2 Ka. [ ] x HCOOH [ ] ( ) 52

(1)

Modelo 2018. Pregunta 5A.-

Se dispone de una disolución de ácido metanoico 0,5 M. Calcule: a) El pH de la disolución.

b) El grado de disociación de la base BOH 0,3 M que presenta un pOH igual que el pH de la disolución de ácido metanoico.

c) El volumen de base BOH 0,3 M necesario para neutralizar una disolución de ácido metanoico obtenida al mezclar 50 mL de la disolución del enunciado con 150 mL de agua.

Dato. Ka = 1,85×10−5.

Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y b); 0,5 puntos apartado c). Solución.

a. El ácido metanoico es un ácido débil que se disocia según el siguiente cuadro de reacción. Si se define x como la contracción de ácido disociada:

( )

(

)

(

mol L

)

c x exceso x x Equilibrio . Cond exceso c L mol Iniciales . Cond O H ac HCOO O H HCOOH o o 3 2 − − − + ↔ + − +

El equilibrio se rige por la constante de ionización Ka.

[

] [

]

[

]

c x x x c x x HCOOH O H HCOO Ka o 2 o 3 − = − ⋅ = ⋅ = − +

Teniendo en cuenta que el ácido metanoico es un ácido débil y que su concentración no es muy diluida, se puede hacer la hipótesis de que si x < 0.01 ⇒ co‒ x ≈ co, obteniendo una ecuación de segundo grado mucho mas

sencilla. o 2 c x Ka= x= K_a⋅c_o = 1.85⋅10−5⋅0,5=3.04⋅10−3M<0.01⇒seaceptalahipótesis

La concentración de ácido disociado coincide con la concentración de protones de la disolución y por tanto permite calcular el pH de la disolución.

[

H O

]

log

(

3.04 10

)

2,52 log

pH=− 3 + =− ⋅ −3 =

b. Por la información que podemos extraer del enunciado, el BOH es una base débil, se disocia parcialmente, por lo tanto lo hará de una forma parecida al ácido metanoico, si definimos como α a su grado de disociación:

( )

(

)

(

mol L

)

c c α c α c α Equilibrio . Cond c L mol Iniciales . Cond OH ac B BOH o o o o o − − − + ↔ + −

Conocido el pOH (igual al pH de ácido metanoico) y la concentración inicial, se puede calcular el grado de disociación de la sal.

[ ]

[ ] [ ]

0,3 0.01M 10 α c 10 α 10 α c : 10 OH OH log pOH α c OH ₂_,₅₂ o pOH pOH o pOH o = = = ⇒ =       = ⇒ − = = ₋ ₋ − − − − −

c. El volumen de base necesaria para neutralizar la disolución de ácido, depende del número de moles de ácido que haya que neutralizar, y no del volumen en el que se encuentren disueltos.

La reacción de neutralización entre el ácido y la base es uno a uno:

( )

ac B

( )

ac H O HCOO

BOH

HCOOH+ → − + + + ₂

Para que se produzca neutralización y teniendo en cuenta la estequiometria de la reacción:

(

HCOOH

)

n

(

BOH

)

n =

Por estar en disolución n = M·V

BOH BOH HCOOH HCOOH V M V M ⋅ = ⋅ BOH HCOOH HCOOH BOH V M_M V = ⋅

(2)

mL 3 , 83 L 10 3 , 83 3 , 0 5 , 0 10 50 VBOH= × −3⋅ = × −3 =

Septiembre 2017. Pregunta B3.-

En un laboratorio se dispone de disoluciones acuosas de cianuro de sodio, ácido nítrico y cloruro de calcio. Todas ellas tienen la misma concentración. Indique razonadamente, de forma cualitativa:

a) Cuál será la de mayor pH y cuál la de mayor pOH. b) Cuál o cuáles de ellas tendrán pOH = 7.

c) Cuál o cuáles podrían tener pH = 4.

d) Cuál o cuáles de ellas podrían tener pOH = 3. Dato. pKa: HCN = 9,3.

Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Solución.

• Cianuro de sodio NaCN. Sal básica. Procede un ácido extremadamente débil (HCN) y una base muy fuerte.

− +₊   →  Na CN NaCN H2O

(

básico

)

7 pH : OH HCN O H CN : Hidrólisis fuerte. conjugada base CN hidrólisis No débil. muy conjugado ácido Na 2 >     + → + ≡ ≡ − − − +

• Ácido nítrico HNO3. Ácido fuerte, totalmente disociado

+ −₊

→

+H O NO H O

HNO₃ ₂ ₃ ₃ : pH < 7(ácido)

• Cloruro de calcio CaCl2. Sal neutra. Procede de ácido fuerte (HCl) y base fuerte (Ca(OH)2).

− +₊   →  Ca 2Cl CaCl2 H2O 2

(

neutro

)

7 pH : hidrólisis No débil. muy conjugada base Cl hidrólisis No débil. muy conjugado ácido Ca2 ₌     ≡ ≡ − +

Las definiciones de pH y pOH 

  



_pH₌₋_log_H+_;_pOH₌₋_log_OH− _{, indican que a mayor concentración de} protones (H+_{) mayor acidez y menor pH, de igual forma, a mayor concentración de oxidrilos (OH}‒

) mayor basicidad y menor pOH. Si además se tiene en cuenta que pH + pOH =14, a mayor pH menor pOH, y viceversa, por lo tanto pH > 7 ó pOH < 7 serán de disoluciones básicas, pH < 7 ó pOH > 7 serán de disoluciones ácidas y pH = pOH = 7 serán de disoluciones neutras.

a. Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente:

- La disolución de mayor pH es la más básica (pH > 7), NaCN

- La disolución de mayor pOH será la de menor pH que es la más ácida (pH < 7), HNO3. b. Tendrá pOH = 7 = pH, la disolución neutra, CaCl2.

c. Tendrá pH = 4 la disolución ácida, HNO3.

d. Tendrá pOH = 3 y pH = 11 la disolución básica, NaCN

Junio 2017. Pregunta B4.-

Se preparan 250 mL de una disolución de HCl a partir de 2 mL de un ácido clorhídrico comercial de 36,2% de riqueza en masa y densidad 1,18 g·mL−1. Calcule:

a) La concentración de la disolución preparada y su pH.

b) El pH de la disolución resultante de mezclar 75 mL de la disolución final de HCl con 75 mL de una disolución de NaOH 0,1 M.

c) El volumen de disolución de NaOH 0,1 M necesario para neutralizar 10 mL de la disolución preparada de HCl. Datos. Masas atómicas: H = 1,0; Cl = 35,5.

Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y b); 0,5 puntos apartado c). Solución.

a. Por definición, la concentración de la disolución es:

[

]

(

_{( )}

)

L V HCl n HCl s d+ =

(3)

(

)

(

)

₍

(

₎

)

₍

₎

0,0234molHCl HCl g 5 , 36 HCl mol 1 s d g 100 HCl g 2 , 36 s d ml s d g 18 , 1 s d mL 2 HCl n ⋅ = + ⋅ + + ⋅ + =

[

]

(

_{( )}

)

₀_,₀₉₄mol_L 10 250 0234 , 0 L V HCl n HCl ₃ s d = × = = ₋ +

Para calcular el pH se tiene en cuenta que es un ácido fuerte, por lo tanto se disocia totalmente y por ser monoprótido (un solo protón por molécula) coincidirá la concentración de protones con la concentración inicial del ácido: + − ₊ → + H O Cl H O HCl 2 3

[

H3O+

]

=

[

HCl

]

_o =0,094

⇒

pH=−log

[

H3O+

]

=−log

(

0,094

)

=1,03

b. Reacción de neutralización entre un ácido fuerte y una base fuerte, la reacción se produce hasta que uno de los reactivos se agota. Los cálculos se pueden hacer de dos formas diferentes, en moles o en concentraciones.

En moles:

(

)

75 10 L 7,05 10 molHCl L mol 094 , 0 M V HCl n = ⋅ = ⋅ × −3 == × −3

(

)

75 10 L 7,5 10 molNaOH L mol 1 , 0 M V NaOH n = ⋅ = ⋅ × −3 = × −3

(

)

(

mol

)

0 7,5 10 7,05 10 7,05 10 exc finales . Cond exc 10 5 , 7 10 05 , 7 mol iniciales . Cond O H NaCl NaOH HCl 3 3 3 3 3 2 − − − − − × × − × ≈ − × × + → +

(

)

4 exc 4,5 10 NaOH n = × − ⇒_n

[

]

(

)

( )

_L ₂4,₇₅5 10₁₀ 3 10 molL V NaOH n NaOH 4₃ 3 total − − − × = × ⋅ × = =

Por ser una base fuerte:

[ ]

[

]

3

exc

final NaOH 3 10

OH = = × − pOH=−log

[ ]

OH− =−log

(

3×10−3

)

≈2,52

48 , 11 52 , 2 12 pOH 14 pH= − = − = En concentraciones:

Al mezclar las disoluciones se produce dilución y por tanto habrá que empezar recalculando las concentraciones de ambas sustancias en la disolución final.

