6-Equilibrios Acido Base I

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

6. Equilibrios ácido-base I6. Equilibrios ácido-base I

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

ContenidosContenidos

Equilibrios ácido-base IEquilibrios ácido-base I

• Ácidos y basesÁcidos y bases• Producto iónico del agua.Producto iónico del agua.• Disoluciones neutras, ácidas y básicas. Disoluciones neutras, ácidas y básicas. • Concepto de pH. Concepto de pH. • Ácidos y bases fuertes y débiles: KÁcidos y bases fuertes y débiles: Kaa y K y Kbb. . • Grado de ionización. Grado de ionización. • Ácidos polipróticos. Ácidos polipróticos.


Bibliografía recomendadaBibliografía 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 basesÁcidos 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 Og ac acHCl H Cl

2( ) ( ) ( )H Os ac acNaOH Na OH

[Lectura: Petrucci 17.1]



• 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 ácidobase

3 2 4NH H O NH OH ácidobase

3 2 4NH H O NH OH 3 2 4NH H O NH OH

ácido base

ácidobase ácido base

2 3HCl H O Cl H O ácido base

conjugadosconjugados



• 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 Ácidos y bases en disolucióndisolución


Equilibrio de autoionización. Producto iónico del aguaEquilibrio 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 73[ ] [ ] 1,0 10 1,0 10H O OH M a 25ºC:

3[ ] [ ]H O OH wK

ácidobase ácido basedébil débil fuerte fuerte

H H

Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base

14 73[ ] [ ] 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 pKpH, pOH y pK

Def.:

43[ ] 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 wpKwK


pH, pOH y pKpH, 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

ezBasicidad



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

34,35 log[ ]H O 3log[ ] 4,35H O 4,35 53[ ] 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 fuertesÁcidos 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

4HClO3HNO

2 4H SO (sólo la 1ª ionización)

LiOH NaOH KOHRbOH CsOH

2Mg OH 2Ca OH

2Sr OH 2Ba OH[Lectura: Petrucci 17.4]


Ácidos y bases fuertesÁcidos y bases fuertesEjemplo: 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 ww

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



Ácidos y bases fuertesÁcidos y bases fuertesEjemplo: 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.]

22 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

sw

2s w

0,022M132,3 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 13log 2,3 10 12,64pH [Lectura: Petrucci 17.4]

1

20,16 ( )100 dslngCa OHml

0,022M

2

2

1 ( )74,1 ( )mol Ca OHgCa OH

10001mll


Ácidos y bases Ácidos y bases débilesdébiles


Ácidos y bases débilesÁcidos y bases débiles

Es necesario considerar su equilibrio de ionización

2 3HA H O A H O Constante de ionizacióno de acidez del ácido HA


3[ ][ ][ ] a

A H O KHA

2B H O HB OH Constante de ionizacióno de basicidad de la base B

[ ][ ][ ] b

HB OH KB

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 débilesÁcidos débilesFuerza del ácido


Bases débilesBases débiles

Fuer

za d

e la

bas

e


Ácidos débilesÁcidos débilesDisolución 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

xx 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


3[ ][ ][ ] a

A H OK

HA

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

2

0a

x Kc x

20 0a ax K x K c

2 42

a a o aK K c Kx

0c

2

0a

x Kc

11

11

22

22

0 ax c K

wKwx

0¿4 ?ac K

0¿4 ?ac K

SINO


2

0

;ax Kc x

20 0 ;a ax K x K c

04 :ac K

2 42

a a o aK K c Kx

0x

Si

42

a o aK c Kx

04 a ac K K

204 a ac K K

o ac K

2

0a

x Kc

que equivale a aproximar 0 0c x c

20 ax c K

La aproximación se hace para calcularPara calcular la concentración de equilibrio de HA se puede usar 0c x

x




2

0b

x Kc x

20 0b bx K x K c

2 42

b b o bK K c Kx

2

0b

x Kc

11 22

0 bx c K

wKwx

0¿4 ?bc K SINO

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 OH KB

[ ]HB

[ ]OH

3[ ]H O

xx 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

0c11 22


Ácidos débilesÁcidos débilesEjemplo: 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

