UNIDAD 7 EQUILIBRIO ACIDO BASE II PARTE. Esta Unidad está enfocada hacia el estudio del equilibrio ácido-base, el concepto de ph y su aplicación.

INSTITUTO TECNOLOGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE QUIMICA

CURSO: QU-1107 QUIMICA BASICA II

SISTEMA DE INSTRUCCION PERSONALIZADA (S.I.P.)

UNIDAD 7

EQUILIBRIO ACIDO BASE II PARTE

CONTENIDOS TEMATICOS

7. DEPENDENCIA DE LA ACIDEZ CON LA CONCENTRACIÓN Y LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

7.1 pH y pOH

7.1.1 Ácidos y bases

- Fuerza de los ácidos y bases.

7.1.2 Resolución de ejercicios.

I INTRODUCCION

Esta Unidad está enfocada hacia el estudio del equilibrio ácido-base, el concepto de pH y su aplicación.

Como anteriormente se ha estudiado, la constante de equilibrio para la ionización de un ácido en disolución acuosa se llama constante de ionización ácida( Ka) y para una base en disolución acuosa Kb para una ionización básica.

La fuerza de un ácido o una base es la capacidad o tendencia que tiene esta especie para ceder (para un ácido) o aceptar un protón (en las bases). A una temperatura dada, la fuerza del ácido o de la base puede medirse cuantitativamente mediante la magnitud del valor de Ka o Kb respectivamente. Cuanto mayor sea el valor de la constante, más fuerte será el ácido o la base, puesto que mayor será la capacidad de la especie para generar iones H3O¹⁺ o de OH^1- en el equilibrio y como todo equilibrio este puede variar la concentración de las especies cuando este se alcanza dependiendo de la concentración inicial del ácido o la base, es por ello que la [H3O⁺] depende de la constante de ionización Ka y concentración inicial del ácido y la [OH^-] depende de la constante de ionización Kb y la concentración inicial de la base.

A partir de los valores de la Ka o de la Kb se puede calcular la concentración inicial del ácido o de la base respectivamente; la concentración de los iones H3O⁺ o de OH^- y el pH o pOH de la disolución, o bien se puede usar la Ka o la Kb y la concentración inicial del ácido o de la base para calcular las concentraciones de equilibrio de todas las especies y el pH o pOH de la disolución.

Como los equilibrios son de ionización al cambio de la condición inicial al equilibrio se le puede expresar en términos de un porcentaje de ionización, el cual se define como:

%I de un ácido = [H3O⁺]e x 100 y al %I de una base = [OH^-]e x 100

[HA]i [B]i

Para calcular las concentraciones de equilibrio de una disolución de un ácido o de una base, se sigue el principio de la ley de acción de masas, y las etapas básicas del cálculo son:

1. Escribir la ecuación de ionización del ácido o de la base.

2. Expresar las concentraciones de equilibrio de todas las especies en términos de concentraciones iniciales y de la incógnita X, la cual representa el cambio en la concentración.

3. Escribir la expresión Ka o Kb según corresponda en términos de las concentraciones de equilibrio. Si se conoce el valor de Ka o de Kb, se puede resolver la ecuación para conocer X.

4. Con el valor de X, se calculan las concentraciones de equilibrio de todas las especies y el pH (o pOH)de la disolución.

Para la resolución de un ejercicio de equilibrio ácido-base se deben tomar ciertas consideraciones:

1. Es importante tener presente la dependencia que existe entre los valores de Ka y Kb con la temperatura, solo en aquellos casos en que no se mencione la temperatura, ésta se supondrá 25°C.

2. El empleo de aproximaciones permite al estudiante realizar cálculos de equilibrio ácido-base de manera más rápida.

3. Cuando queda una ecuación cuadrática que resolver, se hace uso de las aproximaciones. Existen varios criterios, entre ellos se puede utilizar la siguiente prueba: valor de constante/[especie ácido o base]; si el valor obtenido es menor o igual a 2,5x10-³se puede despreciar la X que está sumando o restando en la ecuación. En caso contrario, se tiene que resolver la ecuación. Esta aproximación se puede hacer (y es necesario reportarla dentro de la resolución del problema) ya que el error que se incurre es mínimo (de un 5%).

II OBJETIVOS:

1. A una temperatura dada relacionar los valores de pH y de pOH con el carácter ácido, básico o neutro de una disolución.