Para calcular la concentración final en un proceso de dilución se utiliza la igualdad:

(

iniciales

)

n

(

finales

)

ni = i Mo⋅Vo=Mf ⋅Vf f o o f V V M M = ⋅

(

)

(

)

₀_,₀₄₇mol_L 10 150 10 75 094 , 0 V V HCl M HCl M 3₃ f o o = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = ₋ −

(

)

(

)

₀_,₀₅mol_L 10 150 10 75 1 , 0 V V NaOH M NaOH M 3₃ f o o = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = ₋ −

(

)

(

mol L

)

0 0,05 0,047 0,047 exc finales . Cond exc 05 , 0 047 , 0 L mol iniciales . Cond O H NaCl NaOH HCl ₂ − ≈ − + → +

[

_NaOH

]

₌₃_×₁₀−3mol_L

Por ser una base fuerte:

[ ]

[

]

3

exc

final NaOH 3 10

OH = = × − pOH=−log

[ ]

OH− =−log

(

3×10−3

)

≈2,52

48 , 11 52 , 2 12 pOH 14 pH= − = − =

c. La reacción de neutralización es 1 a 1, por lo tanto:

(

NaOH

)

n

(

HCl

)

n = HCl HCl NaOH NaOH M V M V ⋅ = ⋅

(4)

mL 4 , 9 L 10 4 , 9 1 , 0 094 , 0 10 10 M M V V 3 3 NaOH HCl HCl NaOH = × ⋅ = × = ⋅ = − −

Junio 2017. Pregunta A2.-

Calcule el pOH de las siguientes disoluciones 0,20 M. a) CH3COOH; pKa= 5.

b) Ca(OH)2. c) NH3; pKb = 5.

Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y c); 0,5 puntos apartado b). Solución.

a. Ácido débil. Se ioniza parcialmente según el siguiente equilibrio:

α c α c exc α c c equilibrio Cond. exc c iniciales Cond. O H COO CH O H COOH CH o o o o o 3 3 2 3 − − − + − ⇔ + − − +

La constante de acidez para el equilibrio de ionización del ácido etanoico es:

[

] [

]

[

CH COOH

]

O H COO CH K 3 3 3 a ₋ ⋅ − = − +

Sustituyendo las concentraciones por los valores del cuadro de equilibrio se llega a la ley de dilución de Ostwald:

(

)

1 α α c α 1 c α c α c K 2 o o o o a = ⋅₋ = ₋

Para ácidos débiles en concentraciones no muy diluidas, como en este caso, se puede hacer la hipótesis de que si α < 0,05 ⇒ 1 ‒α≈1, por lo que la expresión de la ley de Ostwald se reduce a:

2 o a c α K =

{

}

7,07 10 0,05 2 , 0 10 10 10 K c K α 3 5 5 pK a o a ₌ ₌ a ₌ ₌ ₌ _× _< = − − − − se acepta la hipótesis

[

H₃O+

]

=c_oα=₀_,₂⋅₇_,₀₇×₁₀−3=₁_,₄₁×₁₀−3mol_L

[

H O

]

log

(

1,41 10

)

2,85 log pH=− 3 + =− × −3 = ⇒pOH=14−pH=15−2,85=11,15 b. Base fuerte. Se disocia totalmente:

( )

o 0 o 2 O H 2 c 2 c 0 finales Cond. c iniciales Cond. OH Ca OH Ca 2 ≈ − − +   →  + −

[ ]

_OH− =₂_c_o=₂⋅₀_,₂=₀_,₄mol_L pOH=−log

[ ]

OH− =−log0,4≅0,4 c. Base débil. Se ioniza parcialmente según el siguiente equilibrio:

α c α c exc α c c equilibrio Cond. exc c iniciales Cond. OH NH O H NH o o o o o 4 2 3 − − − + ⇔ + + −

La constante de basicidad para el equilibrio de ionización del amoniaco es:

[ ] [ ]

[

3

]

4 b NH_NHOH K − + _⋅ =

Sustituyendo las concentraciones por los valores del cuadro de equilibrio se llega a la ley de dilución de Ostwald:

(

)

1 α α c α 1 c α c α c K 2 o o o o b = ⋅₋ = ₋

Para débiles en concentraciones no muy diluidas, como en este caso, se puede hacer la hipótesis de que si

α < 0,05 ⇒₁‒α≈1, por lo que la expresión de la ley de Ostwald se reduce a:

2 o b c α K =

{

}

7,07 10 0,05 2 , 0 10 10 10 K c K α 3 5 5 pK b b ₌ ₌ b ₌ ₌ ₌ _× _< = − − − − _{se acepta la hipótesis}

(5)

[ ]

OH− =c_oα=₀_,₂⋅₇_,₀₇×₁₀−3=₁_,₄₁×₁₀−3mol_L

[ ]

OH log

(

1,41 10

)

2,85 log

pOH=− − =− × −3 =

Septiembre 2016. Pregunta 4A.-

El ácido benzoico tiene un pKa = 4,2.

a) Calcule la concentración que debe tener una disolución de este ácido para que el pH sea 2,3. b) Determine la masa de Ba(OH)2 necesaria para neutralizar 25 mL de la disolución del apartado a). c) Justifique si la disolución resultante del apartado b) presenta pH ácido, básico o neutro.

Datos. Masas atómicas: H = 1,0; O = 16,0; Ba = 137,3.

Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartado a) y b); 0,5 puntos apartados c) Solución.

a. El ácido benzoico

(

C6H5−COOH

)

es un ácido débil que en disolución se encuentra parcialmente disociado según el siguiente cuadro de reacción:

Si se denomina por co la concentración inicial del ácido y por x a la concentración de ácido disociada

( )

(

)

(

mol L

)

c x exceso x x equilibrio s Condicione exceso c L mol iniciales s Condicione O H aq COO H C O H COOH H C o 1 o 1 6 5 2 6 5 3 − ⋅ − − ⋅ + ↔ + − − + −

El equilibrio esta regido por la constante de acidez:

[

] [

]

[

]

pKa 2 o 5 5 3 5 6 a C H_CCOO_H _COOHH O _cx x_x ₁x _x 10 K − + − = − = − ⋅ = ⋅ =

La concentración de protones se relaciona con el pH

[

]

pH

3O x 10

H + = = −

Sustituyendo en la expresión de Ka el valor de x por 10−pH, se despeja la concentración inicial del ácido:

     = = − − − 3 , 2 2 , 4 o 2 10 x 10 x c x ;

(

)

₂_,₃ 4,2 o 2 3 , 2 10 10 c 10 − − − = − ; 1 2 , 4 6 , 4 3 , 2 o 0,4mol L 10 10 10 c ₋ − − − ₊ ₌ _⋅ =

b. Reacción de neutralización ácido base:

(

OH

)

2C H COO

( )

aq Ba

( )

aq 2H O Ba COOH H C 2 6 5 + 2 → 6 5 − + 2+ + 2

Teniendo en cuenta la estequiometria del proceso, el cálculo se realiza por factores de conversión.

( )

(

)

(

)

(

)

( )

2 2 2 5 6 2 5 6 3

2 25 10 Ld s 0,4mol_LC_dH_sCOOH ₂_mol1mol_CBa_HOH_COOH 171_mol,3g_BaBa_OHOH 0,86gBaOH

OH Ba m ⋅ ⋅ = + ⋅ + × = −

c. Por tratarse de un ácido débil, al neutralizarse se genera una base conjugada fuerte

(

C₆H₅COO−

)

que reacciona con el agua en el proceso de hidrólisis generando una disolución alcalina (pH > 7), por otro lado, el catión Ba2+ es un ácido conjugado débil que no puede hidrolizarse.

− −₊_H _O_↔_C _H _COOH₊_OH COO

H

C6 5 2 6 5 pH>7

(

básico

)

Junio 2016. Pregunta B2.-

Se tienen disoluciones de las siguientes sustancias HNO3, HNO2, CH3NH2 y NaNO3,

en distintas concentraciones. Conteste razonadamente: a) ¿Cuál o cuáles pueden tener pOH = 5?

b) ¿Cuál o cuáles pueden presentar una concentración de H3O+ 10−4 M?

c) ¿Con cuál de ellas se puede mezclar la disolución de CH3NH2 para que la disolución resultante sea siempre

básica, independientemente de la proporción en la que se mezclen?

d) ¿Pueden prepararse disoluciones independientes de HNO3 y HNO2 que tengan el mismo pH?

Datos. Ka (HNO2) = 4,5 ×10−4; Kb (CH3NH2) = 3,7×10−4.

(6)

• HNO3. Ácido fuerte, HNO3+H2O→NO3−+H3O+. pH < 7 • HNO2. Ácido débil, HNO2+H2O↔NO2−+H3O+. pH < 7 • CH3NH2. Base débil, CH3NH2+H2O↔CH3NH3++OH−. pH > 7

• NaNO3. Sal neutra, formada por catión de base fuerte (NaOH) y anión de ácido fuerte (HNO3). pH = 7

La única disolución que puede dar pH básico es la de metilamina. b. Una concentración 10‒4_{M de H}

3O+, produce un pH=−log

[

H3O+

]

=−log

( )

10−4 =4, ácido, por lo tanto las

únicas disoluciones que podrían producir un pH ácido serian las de ácido nítrico (HNO3) o la de ácido nitroso (HNO2). c. La única disolución que no neutralizaría la disolución básica seria la disolución de sal neutra (NaNO3) las otras

dos disoluciones neutralizarían la disolución y podrían llegar a producir un pH ácido.

d. Si, preparando una disolución de de ácido nítrico cuya concentración fuese ₁₀−pH

(

HNO2

)

_.

