+ se convierte en su “base conjugada” y cuando una base captura H+ se convierte en su “ácido conjugado”.

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ÁCIDO (HA) BASE CONJ. (A–)– H+

+ H+

BASE (B) ÁC. CONJ. (HB+)+ H+

– H+

Ejemplo de par Ácido/base conjugadoDisociación de un ácido:HCl (g) + H2O (l) H3O+(ac) + Cl– (ac)

En este caso el H2O actúa como base y el HCl al perder el H+ se transforma en Cl– (base conjugada)

Disociación de una base:NH3 (g) + H2O (l) NH4

+ + OH–

En este caso el H2O actúa como ácido pues cede H+ al NH3 que se transforma en NH4

+ (ácido conjugado)

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Las definiciones de ácido y base dadas por Brönsted y Lowry son más amplias que las de Arrhenius:

No se limitan a disoluciones acuosas y son válidas para cualquier disolvente.

Aunque la definición de ácido puede considerarse casi análoga en las dos teorías, la definición de Brönsted y Lowry para las bases permite incluir como tales sustancias que no lo eran para Arrhenius, como NH3, s2-

El NaOH y en general los hidróxidos, son propiamente bases de Brönsted- Lowry, como lo eran para Arrhenius, ya que aunque no pueden recibir un protón, se disocian y producen el ion OH- , que es capaz de aceptarlo formando H2O. Es decir:

OH- + H3O+ 2H2O

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Equilibrio de ionización del agua. La experiencia demuestra que el agua tiene una

pequeña conductividad eléctrica lo que indica que está parcialmente disociado en iones:

2 H2O (l) H3O+(ac) + OH– (ac) H3O+ · OH–

Kc = —————— H2O2

Como H2O es constante por tratarse de un líquido, llamaremos Kw = Kc · H2O2

conocido como “producto iónico del agua” 15

[ ]× [ ] -w 3K H O OH

Concepto de pH.El valor de dicho producto iónico del agua es:

KW (25ºC) = 10–14 M2

En el caso del agua pura: ———–H3O+ = OH– = 10–14 M2 = 10–7 M

Se denomina pH a:

Y para el caso de agua pura, como H3O+=10–7 M:

pH = – log 10–7 = 7

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3pH log [H O ]

Tipos de disolucionesÁcidas: H3O+ > 10–7 M pH < 7

Básicas: H3O+ < 10–7 M pH > 7

Neutras: H3O+ = 10–7 M pH = 7En todos los casos:

Kw = H3O+ · OH–

si H3O+ aumenta (disociación de un ácido), entonces OH– debe disminuir para que el producto de ambas concentraciones continúe valiendo 10–14 M2

17

18

ÁCIDO BÁSICO

141 2 3 4 6 8 9 10 11 12 135 7

Zumo de limón Cerveza

LecheSangre

Agua mar

Amoniaco

Agua destilada

Concepto de pOH.A veces se usa este otro concepto, casi idéntico al de pH:

Como Kw = H3O+ · OH– = 10–14 M2

y aplicando logaritmos y cambiando el signo tendríamos:

pH + pOH = 14para una temperatura de 25ºC.

pOH log [OH ]

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Ejemplo: El pH de una disolución acuosa es 12,6. ¿Cual será la OH– y el pOH a la temperatura de 25ºC?

pH = – log H3O+ = 12,6, de donde se deduce que:

H3O+ = 10–pH = 10–12,6 M = 2,5 · 10–13 M

Como Kw = H3O+ · OH– = 10–14 M2

entonces: KW 10–14 M2 OH– = ——— = —————— = 0,04 M H3O+ 2,5 · 10–13 M

pOH = – log OH– = – log 0,04 M = 1,4

Comprobamos como pH + pOH = 12,6 + 1,4 = 14

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Ejercicio A: Una disolución de ácido sulfú-rico tiene unadensidad de 1,2 g/ml y una riqueza del

20 % en peso. a) Calcule su concentración expresada en moles/litro y en gramos/litro. b) Calcule el pH de una disolución preparada diluyendo mil veces la anterior.