2. Calcular la concentración de iones hidronio, iones hidroxilo, % de ionización, pH y pOH de una disolución 3. Calcular la [H3O⁺], la [OH^-] y la constante de ionización a partir de los valores de pH y de pOH de una

disolución y viceversa.

4. Calcular el % ionización de un ácido o de una base.

5. Aplicar el concepto de las aproximaciones para efectuar los cálculos de pH y pOH.

6. Calcular el pH y el pOH de un ácido o de una base fuerte o débil a partir de su concentración y de su respectiva constante de equilibrio o viceversa.

7. Conocer las diferentes formas para determinar experimentalmente el pH y el pOH.

8. Determinar la acidez o basicidad de una disolución para unas condiciones dadas de temperatura y concentración inicial

9. Relacionar el pH o el pOH con la acidez o basicidad de una disolución.

III. PROCESO DE APRENDIZAJE

Utilizando la bibliografía recomendada al final de la Unidad y los apuntes del curso regular de Química Básica II, se recomienda que el estudiante investigue sobre:

1. La fuerza de un ácido o una base y su relación con el valor numérico de la Ka o Kb 2. La definición y la relación de pH, pOH y pKw .

3. La relación entre los valores de pH, pOH con carácter ácido, básico o neutro de una disolución, a una temperatura dada.

4. Cómo calcular: [H3O⁺], [OH^-] y la constante de ionización a partir de los valores de pH y de pOH de una disolución y viceversa.

5. Calcular el pH y el pOH de un ácido o de una base fuerte o débil a partir de su concentración y su respectiva constante de equilibrio.

6. Cómo determinar la concentración necesaria de un ácido o de una base para preparar disoluciones acuosas con un pH establecido.

7. Cómo calcular el pH, pOH y el porcentaje de ionización a partir de las concentraciones de H3O⁺ y de OH- de un ácido o de una base fuerte o débil.

8. El concepto de las aproximaciones para efectuar los cálculos de la [H3O⁺] , [OH^-], pH y pOH.

IV PREGUNTAS DE COMPROBACION

Recuerde que para preguntas y problemas adicionales, usted cuenta con la práctica 7 del Folleto

“Preguntas y problemas para practicar” del curso regular de QU-1107 Química Básica II. (Utilice las constantes del folleto Preguntas y Problemas para practicar del curso QU-1107)

1. Defina pH y pOH.

2. Escriba la ecuación que relaciona el pH con el pOH.

3. Puede el pH de una disolución ser cero o negativo? Si es así, dé ejemplos para mostrar estos valores.

4. El pH de una disolución es 6,7. Con sólo esta afirmación, ¿se puede concluir que la disolución es ácida?

Explique.

5. Ordene las siguientes disoluciones (cuyos valores de pH están reportados a 24°C ) de mayor a menor carácter ácido:

a) jugo de zanahoria, pH= 5,1 g) jugo de limón, pH= 3,0

b) jabón, pH= 11,0 h) jugos gástricos, pH= 1,4

c) clara de huevo, pH= 7,8 i) saliva humana, pH= 6,5 d) limpiadores de tuberías de desague, pOH= 1 j) cerveza, pOH= 10

e) café, pH= 5,0 k) sangre humana, pOH= 6,7

f) vino tinto, pH= 3,7

6. Realice los cálculos respectivos y complete el siguiente cuadro a partir de la información suministrada a 5°C

Disolución [H3O⁺] pH [OH-] pOH

1 5,12

2 14,30

3 2,45

7. Clasifique las siguientes disoluciones acuosas a 25°C en ácidas, básicas o neutras a) 0,27 molar de NH2

1- c) 2,5x10-¹¹ molar de H3O⁺ b) 1,6x10-⁵ molar de HI d) 3,8x10-⁷ molar de H3O⁺

8. Calcule la concentración de H3O+ para las siguientes disoluciones a 60°C:

a) pH= 5,20 c) pOH= 2,96 e) pH= 2,42 b) pH= 16 d) pOH= 8,13 f) pH= 11,21

9. La constante de ionización del ácido dicloroacético a 25°C (CHCl2COOH) es 3,3x10-². Calcule: a) la concentración de H3O⁺ y el pH de una disolución 18 molar de este ácido; b) el porcentaje de ionización del CHCl2COOH en la disolución.

10. Una disolución 0,40 mol/l de un ácido débil, HX, tiene un pH de 4,9 a 25°C. Calcule la Ka del ácido.

11. Calcule la concentración de iones OH^1- en el equilibrio, de una disolución acuosa 0,65 molar de ión cianuro (CN^1-)a 25 C

12. ¿Qué cantidad de NaOH en gramos se necesita para preparar 580 ml de una disolución con pH 8 a 25°C?