[

]

pH

(

HNO2

)

3 10

HNO = −

Junio 2016. Pregunta A5.-

Se tienen dos disoluciones acuosas (1) y (2) del mismo ácido monoprótico. La disolución (1) tiene un pH de 3,92 y un grado de disociación del 2%. La disolución (2) tiene una concentración 0,05 M. Calcule:

a) La constante de disociación del ácido. b) El pH de la disolución (2).

c) El pH de la disolución resultante de mezclar 10 mL de (1) y 10 mL de (2). Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y c); 0,5 puntos apartado b). Solución.

a. Reacción de disociación de ácido débil. Si se denomina α al grado de disociación y co la concentración inicial,

el cuadro de reacción queda de la siguiente forma:

(

)

(

mol L

)

c c α Exc c α c α Equilibrio . C Exc c L mol Iniciales . C O H A O H HA o o o o o 3 2 − − − + ↔ + − +

Conocido el grado de disociación de la disolución 1 y su pH, se puede calcular su concentración inicial.

[

]

[

]

6 10 M 02 , 0 10 α 10 c 10 α c : α c O H O H log pH pH 3,92 3 o pH o o 3 3 − − − − + + ⋅ = = = ⇒ =     = − =

Conocida la concentración inicial y el grado de disociación, se calcula la constante de disociación del ácido.

[ ] [

]

[ ]

6 2 3 2 o o o o o 3 a ₁ _α 6 10₁ ₀_,₀₂0,02 2,45 10 α c α c c α c α c HA O H A K − − + − ⋅ = − ⋅ ⋅ = − = − ⋅ = ⋅ =

b. Aplicando el mismo equilibrio y utilizando la constante del ácido calculada en el apartado a:

[ ] [

]

[ ]

1 α α c α c c α c α c HA O H A K o 2 o o o o 3 a ₋ = ₋ ⋅ = ⋅ = + − Hipótesis: Si α < 0,05, 1 ‒α≈ 1 05 , 0 007 , 0 05 , 0 10 45 , 2 c K α α c K 6 o a 2 o a = ⇒ = = ⋅ = < − Se acepta la hipótesis

[

H₃O+

]

=0,05⋅0,007=3,5⋅10−4M

[

H O

]

log

(

3,5 10

)

3,46 log pH=− ₃ + =− ⋅ −4 =

c. Se calcula la concentración de la disolución resultante. 10 mL

[

H3O+

]

= 6·10 ‒3_{M + 10 mL}

_[

_H 3O+

]

= 0,05 M M 10 20 05 , 0 10 10 10 6 10 10⋅ −3⋅ ⋅ −3+ ⋅ −3⋅ = ⋅ −3⋅

(7)

M 028 , 0 10 20 05 , 0 10 10 10 6 10 10 M 3 3 ₃ 3 = ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = − − ₋ −

Conocida la concentración resultante, se opera igual que en el apartado anterior

Aplicando el mismo equilibrio y utilizando la constante del ácido calculada en el apartado a:

[ ] [

]

[ ]

1 α α c HA O H A K 2 o 3 a = ⋅ = ₋ + − Hipótesis: Si α < 0,05, 1 ‒α≈ 1 05 , 0 10 35 , 9 028 , 0 10 45 , 2 c K α α c K 6 3 o a 2 o a = ⇒ = = ⋅ = ⋅ − < − Se acepta la hipótesis

[

H3O+

]

=0,028⋅9,35⋅10−3=2,62⋅10−4M

[

H O

]

log

(

2,62 10

)

3,58 log pH=− 3 + =− ⋅ −4 =

Modelo 2016. Pregunta 4B.-

El color de las flores de la hortensia (hydrangea) depende, entre otros factores, del pH del suelo en el que se encuentran, de forma que para valores de pH entre 4,5 y 6,5 las flores son azules o rosas, mientras que a pH superior a 8 las flores son blancas. Dadas las siguientes disoluciones acuosas: Ca(NO3)2, (NH4)2SO4,

NaClO y NH3, indique razonadamente:

a) ¿Qué disolución/es añadiría al suelo si quisiera obtener hortensias de color blanco? b) ¿De qué color serán las hortensias si añadiese al suelo una disolución de (NH4)2SO4?

Datos. Ka (HClO) = 3,1×10−8; Kb (NH3) = 1,8×10−5. Puntuación máxima por apartado: 1 punto.

Solución.

• Ca(NO3)2 Sal neutra, sus iones proceden de base fuerte (Ca(OH)2) y de ácido fuerte (HNO3), no producen

hidrólisis y por tanto el pH es neutro. pH = 7

• (NH4)2SO4 Sal ácida. El amonio (NH4+) es un ácido conjugado fuerte ya que procede de una base débil (NH3),

produce hidrólisis, mientras que el sulfato procede de un ácido fuerte y no produce hidrólisis. +

+₊_H _O_↔_NH ₊_H _O

NH₄ ₂ ₃ ₃ pH < 7

• NaClO Sal básica. El hipoclorito (ClO‒

) es una base conjugada fuerte porque procede de un ácido débil (HClO), produce hidrólisis, el catión sodio procede de una base fuerte y no produce hidrólisis

− −₊_H _O_↔_HClO₊_OH

ClO 2 pH > 7

• NH3 Base débil NH3+H2O↔NH+4+OH− pH > 7

a. Deberíamos añadir disoluciones básicas, en este caso, disoluciones de hipoclorito de sodio (NaClO) o de amoniaco (NH3).

b. Por tratarse de una sal ácida, serán de color azul o rosa.

Modelo 2016. Pregunta 3A.-

Un vinagre que contiene un 5 % en masa de ácido acético tiene un pH de 2,4. Calcule:

a) La concentración molar inicial de la disolución del ácido. b) La densidad del vinagre.

Datos. Ka (CH3COOH) = 1,8 ×10−5. Masas atómicas: H = 1, C = 12, O = 16. Puntuación máxima por apartado: 1 punto

Solución.

a. El ácido acético es un ácido débil que se disocia parcialmente, si se define por x a la concentración molar de ácido disociado, el cuadro de reacción queda de la siguiente forma:

x x exceso x c Equilibrio . Cond exceso c Iniciales . Cond O H COO CH O H COOH CH o o 3 3 2 3 − − − + − ↔ + − − +

(8)

[

] [

]

[

]

c x x COOH CH O H COO CH K o 2 3 3 3 a ₋ = ₋ ⋅ − = − +

De la expresión de la constante se puede despejar la concentración inicial (concentración molar del ácido acético) a 2 o K x x c = +

La concentración molar de ácido disociado (x) se puede obtener del pH

[

] [

]

pH 3 3O H O x 10 H log pH=− + → + = = −

Sustituyendo en la expresión de la concentración inicial:

(

)

(

)

₀_,₈₈_M 10 8 , 1 10 10 K 10 10 c ₅ 2 4 , 2 4 , 2 a 2 pH pH o = × + = + = − − − − ₋

b. Por factores de conversión:

(

CH3−COOH≡C2H4O2

)

(

)

(

)

( ) 2 4 2 3 s d 2 4 2 2 4 2 3 s d s d 2 4 2 cm g 056 , 1 O H C g 5 g 100 O H C mol O H C g 60 cm 1000 L 1 L O H C mol 88 , 0 d s d = ⋅ ⋅ ⋅ = + + + +

Otra forma; para 1 litro de disolución:

(

)

1L 0,88mol L mol 88 , 0 V M O H C n 2 4 2 = ⋅ = ⋅ =

(

₂ ₄ ₂

)

_m 52,8gC₂H₄O₂ mol g 60 mol 88 , 0 M n O H C m = ⋅ = ⋅ = s d 2 4 2 s d 2 4 2 s s d m 100_% 52,8gC H O ₅100_g_Cg_H _O 1056g m + = ⋅ = ⋅ + = +

Conocida la masa de la disolución y su volumen:

( )

3 3 s d s d s d ₁₀₀₀1056 1,056g_cm cm V g m d = = = + + +

Septiembre 2015. Pregunta 2B.-

En tres matraces sin etiquetar se dispone de disoluciones de la misma concentración de cloruro de sodio, hidróxido de sodio y acetato de sodio.

a) Razone cómo podría identificar cada una de las disoluciones midiendo su pH.

b) Justifique, sin hacer cálculos, cómo se modifica el pH de las disoluciones si se añade a cada matraz 1 L de agua. Dato. pKa (ácido acético) = 4,8.

Puntuación máxima por apartado: 1 punto. Solución.

a. - NaCl. Sal neutra, en agua se disocia totalmente en sus iones.