a) ms ms% = —— x 100 = ——— x 100 mdn Vdn x d

ms % x d 20 x 1,2 gconc (g/L) = —— = —— = ————— = 240 g/L

Vdn 100 10–3 L x 100

ns ms conc(g/L) 240 g/L Molaridad = —— = ——— = ———— = ————

Vdn Vdn x Ms Ms 98 g/mol

Molaridad = 2,45 mol/L

b) pH = –log [H3O+] = –log (2 x 2,45x10–3 M) = 2,3

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Problema de Selectividad (Marzo 97)


Electrolitos fuertes y débilesElectrolitos fuertes: ()

Están totalmente disociadosEjemplos: HCl (ac) Cl– + H+

NaOH (ac) Na+ + OH–

Electrolitos débiles: Están disociados parcialmente

Ejemplos: CH3–COOH (ac) CH3–COO– + H+

NH3 (ac)+ H2O NH4+ + OH–

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Electrolitos fuertes y débiles

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[A–] [H+]

[H+][A–]

[HA][HA]

Ácido fuerte

[HA]

Ácido débil

Ejemplo: Justifica porqué el ión HCO3– actúa como ácido

frente al NaOH y como base frente al HCl.

El NaOH proporciona OH– a la disolución:NaOH (ac) Na+ + OH–

por lo que HCO3– + OH– CO3

2– + H2Oes decir, el ión HCO3

– actúa como ácido.

El HCl proporciona H+ a la disolución:HCl (ac) H+ + Cl–

por lo que HCO3– + H+ H2CO3

(CO2 + H2O)es decir, el ión HCO3

– actúa como base.

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Fuerza de ácidos.En disoluciones acuosas diluidas (H2O constante) la fuerza de un ácido HA depende de la constante de equilibrio:

HA + H2O ↔ A– + H3O+

A– · H3O+ A– · H3O+Kc = —————— Kc · H2O = —————— HA · H2O HA

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3

2

[ ] [ ][ ]

[ ]C a

A H OK H O K

HA

constante de disociación

(K acidez)

Fuerza de ácidos (cont.).Según el valor de Ka hablaremos de ácidos fuertes o débiles:Si Ka > 100 El ácido es fuerte y estará disociado

casi en su totalidad. HCl, HClO4 ,HBr, HI, H2SO4 y HNO3

Si Ka < 1 El ácido es débil y estará sólo parcialmente disociado.

El ácido acético (CH3–COOH) es un ácido débil ya que su Ka = 1,8 · 10–5 M

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Ácidos polipróticosSon aquellos que pueden ceder más de un H+.( ej.: el H2CO3 es diprótico)

Existen pues, tantos equilibrios como H+ disocie: H2CO3

+ H2O ↔ HCO3– + H3O+

HCO3– + H2O ↔ CO3

2– + H3O+

HCO3– · H3O+ CO3

2– · H3O+ Ka1 = ———————— Ka2 = ———————

H2CO3 HCO3–

Ka1 = 4,5 · 10–7 M Ka2 = 5,7· 10–11 M

La constantes sucesivas siempre van disminuyendo.

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Fuerza de bases.En disoluciones acuosas diluidas (H2O constante) la fuerza de una base BOH depende de la constante de equilibrio:

B + H2O ↔ BH+ + OH–

BH+ x OH–

Kc = —————— B x [H2O]

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2

[ ] [ ][ ]

[ ]C b

BH OHK H O K

B (K basicidad)

Fuerza de ácidos y bases (pK)Al igual que el pH se denomina pK a:

pKa= – log Ka ; pKb= – log Kb

Cuanto mayor es el valor de Ka o Kb

mayor es la fuerza del ácido o de la base.

Igualmente, cuanto mayor es el valor de pKa o pKb

menor es la fuerza del ácido o de la base.