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K


43[ ][ ] 6,6 10[ ] a

F H O KHF

0,15M

39,9 10x

0¿4 ?ac K 0,60 0,00066 0,60 SI

[ ]F

3[ ]H O

[ ]OH

xx w w

x

[ ]HF 0c x 0c

2

0a

x Kc

0 ax c K

0,0099M

wKwx

14

3

1,0 109,9 10

121,0 10

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

3log9,9 10 2,00pH


Ácidos débilesÁcidos débilesEjemplo: 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

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K


43[ ][ ] 6,6 10[ ] a

F H O KHF

0,00078M

47,2 10x

0¿4 ?ac K 0,0060 0,00066 0,0067 NO

[ ]F

3[ ]H O

[ ]OH

xx w w

x

[ ]HF 0c x

2

0a

x Kc x

wKwx

14

4

1,0 107,2 10

111,4 10

2 42

a a o aK K c Kx

0,00072M

0,00099o ac K

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

4log 7,2 10 3,14pH


Ácidos débilesÁcidos débilesEjemplo: 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

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

3[ ][ ][ ] a

F H O KHF

3,14 43[ ] 10 7,2 10x H O

[ ]F

3[ ]H O

[ ]OH

xx w w

x

[ ]HF 0c x

4 24

0

(7,2 10 ) 6,6 100,0015 0,00072a

x xKc x



2B H O HB OH x xx

2 32H O H O OH w w

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

9[ ][ ] 1,5 10[ ] b

HB OH KB

[ ]HB

[ ]OH

3[ ]H O

xx 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 SI2

0b

x Kc

0 bx c K

wKwx

14

6

1,0 101,5 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



2B H O HB OH x xx

2 32H O H O OH w w

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

[ ][ ][ ] b

HB OH KB

[ ]HB

[ ]OH

3[ ]H O

xx 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 2

96

0

(1,5 10 ) 1,5 100,0015 1,5 10b

x xKc x

14,00 8,18 5,82pOH

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


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

[ ]A x[ ]HA 0c x

0 0

[ ]A xc c

Molaridad de ácido ionizadoMolaridad de ácido inicial

0c 0 (1 )c

3[ ]H O x 0c

2 20

0 (1 ) ac

Kc

20

(1 ) ac K

100%

0c

Ácido fuerte

Ácido débil

1

0

0,5

2

0

42

a a o aK K c Kc


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

0,00072 0,48 48%0,0015

0,0099 0,066 6,6%0,15


Ácidos polipróticosÁcidos polipróticos




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

3 4 2 2 4 3H PO H O H PO H O 31 7,1 10aK

82 6,2 10aK

133 4,4 10aK

x x x

y y y

z z z

3 4[ ]H PO2 4[ ]H PO

24[ ]HPO

34[ ]PO

3[ ]H O

[ ]OH

x y y z zx y z w w

][]][[

24

334

HPOOHPO

][]][[

42

324

POHOHHPO

][]][[

43

342

POHOHPOH

22 4 2 4 3H PO H O HPO H O

2 34 2 4 3HPO H O PO H O

2 32H O H O OH w w

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

0c x x 2 1( )a aK Ky 3 2( )a aK K

x 1(& )w aK K

2

10

ax Kc x

2ay K

3az x Ky

wx w K

y

1x

2

z

w

3

4




3 4[ ]H PO2 4[ ]H PO

24[ ]HPO

34[ ]PO

3[ ]H O

[ ]OH

x y y z zx y z w w

0c x xy

x

2

10

ax Kc x

2ay K

3az x Ky

wx w K

y

1x

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 SI2

10

ax Kc

30 1 3,00 7,1 10ax c K 1

82 6,2 10ay K 2

3ayz Kx

0,15x 8

13 196,2 104,4 10 1,9 100,15

3

4 wKwx

14

141,0 10 6,7 100,15

2,85M0,15M

0,15M

86,2 10 M 191,9 10 M

146,7 10 M

log0,15 0,82pH


Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico HÁcidos polipróticos: El ácido sulfúrico H22SOSO44


2 4[ ]H SO4[ ]HSO

24[ ]SO

3[ ]H O

[ ]OH

0c x x

0c x w w

0

0c x

02

0

( )a

x c x Kc x

0

wKwc 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

22 1,1 10aK

0( )c 0c 0c

x x x

24 3

4

[ ][ ][ ]

SO H OHSO

24 2 4 3HSO H O SO H O

2 32H O H O OH w w

143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K

02

0a

c x Kc

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 10

0,51

2 0,011ax K

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