( )

aq Cl

( )

aq Na

NaCl_H_{ →}2_O + ₊ −

Na+≡ ácido conjugado débil porque procede de una base fuerte (NaOH), no produce hidrólisis. Cl‒

≡ base conjugada débil porque procede una ácido fuerte (HCl), no produce hidrólisis. pH = 7

- NaOH. Base fuerte, en agua se disocia totalmente.

( )

− + ₊   →  Na aq OH NaOH H2O

pH >> 7 disolución fuertemente básica - CH3‒COONa. Sal básica, en agua se disocia totalmente en sus iones.

( )

aq CH COO

( )

aq Na

COONa

CH₃₋ _H_{ →}2_O + ₊ ₃₋ −

Na+_≡_{ácido conjugado débil porque procede de una base fuerte (NaOH), no produce hidrólisis.}

(9)

−

−₊ _↔ ₋ ₊

−COO H O CH COOH OH

CH₃ ₂ Kh ₃

pH > 7

Las disoluciones se podrán diferenciar por pH, siendo su orden de menor a mayor: NaCl < CH3‒COONa < NaOH

b. En la disolución de NaCl, la adición de 1 L de agua no modificará el pH, que seguirá siendo 7. En las otras dos disoluciones, al añadir un litro de agua disminuirá la concentración de OH‒

disminuyendo el pH de la disolución.

Septiembre 2015. Pregunta 4A.-

Un ácido monoprótico presenta una constante de acidez Ka = 2,5×10–5.

a) Calcule la concentración inicial de este ácido necesaria para obtener una disolución con pH = pKa – 2. b) Calcule la masa de KOH necesaria para neutralizar 100 mL de la disolución del ácido del apartado a). c) Razone si el pH resultante de la neutralización del apartado b) es ácido, básico o neutro.

Datos. Masas atómicas: H = 1,0; O = 16,0; K = 39,1.

Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartado a) y b); 0,5 puntos apartados c) Solución

a. Reacción de disociación de ácido débil. Si se denomina por x a la concentración de ácido disociada, y co la

concentración inicial, el cuadro de reacción queda de la siguiente forma:

(

)

(

mol L

)

c x Exc x x Equilibrio . C Exc c L mol Iniciales . C O H A O H HA o o 3 2 − − − + ↔ + − + Por definición:

[ ] [

]

[ ]

c x x HA O H A K o 2 3 a = ₋ ⋅ = + −

[

] [

]

pH 3 3O H O 10 H log pH=− + ⇒ + = −

Según el cuadro de reacción

[

H₃O+

]

=x=10−pH

(

2,5 10

)

2 4,6 2 2,6 log 2 pK pH= _a− =− × −5 − = − = 3 6 , 2 ₂_,₅ ₁₀ 10 x= − = ⋅ − Despejando de la expresión de Ka: x c x K o 2 a = ₋ ; a 2 o x _Kx c − = ;

(

)

2,5 10 0,2525M 10 5 , 2 10 5 , 2 c ₅ 3 2 3 o + × = × × = ₋ − −

b. Reacción de neutralización ácido-base

( )

aq K

( )

aq H O A

KOH

HA+ → − + + + ₂

Reacción uno a uno, por lo tanto:n

( ) (

HA =n KOH

)

El ácido esta en disolución ⇒ _n

( )

_HA =_M_HA⋅_V_HA

La base se presenta en forma sólida ⇒

(

)

(

)

(

KOH

)

M KOH m KOH n =

Igualando se despeja la masa de hidróxido necesaria para la completa neutralización.

(

)

(

₍

)

₎

KOH M KOH m KOH

n = m

(

KOH

)

=MHA⋅VHA⋅M

(

KOH

)

=0,2525⋅100×10−3⋅56,1=1,42gKOH c. Por tratarse de un ácido débil, al neutralizarse, se forma base conjugada fuerte (A‒

), que reacciona con el agua en un equilibrio de hidrólisis, regenerando parte de ácido y liberando OH‒

, que producen en la disolución un pH básico

( )

aq K

( )

aq H O A

KOH

(10)

− = −₊_H _O _↔ _HA₊_OH A w a H _KK K 2

Junio 2015. Pregunta 4A.-

Una disolución acuosa 0,2 M de metilamina tiene pH = 12. a) Escriba la reacción de disociación en agua de la metilamina.

b) Calcule el grado de disociación de la metilamina en la disolución. c) Calcule el pH de una disolución acuosa de hidróxido de potasio 0,2 M.

d) A partir de los resultados anteriores, justifique si la metilamina es una base fuerte o débil. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos apartado a); 0,75 puntos apartados b) y c)

Solución.

a. CH3−NH2+H2O↔CH3−NH3++OH−

b. α≡ grado de disociación de la metil amina; co≡ Concentración inicial

α c α c exc α c c Equilibrio exc c Inicial OH NH CH O H NH CH o o o o o 3 3 2 2 3 − − − + − ↔ + − + −

[ ]

pOH

(

14 pH

)

pH 14 oα 10 10 10 c OH− = = − = − − = − 05 , 0 2 , 0 10 c 10 α 14 12 o 14 pH = = = − − ⇒ α = 5%

c. El KOH es una base fuerte que se disocia totalmente.

M 0,2 M 0,2 0 Final -M 2 , 0 Inicial OH K KOH H2O ≈ +   →  + −

[ ]

OH log0,2 0,7 log pOH=− − =− = ⇒_pH=₁₄−_pOH=₁₄−₀_,₇=₁₃_,₃

d. A la vista de los resultados (α = 5%), la metil amina es una base débil, siendo su constante de disociación:

[

] [ ]

[

]

(

)

4 2 2 o o o o 2 3 3 3 b 5,26 10 05 , 0 1 05 , 0 2 , 0 α 1 α c α 1 c α c α c NH CH OH NH CH K − − + × = − ⋅ = − = − ⋅ = − ⋅ − =

Modelo 2015. Pregunta 4B.-

Se tiene 1 L de disolución de hidróxido de sodio cuyo pH es 13. a) Calcule la cantidad (en gramos) de hidróxido de sodio que se ha utilizado en su preparación.

b) Calcule el volumen de agua que hay que añadir a 1 L de la disolución anterior para que su pH sea 12.

c) Calcule el volumen de ácido clorhídrico 0,5 M que hay que añadir a 1 L de la disolución inicial de hidróxido de sodio para conseguir que el pH final sea 7.

d) Explique cuál será el pH de la disolución formada al diluir la disolución final obtenida en el apartado c) hasta el doble de su volumen inicial.

Dato. Masas atómicas: Na = 23; O = 16; H = 1. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Solución.

a. Por tratarse de una base fuerte (totalmente disociada), la concentración de la disolución coincide con la concentración de oxidrilos − +₊   →  Na OH NaOH H2O

[

_NaOH

]

[ ]

_OH ₁₀ pOH ₁₀ (14 pH) ₁₀pH 14 ₁₀13 14 ₁₀ 1 ₀_,₁_M o= − = − = − − = − = − = − =

[

]

(

_{( )}

)

(

)

(

)

( )

L V NaOH M NaOH m L V NaOH n NaOH s d s d o + + = =

(

)

1 40 NaOH m 1 , 0 =

m

(

NaOH

)

=4g

b. Al igual que en el apartado anterior, la concentración de hidróxido de sodio debe ser igual que la de oxidrilos

[

NaOH

]

==10pH−14 =1012−14 =10−2=0,01M

(11)

Aplicando la definición de molaridad y teniendo en cuenta que el número de moles de NaOH no varía, se calcula el nuevo volumen.

[

]

(

_{( )}

)

(

)

(

)

( )

L V NaOH M NaOH m L V NaOH n NaOH s d s d o + + = =

( )

L V 40 4 01 , 0 s d+ =

V_d₊_s

( )

L =10L L 9 1 10 V ∆ = − =

Se deberán añadir 9 litros de agua

c. Reacción neutralización entre un ácido fuerte y una base fuerte

O H NaCl NaOH

HCl+ → + ₂

Reacción uno a uno ⇒ _n

(

_HCl

)

=_n

(

_NaOH

)

Por estar en disolución: MHCl⋅VHCl=MNaOH⋅VNaOH

L 2 , 0 5 , 0 1 1 , 0 M V M V HCl NaOH NaOH HCl = ⋅ = ⋅ =

d. La disolución formada en c) es de NaCl. Por tanto el pH seguirá siendo 7 tras la dilución porque los iones Na+_y

Cl‒

no se hidrolizan al provenir de ácido fuerte y de base fuerte y tener carácter conjugado muy débil.

Modelo 2015. Pregunta 4A.-

Se prepara una disolución añadiendo 4,88 g de ácido benzoico, C6H5COOH, a la

cantidad de agua necesaria para obtener 500 mL de disolución. En dicha disolución el ácido está disociado en un 2,8%. Calcule:

a) La constante de acidez del ácido benzoico, expresada como pKa. b) El pH de la disolución y la concentración de OH–.

c) La concentración que debe tener una disolución de ácido hipocloroso para que tenga el mismo grado de disociación que la de ácido benzoico del enunciado.

Datos. pKa (ácido hipocloroso) = 7,54. Masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16. Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y b); 0,5 puntos apartado c). Solución.

a. El ácido benzoico se disocia según el siguiente cuadro de reacción, donde co es la concentración inicial del ácido

y α es su grado de disociación.