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Ejemplo: Determinar el pH y el pOH de una disolución 0,2 M

de NH3 sabiendo que Kb (25ºC) = 1,8 · 10–5 M

Equilibrio: NH3 + H2O ↔ NH4+

+ OH–

conc. in.(mol/l): 0,2 0 0conc. eq.(mol/l): 0,2 – x x x

NH4+ x OH– x2

Kb = ——————— = ——— = 1,8 x 10–5 M NH3 0,2 – x

De donde se deduce que x = OH– = 1,9 x 10–3 M

pOH = – log OH– = – log 1,9 x 10–3 = 2,72

pH = 14 – pOH = 14 – 2,72 = 11,28

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Relación entre Ka y Kb conjugadaEquilibrio de disociación de un ácido:

HA + H2O ↔ A– + H3O+

Reacción de la base conjugada con el agua:A– + H2O ↔ HA + OH–

A– x H3O+ HA x OH– Ka = —————— ; Kb = —————— HA A–

A– x H3O+ x HA x OH– Ka x Kb = ———————————— = KW HA x A–

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Relación entre Ka y Kb conjugada (cont.).

En la práctica, esta relación (Ka x Kb = KW) significa que:Si un ácido es fuerte su base conjugada es débil.Si un ácido es débil su base conjugada es fuerte.

A la constante del ácido o base conjugada en la reacción con el agua se le suele llamar constante de hidrólisis (Kh).

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Fuerza de los ácidos y estructura molecular

Se ha comprobado experimentalmente que la fuerza de los ácidos tiene relación con la propia estructura de la molécula.

La energía del enlace H-X es determinante para justificar la fuerza de los ácidos. Cuanto menor es esa energía, menos estable es el enlace y con mayor facilidad se cede el protón.

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ÁCIDO ENERGÍA DE ENLACE (Kj/mol)

HF 568,2

HCl Aumento 431,9 sentido de

HBr de la fuerza 366,1 aumento

HI 298,3

Cuanto más electronegativo es el halógeno, más atrae el par electrónico que comparte con el oxígeno unido al H. Al polarizarse más el enlace O-H, el H se ioniza con más facilidad y el ácido es más fuerte.

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ÁCIDO EN del halógeno

HClO4 Aumento de

3,0 Sentido de aumento

HBrO4 la fuerza 2,8

HIO4 2,5

Cuanto mayor es el número de átomos de O alrededor del Cl, mayo es la capacidad de éste para polarizar el enlace O-H y con más facilidad se cede el protón y será más fuerte.

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ÁCIDO NÚMERO DE OXIDACIÓN

HClO +1

HClO2 Sentido de aumento

+3 Sentido de aumento

HClO3 +5

HClO4 +7

Ejemplo: Calcular la Kb del KCN si sabemos que la Ka del HCN vale 4,9 · 10–10 M.

El HCN es un ácido débil (constante muy pequeña). Su base conjugada, el CN–, será una base relativamente fuerte.

Su reacción con el agua será: Ka x Kb = KW

CN– + H2O ↔ HCN + OH–

KW 10–14 M2 Kb = —— = —————— = 2,0 x 10–5 M Ka 4,9 x 10–10 M

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Relación entre la constante y el grado de disociación “”

En la disociación de un ácido o una base

Igualmente:

En el caso de ácidos o bases muy débiles (Ka/c o Kb/c < 10–4), se desprecia frente a 1 con lo que: Ka = c 2

(Kb = c 2 )Así:

39

b

cK

2

1

23

1 1

[ ] [ ]

[ ] ( - )a

A H O c c cK

HA c

aK

c bK

c

Una disolución de HBO2 10-2 M tiene un de pH de 5,6. a) Razone si el ácido y su base conjugada serán

fuertes o débiles. b) Calcule la constante de disociación del ácido (Ka) c) Calcule, si es posible, la constante de basicidad del ion borato (Kb).

a) [H3O+] = 10–pH = 10–5,6 = 2,51 x 10–6 M =[H3O+]/c = 2,51 x 10–6 M/ 10-2 M = 2,51 x10–

4 lo que significa que está disociado en un 0,025

% luego se trata de un ácido débil. Su base conjugada, BO2

–, será pues, relativamente fuerte.

b) Ka = c x 2 = 10-2 M x(2,51 x 10–4)2 = 6,3 x 10–10

c) Kb = Kw/Ka = 10–14/ 6,3 x 10–10 = 1,58 x 10–5

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Ejerci En un laboratorio se tienen dos matraces, uno conteniendo 15 ml de HCl cuya concentración es 0,05 M y el otro 15 ml de ácido etanoico (acético) de concentración 0,05 M a) Calcule el pH de cada una de ellas. Dato: Ka (ácido etanoico) = 1,8 x

