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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.
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 3
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 5
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]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 6
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
[Lectura: Petrucci 17.2]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 7
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
[Lectura: Petrucci 17.9]
ácido de Lewis
base de Lewis
aducto
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases en disolución
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 9
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 referirnos 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
[Lectura: Petrucci 17.3]
Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 10
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 11
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
[Lectura: Petrucci 17.3]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 12
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 13
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
[Lectura: Petrucci 17.4]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 14
Ácidos y bases fuertes
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
[Lectura: Petrucci 17.4]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 15
Ácidos y bases fuertes
Ejemplo: Disolución saturada de Ca(OH)2(ac). ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [Ca(OH)2: solubilidad a 25ºC 0,16 g/100 ml.]
2
2 2( ) ( )( ) ( ) 2s acCa OH Ca OH Ca OH s 2s( )s
2 32H O H O OH w w
2[ ]Ca
3[ ]H O
[ ]OH
s
w
2s 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
• [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw
2 2[ ][ ] psCa OH K
• la concentración de base disuelta e ionizada es su solubilidad molar
2s
4 13log2,3 10 12,64pH
[Lectura: Petrucci 17.4]
1
20,16 ( )
100 dsln
g Ca OH
ml
0,022M
2
2
1 ( )
74,1 ( )
mol Ca OH
g Ca OH
1000
1
ml
l
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases débiles
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 17
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
[Lectura: Petrucci 17.5]
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)
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 18
Ácidos débiles
Fu
erza d
el á
cid
o
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 19
Bases débiles
Fu
erza d
e la b
ase
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 20
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 OH- proceden de la ionización del agua
• los A- proceden de la ionización del ácido
[Lectura: Petrucci 17.5]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 21
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 22
Bases débiles
[Lectura: Petrucci 17.5]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 23
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
[Lectura: Petrucci 17.5]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 24
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 3HF H O F H O x xx
2 32H O H O OH w w
0,00072M
111,4 10 M
14
3[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
[Lectura: Petrucci 17.5]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 25
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 3HF H O F H O x xx
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 26
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 27
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 28
Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles)
[Lectura: Petrucci 17.5]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 29
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos polipróticos
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 31
Ácidos polipróticos
[Lectura: Petrucci 17.6]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 32
Ácidos polipróticos
[Lectura: Petrucci 17.6]
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
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 33
Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico H2SO4
[Lectura: Petrucci 17.6]
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
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