(

)

(

mol L

)

c

(

1 α

)

exceso c α c α equilibrio s Condicione exceso c L mol iniciales s Condicione O H COO H C O H COOH H C o o o o 3 5 6 2 5 6 − − − + ↔ + − +

El equilibrio esta regido por la constante de acidez Ka.

[

] [

]

[

C H COOH

]

O H COO H C K 5 6 3 5 6 a + − _⋅ =

Ka se puede expresar en función de la concentración inicial del ácido de su grado de disociación.

(

)

1 α α c α 1 c α c α c K o 2 o o o a ₋ = ₋ ⋅ =

La concentración inicial del ácido benzoico se obtiene de los datos del enunciado.

(

)

( )

(

)

(

)

( )

0,5L 0,08mol L mol g 122 g 88 , 4 L V COOH H C M COOH H C m L V COOH H C n c s d 5 6 5 6 s d 5 6 o = = = = + +

Conocida la concentración inicial del ácido y su grado de disociación se calcula Ka. 5 2 2 o a ₁ _α 0,₁08₀0_,₀₂₈.028 6,45 10 α c K = × − − ⋅ = − = Conocida la constante, se calcula su pKa.

(

6,45 10

)

4,19 log

K log

pK_a =− _a=− × −5 =

(12)

[ ]

_OH− ₌₁₀−pOH ₌₁₀−(14−pH)₌₁₀pH−14 ₌₁₀2,65−14 ₌₄_,₄₆_×₁₀−12_mol _L

c. El ácido hipocloroso se descompone según el siguiente cuadro de reacción

(

)

(

mol L

)

c

(

1 α

)

exceso c α c α equilibrio s Condicione exceso c L mol iniciales s Condicione O H ClO O H HClO o o o o 3 2 − − − + ↔ + − +

[

] [

]

[

]

1 α α c HClO O H ClO K 3 o 2 a = ₋ ⋅ = + − M 10 58 , 3 028 , 0 028 , 0 1 10 α α 1 10 α α 1 K co a ₂ −pKa ₂ −7,54 ₂ = × −5 − ⋅ = − ⋅ = − =

Nota:En el apartado a y c se puede despreciar α frente a 1 quedando mas sencillos los cálculos y obteniéndose resultados muy similares que serian aceptados. En nuestra opinión no es necesario hacer esta aproximación ya que los cálculos son ya de por si bastante sencillos.

Septiembre 2014. Pregunta 3B.-

Considere los siguientes ácidos y sus valores de pKa indicados en la tabla:

a) Justifique cuál es el ácido más débil.

b) Calcule Kb para la base conjugada de mayor fortaleza.

c) Si se preparan disoluciones de igual concentración de estos ácidos, justifique, sin hacer cálculos, cuál de ellas será la de menor pH.

d) Escriba la reacción entre NaOH y HCN. Nombre el producto formado. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución.

a. La fortaleza de los ácidos esta directamente relacionada con su constante de acidez, a mayor constante de acidez, más disociado se encuentra el ácido y por tanto tiene mayor fuerza. El pKa logarítmicamente inverso al valor de

la constante

(

pKa=−logK_a

)

, a mayor pKa, menor constante y menor fortaleza, por lo tanto el ácido más débil será el de

mayor pKa, el ácido cianhídrico (HCN).

b. La base conjugada de mayor fortaleza será la base conjugad del ácido más débil, por lo tanto será la base conjugad del ácido cianhídrico, cianuro (CN‒

). La constante de basicidad se obtiene mediante la relación entre la constante de un ácido y la de su base conjugada.

w b a K K K ⋅ =

(

)

pKa 9,21 a HCN 10 10 K = − = − ⇒ 4,79 5 21 , 9 14 a w b 10 1,62 10 10 10 K K K ₋ − − − × = = = =

c. El pH de una disolución es logaritmicamente inverso a la concentración de protones

(

pH=−log

[

H₃O+

]

)

, y por tanto inversamente proporcional a la fortaleza del ácido, siendo la disolución del ácido más fuerte (menor pKa) la de menor pH, en este caso la del ácido cloroso (HClO2).

d. Reacción de neutralización entre un ácido extremadamente débil (HCN) y una base fuerte (NaOH).

O H NaCN HCN

NaOH+ → + ₂

Hidróxido de sodio + ácido cianhídrico → cianuro de sodio + agua

Septiembre 2014. Pregunta 4A.-

Para las siguientes reacciones de neutralización, formule la reacción y calcule el pH de la disolución que resulta tras:

a) Mezclar 50 mL de ácido sulfúrico 2 M con 50 mL de hidróxido de sodio 5 M.

b) Añadir 0,1 g de hidróxido de sodio y 0,1 g de cloruro de hidrógeno a un litro de agua destilada. Datos. Masas atómicas: H =1,0; O = 16,0; Na = 23,0; Cl = 35,5.

Puntuación máxima por apartado: 1 punto Solución.

a. Reacción de neutralización: H₂SO₄+2NaOH→Na₂SO₄+2H₂O

(

H SO

)

V M 50 10 L 2mol_L 0,1mol

n ₂ ₄ = ⋅ = × −3 ⋅ =

(

NaOH

)

V M 50 10 L 5mol_L 0,25mol

n ₌ _⋅ ₌ _× −3 _⋅ ₌

(13)

(

)

(

mol

)

0 0,05 0,1 exceso finales s Condicione exceso 1 , 0 1 , 0 2 1 , 0 Reacciona exceso 0,25 0,1 mol iniciales s Condicione O H 2 SO Na NaOH 2 SO H₂ ₄ ₂ ₄ ₂ ≈ ⋅ − − − + → +

Una vez que se agota el ácido sulfúrico, quedan 0,05 mol de NaOH en exceso que dan una concentración de:

[

]

(

)

( )

100 10 0,5M 05 , 0 L V NaOH n NaOH exc ₃ ₌ × = = ₋

El hidróxido de sodio por ser una base fuerte se disocia totalmente originando una concentración de oxidrilos de igual valor. − +₊   →  Na OH NaOH H2O

[ ]

OH− =

[

NaOH

]

_exc=0,5M

[ ]

OH log

( )

0,5 0,3 log pOH=− − =− = ⇒ pH=14−pOH=14−0,3=13,7 b. NaOH+HCl→NaCl+H₂O

(

)

(

)

(

)

2,5 10 mol mol g 40 g 1 , 0 NaOH M NaOH m NaOH n ₌ ₌ _× −3

(

)

(

₍

)

₎

2,74 10 mol mol g 5 , 36 g 1 , 0 HCl M HCl m HCl n = = × −3

La reacción de neutralización se lleva a cabo hasta que se agote alguno de los reactivos

(

)

(

mol

)

0 2,4 10 2,5 10 exceso finales s Condicione exceso 10 2,5 10 2,5 10 2,5 Reacciona exceso 10 2,74 10 2,5 mol iniciales s Condicione O H NaCl HCl NaOH -3 4 -3 -3 -3 -3 -3 2 × × ≈ × × − × − − × × + → + −

Una vez que se agota el hidróxido de sodio, quedan sin reaccionar 2,4×10‒4_{mol de ácido clorhídrico, que al ser}

un ácido fuerte se disocia totalmente originando una concentración de protones de igual valor.

[

]

(

_{( )}

)

2,4 10 M 1 10 4 , 2 L V HCl n HCl exc 4 4 exc − − × = × = = + −₊ → +H O Cl H O HCl ₂ ₃

[

HCl

]

2,4 10 M O H 4 exc 3 + = = × −

[

H O

]

log

(

2,4 10

)

3,62 log pH 4 3 =− × = − = + −

Junio 2014. Pregunta 2B.-

Justifique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

a) Si el pH de una disolución se incrementa en 2 unidades, la concentración de protones en el medio se multiplica por 100.

b) Si una disolución de un ácido fuerte se neutraliza exactamente con una disolución de una base fuerte, el pH resultante es cero.

c) El pH de una disolución acuosa de un ácido jamás puede ser superior a 7. d) Una sal disuelta en agua puede dar un pH distinto de 7.

a. FALSO. Teniendo en cuenta que la relación entre la concentración de protones y el pH es exponencialmente inversa, si el pH se incrementa en 2 unidades, la concentración de protones se divide por 100.

[

]

pH 3O 10 H + = −

[

]

( )

[

]

100 O H 10 10 10 10 O H 3 2 pH 2 pH 2 pH 3 + − − − + − +′₌ ₌ ₌ ₌

(14)

c. VERDADERO. En una disolución acuosa, la concentración de protones provenientes del agua es de 10‒7_{, por}

lo tanto en una disolución acuosa de un ácido, la concentración de protones siempre será mayor de 10‒7

, y teniendo en cuenta la definición de pH

(

_pH₌₋_log

[

_H _O+

]

)

3 , este siempre será menor de 7

d. VERDADERO. Las sales ácidas son aquellas que proceden de un acido fuerte y una base débil, generando un pH < 7 debido a la hidrólisis del ácido conjugado procedente de la base débil. Ejemplo NH4Cl.