10-5

a) HCl es ácido fuerte luego está totalmente disociado, por lo que [H3O+] = 0,05 M

pH = –log [H3O+] = –log 0,05 = 1,30 CH3COOH es ácido débil por lo que:

CH3COOH + H2O ↔ CH3COO- + H3O+

0,05 0 0

0,05 –x x x

[H3O+] = 9,39 x 10-4 M pH = –log [H3O+] = –log 9,5 x 10-4 = 3,0

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Problema Selectividad

(Junio 98)


(Junio 98)

En un laboratorio se tienen dos matraces, uno conteniendo 15 ml de HCl cuya concentración es 0,05 M y el otro 15 ml de ácido etanoico (acético) de concentración 0,05 M b) ¿Qué cantidad de agua se deberá añadir a la más ácida para que el pH de las dos disoluciones sea el mismo? Dato: Ka (ácido etanoico) = 1,8 x 10-5

b) n (H3O+) en HCl = V x Molaridad = 0,015 l x 0,05 M = = 7,5 x 10-4 mol.

Para que el pH sea 3,0 [H3O+] = 10-3 M que será también la [HCl] ya que está totalmente disociado.

El volumen en el que deberán estar disueltos estos moles es:

V = n/Molaridad = 7,5 x 10-4 mol/ 10-3 mol·l-1 = 0,75 litros

Luego habrá que añadir (0,75 – 0,015) litros = 735 ml

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(Junio 98)


(Junio 98)

Hidrólisis de salesMuchas sales en disolución acuosa se comportan

como ácidos o bases, debido a que los iones producidos en su disociación son capaces de ceder H+ al agua o de recibirlos de ella.

Es la reacción de los iones de una sal con el agua.Sólo es apreciable cuando estos iones proceden de

un ácido o una base débil:Hidrólisis ácida (de un catión):NH4

+ + H2O ↔ NH3 + H3O+

Hidrólisis básica (de un anión):CH3–COO– + H2O ↔ CH3–COOH + OH–

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Tipos de hidrólisis.Según procedan el catión y el anión de un ácido o

una base fuerte o débil, las sales se clasifican en:Sales procedentes de ácido fuerte y base

fuerte. Ejemplo: NaCl

Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. Ejemplo: NaCN

Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. Ejemplo: NH4Cl

Sales procedentes de ácido débil y base débil. Ejemplo: NH4CN

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Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte.

Ejemplo: NaClNO SE PRODUCE HIDRÓLISIS ya que tanto

el Na+ que es un ácido muy débil como el Cl– que es una base muy débil apenas reaccionan con agua. Es decir los equilibrios:

Na+ + 2 H2O NaOH + H3O+

Cl– + H2O HCl + OH– están muy desplazado hacia la izquierda. El

equilibrio del agua no queda alterado y se mantiene su PH neutro.

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Sales procedentes de ácido débil y base fuerte.Ejemplo: Na+CH3–COO–

SE PRODUCE HIDRÓLISIS BÁSICA ya que el Na+ es un ácido muy débil y apenas reacciona con agua, pero el CH3–COO– es una base fuerte y si reacciona con ésta de forma significativa:

CH3–COO– + H2O CH3–COOH + OH– lo que provoca que el pH > 7 (dis. básica).Kh=Kw/Ka

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Sales procedentes de ácido fuerte y base débil.Ejemplo: NH4ClSE PRODUCE HIDRÓLISIS ÁCIDA ya que el

NH4+ es un ácido relativamente fuerte y

reacciona con agua mientras que el Cl– es una base débil y no lo hace de forma significativa:

NH4+ + H2O NH3

+ H3O+

lo que provoca que el pH < 7 (dis. ácida).Kh=Kw/Kb

47

Sales procedentes de ácido débil y base débil.

Ejemplo: NH4CN

En este caso tanto el catión NH4+

como el anión CN– se hidrolizan y la disolución será ácida o básica según qué ion se hidrolice en mayor grado.