13. Se prepara una disolución con 18,4 g de HCl y 662 ml de agua. Calcule el pH de la disolución. Suponga que el volumen de la disolución es también 662 ml.

14. En una disolución acuosa de NH3 la concentración de OH- es 1,8x10^-3 molar a 25°C. Calcule la concentración de NH3(ac) presente.

15. Calcule la concentración de metilamina, H3CNH2, con que se preparó una disolución acuosa cuya concentración de iones hidronio es de 1x10^-10 mol/l.

16. Calcule el porcentaje de ionización en una disolución acuosa de:

a) ácido etanoico 0,0045 mol/l a 50 °C y a 25 °C.

b) ión borato diácido 0,081 mol/l a 10 °C y a 25 °C.

17. Calcule el pH de 300 ml de una disolución de HCl 12 mol/l a 25 °C.

18. Considere una disolución acuosa 0,15 molar de ión fenolato (C6H5O^1-) a 25 °C. Se afirma correctamente que:

La H3O¹⁺ en el equilibrio es de 1,35 x 10^-12 molar.

En el equilibrio la H3O¹⁺ es igual a la de OH^1- El pOH de la disolución es 2,50

La C6H5O^1- en el equilibrio es 4,9 x 10^-3 mol/l El valor de la Kb es 6,31 x 10^-11

19. Con respecto de la acidez de las sustancias, se afirma correctamente que:

A 25ºC e igual concentración, las disoluciones acuosas de HCl y de HI tienen el mismo pH.

Cuanto menor sea la concentración inicial de una base débil, mayor será su % de ionización.

A 25ºC e igual concentración, una disolución acuosa de metilamina tiene un pH mayor que otra de trimetilamina.

A 25ºC, una disolución con un pH de 8, tiene menor concentración de iones OH^-1, que otra con pOH igual a 9.

Cuanto mayor sea el valor de pH, la concentración de iones hidróxido es menor.

V BIBLIOGRAFIA:

1. Brown, T; et al. Química La Ciencia Central, 9 edición, PEARSON Prentice Hall Hispanoamericana, 2004 2. Chang, R. Química, 6a edición, Mc Graw-Hill: México, 1999.

3. Chang, R. Química, 7a edición, Mc Graw-Hill: México, 2002.

4. Masterton, W.L; et al. Química General Superior, 6a edición, Mc Graw-Hill: México, 1989.

5. Mortimer, Ch.E. Química, 5a edición, Iberoamericana: México, 1983.

6. Whitten, K.W; et al. Química General, 3a edición, Mc Graw-Hill: México, 1992.

7. Skoog, D.; West, D y Holler F. "Química Analítica", McGrw-Hill: México, 6a edición, 1995.

VI RESPUESTAS A ALGUNAS DE LAS PREGUNTAS DE COMPROBACIÓN:

3. Sí

4. No, pues el valor del pH neutro depende de la temperatura 5. h > g > h > f > j > e > a > i > k > c > b > d

6. dsln 1: 7,6x10^-6 mol/l, 5,9x10¹⁰ mol/l, 9,23 dsln 2: 5,0x10^-15 mol/l, 0,90 mol/l, 0,046 dsln 3: 0,39, 1,84x10^-15 mol/l, 14,7

7. a. básica, b. ácida, c. básica, d. ácida

8. a. [H3O⁺] = 6,31x10^-6 mol/l, b. [H3O⁺] = 1x10^-16 mol/l, c. [H3O⁺] = 1,1x10^-3 mol/l, d. [H3O⁺] = 7,4x10^-9 mol/l

9. a. [H3O⁺] = 0,75 mol/l, pH = 0,12, b. %I = 4,2%

10. Ka = 3,96x10^-10 11. [OH^-] = 3,3x10^-3 mol/l 12. 2,32 g de NaOH 13. pH = 0,14

14. [NH3] = 0,18 mol/l

15. [H3CNH2] = 4,8x10^-4 mol/l

16. a. 50ºC %I = 5,8%, 25ºC %I = 6,4%, b. 10ºC %I = 0,93%, 25ºC %I = 1,5%

17. pH = -0,90 18. F, F, V, F, F 19. V, V, V, F, F

EQ-11 /08

Replanteada por TVR noviembre 2008 Rev. y ampliada GCP, abril 2009