+ +₊_H _O_↔_NH ₊_H _O

NH4 2 3 3

Las sales básicas son las que proceden de un ácido débil y una base fuerte, generando un pH >7 debido a la hidrólisis del base conjugado procedente de la ácido débil., ejemplo NaF.

− −₊_H _O_↔_HF₊_OH

F 2

Junio 2014. Pregunta 4B.-

Se hacen reaccionar 50 mL de una disolución de ácido propanoico 0,5 M con 100 mL de una disolución de etanol 0,25 M. El disolvente es agua.

a) Calcule el pH de la disolución inicial de ácido propanoico.

Datos: pKa (ác. propanoico) = 4,84. Masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16. Puntuación máxima por apartado: 0,75 puntos apartados a) y c); 0,5 puntos apartado b). Solución. a. Ácido débil:

(

1 α

)

exc c α c α c Equilibrio exc c Inicial O H COO CH CH O H COOH CH CH o o o o 3 2 3 2 2 3 − − − + − − ↔ + − − − +

El equilibrio está regido por la constante de acidez:

[

] [

]

[

]

(

)

o 2 2 o o o o 2 3 3 2 3 a c α 1 α 1 0,05 α Si Hipótesis α 1 α c α 1 c α c α c COOH CH CH O H COO CH CH K =           ≈ − < = − = − ⋅ = − − ⋅ − − = + − 0,0054 α y hipótesis la acepta Se 05 , 0 0054 , 0 5 , 0 10 c 10 10 K K log pKa c K α 84 , 4 o pKa pKa a a o a ₌ ₌ ₌ _< _⇒ ₌       = − = = = − − −

Conocido el grado de disociación se calcula el pH por su definición

[

H O

]

log

( )

c α log

(

0,5 0,0054

)

2,57 log

pH=− ₃ + =− _o =− ⋅ =

Modelo 2014. Pregunta 1B.-

Los átomos X, Y y Z corresponden a los tres primeros elementos consecutivos del grupo de los anfígenos. Se sabe que los hidruros que forman estos elementos tienen temperaturas de ebullición de 373, 213 y 232 K, respectivamente.

d. Explique el carácter anfótero del hidruro del elemento X. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución.

d. El agua se encuentra parcialmente ionizada según el equilibrio: H2O H+ + OH‒ Kw = 10‒14

Su comportamiento anfótero es debido a que puede actuar como ácido o como base. Puede comportarse como ácido cediendo protones, puede actuar como base cediendo oxidrilos o captando protones para formar H3O+.

Modelo 2014. Pregunta 2B.-

Justifique si el pH resultante de cada una de las siguientes mezclas será ácido, básico o neutro.

a) 50 mL de HCl 0,1 M + 10 mL de NaOH 0,2 M. b) 20 mL de HAc 0,1 M + 10 mL de NaOH 0,2 M. c) 30 mL de NaCl 0,2M + 30 mL de NaOH 0,1 M. d) 10 mL de HCl 0,1 M + 10 mL de HCN 0,1 M. Datos: pKa (HAc) = 5; pKa (HCN) = 9

Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Solución. a. Moles iniciales:

(

)

(

)

    × = ⋅ × = × = ⋅ × = − − − − NaOH mol 10 2 2 , 0 10 10 NaOH n : NaOH M 2 , 0 mL 10 HCl mol 10 5 1 , 0 10 50 HCl n : HCl M 1 , 0 mL 50 3 3 o 3 3 o

(15)

(

)

(

mol

)

3 10 0 2 10 exc Finales . C exc 10 2 10 5 mol Iniciales . C O H NaCl NaOH HCl 3 3 3 3 2 − − − − × ≈ × − × × + → +

La reacción de neutralización se detiene cuando se agota el NaOH, quedando HCl (ácido fuerte) sin neutralizar y NaCl (sal neutra), el HCl se disocia y genera un pH ácido (pH < 7).

b. Moles iniciales:

(

)

(

)

    × = ⋅ × = × = ⋅ × = − − − − NaOH mol 10 2 2 , 0 10 10 NaOH n : NaOH M 2 , 0 mL 10 Hac mol 10 2 1 , 0 10 20 Hac n : HAc M 1 , 0 mL 20 3 3 o 3 3 o

Reacción de neutralización entre un ácido débil y una base fuerte.

(

)

(

mol

)

0 0 2 10 exc Finales . C exc 10 2 10 2 mol Iniciales . C O H NaAc NaOH HAc 3 3 3 2 − − − × ≈ ≈ − × × + → +

La reacción de neutralización se detiene cuando se agotan ambos reactivos, generando una sal básica (NaAc), que se disocia generando un ácido conjugado débil (Na+_{), que no se hidroliza, y una base conjugada débil (Ac}‒

) que se hidroliza produciendo un pH básico (pH > 7)

( )

Aq Ac

( )

aq Na NaAc_H_{ →}2_O + ₊ − − −₊_H _O_↔_HAc₊_OH Ac ₂

c. No se produce reacción, El NaCl es una base neutra que en agua se disocia totalmente generando Na+ (ácido conjugado muy débil), que no se hidroliza y Cl‒

(base conjugada muy débil) que tampoco se hidroliza. El NaOH, es una base fuerte que se disocia totalmente produciendo un pH básico (pH > 7)

( )

aq Cl

( )

aq Na NaCl_H_{ →}2_O + ₊ − − +₊   →  Na OH NaOH H2O

d. No se produce reacción. El HCl es un ácido fuerte que se disocia totalmente, y el HCN es un ácido muy débil que se disocia muy poco, y que en presencia de un ácido fuerte como en este caso, retrae todavía más su disociación. El pH resultante es ácido (pH < 7). + −₊ → +H O Cl H O HCl ₂ ₃ + − ← + ↔ +H O CN H O HCN ₂ ₃

Modelo 2014. Pregunta 5B.-

El producto de solubilidad del hidróxido de hierro (III) a 25 ºC es Ks = 2,8×10−39_. a. Calcule la solubilidad de este hidróxido, en g·L−1_.

c. ¿Cuál será el pH de una disolución saturada de esta sal?

d. Calcule qué volumen de ácido clorhídrico comercial (densidad 1,13 g·cm–3_{, riqueza 36% en masa) es necesario}

para neutralizar una disolución saturada formada a partir de 10,7 g de hidróxido de hierro(III). Datos. Masas atómicas: Fe = 55,8; O = 16,0; H = 1,0; Cl = 35,5.

Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos apartado a); 0,75 puntos apartados b) y c). Solución.

a. El equilibrio heterogéneo de solubilidad del Fe(OH)3 es:

( ) ( )

_OH _s _↔_Fe +

( )

_aq ₊₃_OH−

Fe ₃ 3 K_s =

[ ] [ ]

Fe3+ ⋅OH−3

Si definimos por s los moles por litro de hidróxido disueltos, el cuadro de reacción queda de la siguiente forma.

( ) ( )

( )

s 3 s OH 3 aq Fe s OH Fe ₃ 3 − + ↔ + −

Sustituyendo en la expresión del producto de solubilidad, se obtiene la solubilidad del hidróxido en mol L‒1 .

[ ] [ ]

3 3

( )

3 3 s Fe OH s 3s 27s K = + ⋅ − = ⋅ = 4 s 4 39 ₁_,₀₁ ₁₀ 10_mol _l 1 27 10 8 , 2 27 K s= = × − = × − ⋅ −

(16)

1 8 1 10 ₁_,₀₈ ₁₀ _g _L mol g 8 , 106 l mol 10 01 , 1 s= × − ⋅ − ⋅ = × − ⋅ −

b. La concentración

[ ]

OH− =3s=3⋅1,01×10−10=3,03×10−10M procedentes de hidróxido es tan diluida que para calcular el pH habrá que tener en cuenta la autoionización del agua que produce una concentración de

[ ]

_OH− ₌₁₀−7 _>>₃_,₀₃_×₁₀−10_{, por lo tanto}

_pH

_≈

₇

_.

c. Reacción de neutralización.

( )

OH 3HCl FeCl 3H O

Fe ₃+ → ₃+ ₂

La reacción se acaba cuando se agota todo el hidróxido. Por factores de conversión:

(

)

( )

3 3 3 3 3

3 ₁₀₆1mol_,₈_gFe_FeOH_OH ₁_mol3mol_FeHCl_OH 36₁_mol,5g_HClHCl 100₃₆_gg_HCld s 1₁_,₁₃cm_g_dd _ss 26,97cm

OH Fe g 7 , 10 HCl V = + + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =

Septiembre 2013. Pregunta A2.-

Indique el carácter ácido–base de las siguientes disoluciones, escribiendo su reacción de disociación en medio acuoso:

a) Ácido hipocloroso. b) Cloruro de litio. c) Hidróxido de sodio. d) Nitrito de magnesio.