Como Kb(CN–) = 2 · 10–5 M yKa(NH4

+) = 5,6 · 10–10 M , en este caso, la disolución es básica ya que Kb(CN–) es mayor que Ka(NH4

+)

48

Ejemplo: Sabiendo que Ka (HCN) = 4,0 · 10–10 M, calcular el pH y el grado de hidrólisis de una disolución acuosa de NaCN 0,01 M.

La reacción de hidrólisis será:CN– + H2O HCN + OH–

HCN · OH– KWKh(CN–) = —————— = —————— = CN– 4,0 · 10–10 M

1 · 10–14 M2

Kh(CN–) = —————— = 2,5 · 10–5 M 4,0 · 10–10 M

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Ejemplo: Sabiendo que Ka (HCN) = 4,0 · 10–10 M, calcular el pH y el grado de hidrólisis de una disolución acuosa de NaCN 0,01 M.

CN– + H2O HCN + OH–

Conc inin. (M) 0,01 0 0Conc equil. (M) 0,01(1–) 0,01

0,01 HCN x OH– (0,01 )2 M2

2,5 · 10–5 M = —————— = —————— CN– 0,01(1–) M

se obtiene que = 0,05 KW 10–14 M2

H3O+ = ——— = —————— = 2,0 x 10–11 M OH– 0,01 M x 0,05

pH = – log H3O+ = – log 2,0 x 10–11 M = 10,7

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Ejercicio C: Razone utilizando los equilibrios correspondientes, si los pH de las disoluciones que se relacionan seguidamente son ácidos, básicos o neutros. a) Acetato potásico 0,01 M; b) Nitrato sódico 0,01 M; c) Sulfato amónico0,01 M; d) Hidróxido de bario 0,01 M.

a) Acetato potásico: pH básico, ya queCH3–COO– + H2O CH3–COOH + OH– por ser el ác. acetico débil, mientras que el K+ no reacciona con agua por ser el KOH base fuerte.

b) nitrato sódico: pH neutro, ya que ni el anión NO3

– ni el catión Na+ reaccionan con agua por

proceder el primero del HNO3 y del NaOH el segundo, ambos electrolitos fuertes.

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Problema de Selectividad

(Septiembre 98)


(Septiembre 98)

Ejercicio C: Razone utilizando los equilibrios correspondientes, si los pH de las disoluciones que se relacionan seguidamente son ácidos, básicos o neutros. a) Acetato potásico 0,01 M; b) Nitrato sódico 0,01 M; c) Sulfato amónico0,01 M; d) Hidróxido de bario 0,01 M.

c) Sulfato amónico: pH ácido, ya queNH4

+ + H2O NH3 + H3O+

por ser el amoniaco débil, mientras que el SO4

2– no reacciona con agua por ser el H2SO4 ácido fuerte.

d) hidróxido de bario: pH básico pues se trata de una base fuerte (los hidróxidos de los metales alcalinos y alcalino-térreos son bases bastantes fuertes)

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(Septiembre 98)


(Septiembre 98)

Disoluciones amortiguadoras (tampón)

Son capaces de mantener el pH después de añadir pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. Están formadas por:

Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido débil con catión neutro:Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio.

Disoluciones de base débil + sal de dicha base débil con anión neutro:Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio.

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Comportamiento del sistema CH3COOH/CH3COONa

La disolución acuosa contiene:Una sal, el acetato de sodio, totalmente disociada

por ser electrolito fuerte.CH3COONa CH3COO- (aq) + Na+ (aq)

Un ácido débil, el CH3COOH, sólo parcialmente ionizado.

CH3COOH (aq)+ H2O (l) H3O+ (aq) + CH3COO-

(aq)

La presencia del ión común CH3COO- , proporcionado por la sal disociada hace que el equilibrio esté muy desplazado hacia la izquierda.

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El ácido apenas está disociado y la presencia de iones H3O+ en la disolución es muy escasa. Si se añade una pequeña cantidad de ácido, la

concentración de (H3O+) aumenta y el equilibrio se desplaza aún más hacia la izquierda para disminuirla: la concentración de (H3O+) apenas varía y, por lo tanto, el pH tampoco lo hace de modo significativo.