Datos: Ka (ácido hipocloroso) = 3 × 10– 8_{; Ka (ácido nitroso) = 4 × 10}– 4 Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución.

a. HClO + H2O ← →Ka ClO− + H3O+. Ácido débil, pH < 7

(

ácido

)

b. LiCl _H_{ →}2_O Li+

( )

aq ₊ Cl−

( )

aq _{. Sal neutra, pH = 7}

₍

_neutro

₎

• Li+≡ Ácido conjugado débil, procede de una base fuerte

(

LiOH

)

, no produce hidrólisis

• Cl−≡ Base conjugada débil, procede de un ácido fuerte

(

HCl

)

, no produce hidrólisis.

c. NaOH  →H2O Na+ + OH−_{. Base fuerte, se disocia totalmente, pH > 7 (básico)}

d. Mg

(

NO₂

)

₂ __{ →}H2_O Mg2+

( )

aq ₊ 2NO₂−

( )

aq _{. Sal básica, pH > 7 (básico)}

• Mg2+≡ Ácido conjugado débil, procede de una base fuerte

(

Mg

(

OH

)

2

)

, no produce hidrólisis.

• NO−₂≡ Base conjugada fuerte, procede de un ácido débil

(

HNO2

)

, produce hidrólisis

− −₊_H _O_↔_HNO ₊_OH

NO2 2 2

Septiembre 2013. Pregunta B5.-

Se determina el contenido de ácido acetilsalicílico

(

C8H7O2–COOH

)

en una

aspirina

(

650 mg

)

mediante una valoración con NaOH 0,2 M.

a) Calcule la masa de NaOH que debe pesarse para preparar 250 mL de disolución. b) Escriba la reacción de neutralización.

c) Si se requieren 12,5 mL de disolución de NaOH para alcanzar el punto de equivalencia, determine el porcentaje en masa de ácido acetilsalicílico en la aspirina.

d) Determine el pH cuando se disuelve una aspirina en 250 mL de agua.

Datos. Ka (ácido acetilsalicílico) = 2,64×10–5_{. Masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16 y Na = 23.} Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución. a.

(

)

(

)

(

)

molNaOH 2g NaOH g 40 s d L NaOH mol 2 , 0 s d L 250 , 0 NaOH m ⋅ = + ⋅ + =

(17)

c. Reacción 1 a 1, por lo tanto el número de moles de ácido neutralizados es igual al número de moles de b ase utilizados.

(

C H O COOH

)

n

(

NaOH

)

n ₈ ₇ ₂− =

(

C H O COOH

)

M

(

NaOH

) (

VNaOH

)

n 8 7 2− = ⋅

(

)

12,5 10 L 2,5 10 mol L mol 2 , 0 COOH O H C n 8 7 2− = ⋅ × −3 = × −3

(

)

(

)

(

)

0,45g mol g 180 mol 10 5 , 2 COOH O H C Mm COOH O H C n COOH O H C m ₈ ₇ ₂− = ₈ ₇ ₂− ⋅ ₈ ₇ ₂− = × −3 ⋅ =

(

)

(

)

0,65 100 69,2% 45 , 0 100 Aspirina m COOH O H C m masa % = 8 7 2− ⋅ = ⋅ =

d. Si denominamos por x la concentración de acido disociada, el cuadro de reacción para la disociación del ácido acetilsalicílico es: x x exc x c equilibrio . C exc c iniciales . C O H COO O H C O H COOH O H C o o 3 2 7 8 K 2 2 7 8 a − − − + −   → ← + − − +

[

] [

]

[

]

c x x x c x x COOH O H C O H COO O H C K o 2 o 2 7 8 3 2 7 8 a = − ₋ ⋅ = ⋅₋ = ₋ + − 0 c K x K x2+ a − a⋅ o=

(

)

( )

0,250 0,01 10 5 , 2 L V COOH O H C n co = 8 7 2− = × 3 = −     × − = × = = ⋅ × − × + − − − ₋ válida No 10 3 , 5 x 10 5 x : 0 01 , 0 10 64 , 2 x 10 64 , 2 x2 5 5 4 ₄

[

H₃O+

]

=x=5×10−4M pH=−log

[

H₃O+

]

=−log

(

5×10−4

)

=3,3

Junio 2013. Pregunta 2A.-

Justifique si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones:

a) Una mezcla formada por volúmenes iguales de disoluciones de igual concentración de un ácido y una base débiles siempre tiene pH neutro.

b) Una mezcla formada por disoluciones diluidas de ácido clorhídrico y cloruro de calcio tiene pH ácido. c) El ión hidróxido

(

OH−

₎

_{se comporta como un electrolito anfótero.}

a. Falso. Dependerá de las constantes de ionización del ácido y de la base, si los dos tienen igual constante de ionización, el pH será prácticamente neutro, si Ka > Kb será ácido y si Ka < Kb será básico, en definitiva, dependerá de la

fortaleza del ácido y de la base, ya que dentro de la debilidad de estos, existen diferentes grados de fortaleza. b. Verdadero. Una mezcla de un ácido fuerte y una sal neutra produce un pH ácido.

( )

aq Cl

( )

aq pH 7

(

ácido

)

Ca CaCl O H Cl O H HCl 2 O H 2 3 2 2 ⇒ <     +   →  + → + − + + −

c. Falso. Una sustancia anfótera debe tener posibilidad de actuar como ácido o como base, en el caso del ión OH‒ , solo tiene carácter básico (OH‒

(18)

Junio 2013. Pregunta 5B.-

Una disolución 10−2_{M de cianuro de hidrógeno (HCN) tiene un pH de 5,6. Calcule:} a) El grado de disociación del HCN.

b) La constante de disociación del ácido (Ka). c) La constante de basicidad del ión CN−_(Kb).

d) El pH de la disolución resultante al mezclar 100 mL de esta disolución de HCN con 100 mL de una disolución 2×10−2_{M de hidróxido de sodio.}

a. Reacción de disociación de ácido débil. Si se denomina por α al grado de disociación del ácido, y co la

concentración inicial, el cuadro de reacción queda de la siguiente forma:

(

)

(

mol L

)

c c α Exc c α c α Equilibrio . C Exc c L mol Iniciales . C O H CN O H HCN o o o o o 3 2 − − − + ↔ + − +

Conocida la concentración inicial y el pH, ase calcula a partir de la definición de pH el grado de disociación.

[

+

]

−

= logH O

pH 3 ⇒

[

H3O+

]

=10−pH

Teniendo en cuenta a que es igual la concentración de hidronios según el cuadro de reacción:

[

]

[

]

2 3,6 4 6 , 5 o pH pH o o 3 pH 3 10 5 , 2 10 10 10 c 10 α 10 α c : α c O H 10 O H − − − − − − + − + × = = = = ⇒ =       = = % 025 , 0 α=

b. Por definición, y teniendo en cuenta el cuadro de reacción, la constante de acidez del ácido cianhídrico es:

[ ] [

]

[

]

(

4

)

10 2 4 2 2 o 3 a 6,3 10 10 5 , 2 1 10 5 , 2 10 α 1 α c HCN O H CN K − ₋− − + − × = × − × ⋅ = − = ⋅ =

c. Teniendo en cuenta que entre las constantes de ionización de un ácido y su base conjugada existe la relación: 14 w b a K K 10 K ⋅ = = − ⇒ 14₁₀ 5 a 14 b 1,6 10 10 3 , 6 10 K 10 K − − ₋ = × − × = =

d. Reacción entre un ácido débil y una base fuerte.

(

HCN

)

V M 100 10 10 10 mol

n _o= ⋅ = × −3⋅ −2= −3

(

NaOH

)

V M 100 10 2 10 2 10 mol

n _o = ⋅ = × −3⋅ × −2= × −3

El cuadro de reacción en función de los moles iniciales de cada uno es:

(

)

(

mol

)

0 10 10 Exc inales F . C Exc 10 2 10 mol Iniciales . C O H NaCN NaOH HCN 3 3 3 3 2 − − − − _× ₋ + ↔ +

La concentración de hidróxido sódico en exceso es:

[

]

5 10 mol L 10 200 10 V n NaOH ₃ 3 3 − − − × = × = =

Por ser una base fuerte la concentración de oxidrilos coincide con la de la base.

[ ]

OH− =

[

NaOH

]

=5×10−3mol L ⇒ _pOH=−_log

[ ]

_OH− =−_log

(

₅×₁₀−3

)

=₂_,₃

7 , 11 3 , 2 14 pOH 14 pH= − = − =

(19)

Modelo 2013. Pregunta 5A.-

¿Cuál de las siguientes acciones modificará el pH de 500 mL de una disolución de KOH 0,1 M? Justifique la respuesta mediante el cálculo del pH final en cada caso.

a) Añadir 100 mL de agua.

b) Evaporar la disolución hasta reducir el volumen a la mitad. c) Añadir 500 mL de una disolución de HCl 0,1 M.

d) Añadir a la disolución original 0,1 mol de KOH en medio litro de agua. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución.

Modificarán el pH todas aquellas acciones que modifiquen la concentración de KOH en la disolución. El KOH es una base fuerte que se encuentra totalmente disociada, por lo tanto la concentración de oxidrilos coincide con la concentración inicial del KOH.

( )

− + ₊   →  K aq OH KOH H2O

[ ]

OH− =

[

KOH

]

_o El pH de la disolución inicial es:

[ ]

(

logOH

)

14 log

[

KOH

]

14 log

( )

0,1 13 14

pOH 14

pH= − = − − − = + _o = + =

a. Al añadir 100 mL de agua a la disolución estamos modificando la concentración de KOH y por tanto se modifica el pH.