Si se añade una pequeña cantidad de base, la concentración de (H3O+) disminuye y el equilibrio se desplazará hacia la derecha para producir iones H3O+ que neutralizan la presencia de iones OH- , con lo que prácticamente tampoco varía el pH.

Como la sal está totalmente disociada y el ácido apenas lo está, el valor del pH puede deducirse:

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PH= -log(Ka* Ma/Mb) donde Ma y Mb son las concentraciones del ácido acético y del acetato de sodio respectivamente.

En general, para un sistema amortiguador formado por un ácido HA y su base conjugada A-, monovalente, se cumple:

(H3O+) = Ka* (ácido)/(sal)

Para un sistema formado por una base B y su ácido conjugado, se cumple que:

(OH-)=Kb*(base)/(sal)

56

En muchas reacciones de laboratorio, en procesos industriales y en sistemas biológicos, tiene especial importancia el mantenimiento de un pH constante.

Por ejemplo, la sangre mantiene aproximadamente constante el valor de 7,4 de su pH, debido a la presencia de sistemas amortiguadores (tampones); el más conocido de ellos es el formado por H2CO3 y HCO3

- El riñón también contribuye a mantener el

equilibrio ácido-base; para controlar el pH de la sangre mantiene o extrae sustancias ácidas o básicas .

En el caso de que fallen los sistemas de control de pH, se alteran la mayoría de procesos celulares y se producen daños irreparables en los individuos.57

Ejemplo: Calcular el pH de una disolución tampón formada por una concentración 0,2 M de ácido acético y 0,2 M de acetato de sodio. Ka

(CH3–COOH) = 1,8 · 10–5 M.

El acetato está totalmente disociado:CH3–COONa CH3–COO– + Na+

El ácido acético se encuentra en equilibrio con su base conjugada (acetato):

H2O + CH3–COOH CH3–COO– + H3O+

cin (M) 0,2 0,2 (de la sal) 0

ceq (M) 0,2 – x 0,2 + x x

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Ejemplo: Calcular el pH de una disolución tampón formada por una concentración0,2 M de ácido acético y 0,2 M de acetato de sodio. Ka (CH3–COOH) = 1,8 · 10–5 M

CH3–COO– · H3O+ (0,2+x) · x M2 1,8 · 10–5 M = ————————— = —————— CH3–COOH (0,2 – x) M

De donde se deduce que:x = H3O+ = 1,8 · 10–5 M

pH = – log H3O+ = 4,74

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Ejercicio: ¿Cómo variará el pH de la disolución anterior al añadir a un 1 litro de la misma : a) 0,01 moles de NaOH;b) 0,01 moles de HCl?

a) Al añadir NaOH (Na+ + OH–), se producirá la neutralización del ácido acético:CH3COOH + NaOH CH3COO– + Na+ + H2O

Suponiendo que la adición de la base apenas afecta al volumen:[CH3COOH] = (0,2 –0,01)/1 M = 0,19 M[CH3COO–] = (0,2 + 0,01)/1 M = 0,21 M

H2O + CH3–COOH CH3–COO– + H3O+

cin (M) 0,19 0,21 0

ceq (M) 0,19 – x 0,21 + x x

61

Ejercicio: ¿Cómo variará el pH de la disolución anterior al añadir a un 1 litro de la misma : a) 0,01 moles de NaOH;b) 0,01 moles de HCl?

(0,21 + x) · x M2 1,8 · 10–5 M = ———————

(0,19 – x) M

De donde se deduce que x = H3O+ = 1,63 · 10–5 M pH = – log H3O+ = 4,79

b) Al añadir HCl (H3O+ + Cl–), los H3O+ reaccionarán con los CH3COO–: CH3COO–+ HCl CH3COOH + Cl–

[CH3COOH] = (0,2 + 0,01) /1 M = 0,21 M[CH3COO–] = (0,2 –0,01) /1 M = 0,19 M

Repitiendo el proceso obtenemos que pH = 4,70

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Indicadores de pH (ácido- base) Son sustancias que cambian de color al

pasar de la forma ácida a la básica:

HIn + H2O In– + H3O+

forma ácida forma básicaEl cambio de color se considera apreciable

cuando [HIn] > 10·[In–] o [HIn]< 1/10·[In–] In– · H3O+ HIn

Ka = —————— H3O+ = Ka · ——— HIn In–

pH = pKa + log In– / HIn = pKa 163

Algunos indicadores de pH

IndicadorIndicadorColor Color forma forma ácidaácida

Color forma Color forma básicabásica

Zona de Zona de viraje viraje (pH)(pH)

Violeta de Violeta de metilometilo AmarilloAmarillo VioletaVioleta 0-20-2

Rojo CongoRojo Congo AzulAzul RojoRojo 3-53-5

Rojo de Rojo de metilometilo RojoRojo AmarilloAmarillo 4-64-6

TornasolTornasol RojoRojo AzulAzul 6-86-8

FenolftaleínFenolftaleínaa

IncoloroIncoloro RosaRosa 8-108-1064

Valoraciones ácido-baseValorar es medir la

concentración de un determinado ácido o base a partir del análisis volumétrico de la base o ácido utilizado en la reacción de neutralización.

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Gráfica de valoración de vinagre con NaOH

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Zona de viraje fenolftaleína

20 40 60 V NaOH(ml)

12 10 8642

pH

Valoraciones ácido-base.La neutralización de un ácido/base con una

base/ácido de concentración conocida se consigue cuando n(OH–) = n(H3O+).

La reacción de neutralización puede escribirse: b HaA + a B(OH)b BaAb + a·b H2O

En realidad, la sal BaAb (aBb+ + bAa–) se encuentra disociada, por lo que la única reacción es: H3O+ + OH– 2 H2O

n(ácido) x a = n(base) x b

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Valoraciones ácido-base Vácido x [ácido] x a = Vbase x [base] x b

Todavía se usa mucho la concentración expresada como Normalidad:

Normalidad = Molaridad x n (H u OH)

Vácido x Nácido = Vbase x Nbase

En el caso de sales procedentes de ácido o base débiles debe utilizarse un indicador que vire al pH de la sal resultante de la neutralización.

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Simulación

Ejemplo: 100 ml de una disolución de H2SO4 se neutralizan con 25 ml de una disolución 2M de Al(OH)3 ¿Cuál será la [H2SO4]?

3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 3SO42– +2Al3+ +

6 H2O

n base=25 ml x 2 M = 0,025 molMediante factores de conversión, se calculan

los moles de ácidon ácido= 0,075 mol 0,075 mol

Mácido = ——————— = 0,75 M 0,100 L

[H2SO4] = 0,75 M

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Ejemplo: 100 ml de una disolución de H2SO4 se neutralizan con 25 ml de una disolución 2M de Al(OH)3 ¿Cuál será la [H2SO4]?

Podríamos haber calculado n(H2SO4) a partir del cálculo estequiométrico, pues conocemos

n(Al(OH)3 = V· M = 25 ml · 2M = 50 mmoles

3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 3SO42– +2Al3+ + 6 H2O

3 mol H2SO4 2 mol Al(OH)3 ————— = —————— n(H2SO4) 50 mmoles

n(H2SO4) = 75 mmol n (H2SO4) 75 mmol

[H2SO4] = ————— = ———— = 0,75 M V(H2SO4) 100 ml

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Ejercicio D: Si 10,1 ml de vinagre han necesitado 50,5 ml de una base 0,2 N para su neutralización. a) Cuál será la normalidad del ácido en el vinagre; b) Suponiendo que su acidez se debe al ácido acético (ácido etanoico). ¿Cuál es el porcentaje en peso del ácido acético si la densidad del vinagre es de 1,06 g/ml?

a) Vácido x Nácido = Vbase x Nbase

50,5 ml x 0,2 N Nácido = —————— = 1 N Mácido = 1 M 10,1 ml

b) Supongamos que tenemos un litro de vinagre:m(á. acético) = Molaridad x M x V =

= 1 mol/L x 60 g/mol x 1 L = 60 g msoluto 60 g

% = ———— x 100 = ——— x 100 = 5,66 % mdisolución 1060 g

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Química 2º Bach 1. Contenidos 1.- Características de ácidos y bases 2.- Evolución histórica...

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