Teniendo en cuenta que solo añadimos disolvente, el número de moles de KOH permanece constante y por tanto se cumple:

[

KOH

]

o⋅Vo=

[

KOH

]

f⋅Vf

[

] [

]

0,083M 10 600 10 500 1 , 0 V V KOH KOH ₃3 f o o f = × × ⋅ = ⋅ = ₋−

[ ]

(

logOH

)

14 log

[

KOH

]

14 log

(

0,083

)

12,9 14

pOH 14

pH= − = − − − = + _o= + =

b. Se modifica la concentración de KOH por que al evaporar la disolución, se disminuye el volumen de disolvente, permaneciendo constante el número de moles de soluto (KOH).

[

KOH

]

o⋅Vo=

[

KOH

]

f⋅Vf

[

] [

]

0,2M 10 250 10 500 1 , 0 V V KOH KOH ₃ 3 f o o f = × × ⋅ = ⋅ = ₋−

[ ]

(

logOH

)

14 log

[

KOH

]

14 log

( )

0,2 13,3 14

pOH 14

pH= − = − − − = + _o = + =

c. Se Neutraliza la disolución al añadir igual número de moles de H+_{que de OH}‒

de la disolución, siendo el pH final 7 (pH = 7)

d. Se modifica la concentración de KOH, por tanto se modifica el pH.

[

]

(

)

[

]

(

)

0,15M 5 , 0 5 , 0 1 , 0 5 , 0 1 , 0 V V KOH n V KOH V KOH n KOH o o o ₌ + + ⋅ = + + ⋅ = =

[ ]

(

logOH

)

14 log

[

KOH

]

14 log

(

0,15

)

13,2 14

pOH 14

pH= − = − − − = + _o = + =

Modelo 2013. Pregunta 3B.-

Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifíquelas. a) Una mezcla de NaCl (ac) y NaOH (ac) presenta pH > 7.

b) El agua de la atmósfera tiene pH ácido por tener una cierta cantidad de CO2 disuelto.

c) Cuando se mezclan 100 mL de HCl 0,5 M con 200 mL de KOH 0,25 M el pH resultante es 7. d) Cuando se mezcla CaCO3 con HCl se produce una reacción redox en la que burbujea CO2. Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución.

a. Verdadera. El NaCl es una sal neutra (los iones que la forman provienen de un ácido y de una base fuertes) y su adición a cualquier disolución no modificará el pH de la misma. El NaOH es una base fuerte por lo tanto su pH > 7. Una mezcla de ambas, mantendrá un pH > 7.

(20)

+ −₊ ↔ ↔ +H O H CO HCO H CO₂ ₂ ₂ ₃ ₃ c. Verdadera. n

( )

H+ =VHCl⋅MHCl=0,1⋅0,5=0,05molH+

( )

_OH− ₌_V _⋅_M ₌₀_,₂_⋅₀_,₂₅₌₀_,₀₅_mol_OH− n NaOH NaOH

Como la neutralización es mol a mol

(

H++OH−→H2O

)

la disolución resultante es neutra, y pH = 7. d. Falsa, la reacción CaCO3 + 2HCl → Ca2+ + 2 Cl− + CO2 + H2O es una reacción acido base (transferencia de

protones), no redox (transferencia de electrones), ya que se modifican los estados de oxidación de los elementos.

Septiembre 2012. Pregunta A3.-

Considere las siguientes bases orgánicas y sus valores de Kb indicados en la tabla: Piridina Kb = 1,78×10‒9

Hidroxilamina Kb = 1,07×10‒8

Hidracina Kb = 1,70×10‒6 a) Justifique cual es la base mas débil

b) Calcule la Ka del acido conjugado de mayor fortaleza

c) Si se preparan disoluciones de igual concentración de dichas bases justifique cual de ellas será la de mayor pH. d) Escriba la reacción entre el hidróxido de sodio y el acido etanoico. Nombre el producto formado.

a. La fortaleza de un ácido o de una base esta relacionada con su grado de ionización, a mayor ionización mayor fortaleza. A menor valor de la constante de basicidad, menor ionización de la base y por tanto menor fortaleza. La base más débil es la Piridina (Kb = 1,78×10

‒9_).

b. El ácido conjugado de mayor fortaleza corresponde a la base mas débil, teniendo en cuenta que las fortaleza de los ácidos y bases es inversamente proporcional a la de sus pares conjugados, como pone de manifiesto la relación que hay entre sus constantes

(

K_a⋅K_b =K_w =10−14≈cte

)

(

)

₍

₎

6 9 14 5 5 b w 5 5 a 5,62 10 10 78 , 1 10 N H C K K NH H C K + − ₋ = × − × = =

c. Teniendo en cuenta que pH + pOH = 14, será de mayor pH la de menor pOH, es decir, la base más débil. Piridina ≡ C5H5N

d. Reacción de neutralización entre un ácido y una base:

O H Na COO CH COOH CH NaOH+ ₃− → ₃− − ++ ₂

Hidróxido de sodio + ácido etanoico → etanoato de sodio + agua

Septiembre 2012. Pregunta B5.-

Una disolución acuosa 1 M de acido nitroso (HNO2) tiene un 2% de acido

disociado. Calcule:

a) La concentración de cada una de las especies presentes en el equilibrio. b) El pH de la disolución.

c) El valor de Ka del acido nitroso.

d) Si la disolución se diluye 10 veces ¿cual será el nuevo grado de disociación? Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos.

Solución.

a. El ácido nitroso (HNO2) es un ácido débil que se disocia según el siguiente cuadro de reacción, en el que co es la

concentración inicial y α el grado de disociación o ionización.

α c α c exceso α c c equilibrio . Con exceso c niciales i . Cond O H NO O H HNO o o o o o 2 2 2 2 − − − + ↔ + −

El enunciado nos informa que el grado de ionización es del 2% (α = 0,02) y la concentración inicial es de 1 M.

•

[

HNO

]

c_o c_oα 1 1 0,02 0,98mol_L eq

(21)

•

[ ]

NO c_oα 1 0,02 0,02mol_L eq 2 = = ⋅ = − •

[

H O

]

c_oα 1 0,02 0,02mol_L eq 3 + = = ⋅ =

b. Por definición: pH=−log

[

H3O+

]

=−log

(

0,02

)

≈1,7

c.

[ ] [

]

[

]

4 2 2 o o o o o 2 3 2 a 1₁ 0₀,02_,₀₂ 4,1 10 α 1 α c α c c α c α c HNO O H NO K − + − × = − ⋅ = − = − ⋅ = ⋅ =

d. Partiendo de la definición de la constante de acidez, se puede obtener el grado de disociación.

α 1 α c K 2 o a = ₋ Ordenando se obtiene una ecuación de segundo grado.

0 K α k α co 2+ a − a =

Si la disolución se diluye 10 veces, la nueva concentración inicial será: L mol 1 , 0 10 c ' co = o =

Sustituyendo en la ecuación de 2º grado se obtiene el nuevo valor de α.    − = = = × − × + − − 066 , 0 α 062 , 0 α : 0 10 1 , 4 α 10 1 , 4 α 1 , 0 2 4 4

El valor negativo no tiene sentido químico.

α = 6,2% Si disminuye la concentración, aumenta el grado de disociación

Junio 2012. Pregunta 2A.-

Se preparan disoluciones acuosas de igual concentración de las especies: cloruro de sodio, acetato (etanoato) de sodio e hidróxido de sodio. Conteste de forma razonada:

a) ¿Qué disolución tiene menor pH?

b) ¿Qué disolución no cambia su pH al diluirla con agua? c) ¿Se producirá reacción si se mezclan las tres disoluciones? d) Cuál es la Kb de la especie básica más débil?

Dato. Ka (Ác. Acético) = 1,8×10−5 Puntuación máxima por apartado: 0,5 puntos. Solución.

• NaCl_H_{ →}2_O Na+

( )

aq ₊Cl−

( )

aq _{Sal neutra, ambos iones se comportan como conjugados débiles, no se} hidrolizan. pH = 7.

• CH₃−COONaH →2O CH₃−COO−

( )

aq +Na+_{Sal básica. El ión acetato (CH}

3‒COO‒) es una base

conjugada fuerte (procede de ácido débil, Ka (Ác. Acético) = 1,8×10−5), se hidroliza generando un pH básico.

−

−₊ _↔ ₋ ₊

−COO H O CH COOH OH

CH3 2 3 pH > 7.

• NaOH →H2= Na++OH−_{Base fuerte. pH > 7.} a. La disolución de NaCl, pH = 7

b. La disolución de NaCl, las demás disoluciones, al diluirlas disminuirán su concentración de OH‒

, disminuyendo el valor del pH

c. No se produce reacción, únicamente disminuiría el grado de hidrólisis del ión acetato por la presencia de una base fuerte (hidróxido de sodio).

d. La base más débil es el ión acetato, su constante se obtiene teniendo en cuenta que el producto de constante de los pares conjugados es igual al producto iónico del agua (Kw = 10‒14)