TEMA 11: EQUILIBRIOS ACIDO BASE

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1 TEMA 11: EQUILIBRIOS AIDO BASE Ls recciones ácidobse, especilmente quells que ocurren en disolución cuos, son de trscendentl importnci pr l químic experimentl, l biologí, l geologí, y por lo tnto, pr numerosos procesos que tienen lugr en el medio mbiente. 1. Evolución históric del concepto ácidobse. Y en los siglos XVIII y XVIII se identificbn ácidos, bses y sles como grupos de sustncis con propieddes bien diferencids. Así, los ácidos se crcterizn por su poder disolvente y su cción sobre l piedr cliz o los metles, mientrs que ls bses neutrlizn l cción de los ácidos y poseen grn poder detergente. Ests propieddes comunes debín tener un justificción debid lgún rsgo estructurl común, por lo que se propusieron distints teorís que explicsen dichos comportmientos. L primer teorí que permite un trtmiento cuntittivo de ls recciones de ácidos y bses es l teorí de Arrhenius (1894). Según est teorí un ácido es un sustnci que se ioniz (totl o prcilmente) en gu pr dr iones hidrógeno (protones): HA H A Ls bses, por el contrrio, se ionizn en gu pr dr iones hidróxido: BOH B OH Ls propieddes de mbs sustncis se contrrrestn debido l rección de los iones hidrógeno con los iones hidróxido pr producir gu (rección de neutrlizción): H OH H 2 O Ls recciones de disocición de los ácidos y ls bses son recciones de equilibrio. unto myor es l extensión de l ionizción más fuerte es el ácido o l bse. Se utiliz l expresión de l constnte del equilibrio de disocición pr expresr l fortlez: 1

2 [A [H [HA b [OH [B [BOH L teorí de Arrhenius está restringid l gu como disolvente. Además, con ell no se pueden explicr ls propieddes de lguns sustncis, como por ejemplo, el crácter básico del NH 3. Por ello surgió posteriormente (en 1923) otr teorí, propuest independientemente por dos químicos Brønsted y Lowry. Según est, un ácido es culquier sustnci cpz de donr protones y un bse es culquier sustnci cpz de ceptr protones. Además, est teorí contempl l prticipción del disolvente en l rección (el disolvente no tienen por que ser gu, unque en este tem nos restringiremos ell). Así, pr que un ácido ced protones debe hber siempre un bse que los cepte: Hl H 2 O H 3 O l on est teorí puede explicrse sin dificultd el crácter básico del NH 3 : NH 3 H 2 O NH 4 OH Así, el gu se comport como ácido o bse dependiendo de frente quien ctúe, es un sustnci nfiprótic o nfolito. 2. Disocición del gu. oncepto de ph. El gu líquid está constituid csi en su totlidd por moléculs covlentes (H 2 O). Se trt de un electrolito muy débil que se ioniz en un proporción muy pequeñ, estbleciéndose un equilibrio dinámico: H 2 O H OH El gu es pues un nfolito, puede comportrse como un ácido o un bse, sufriendo un equilibrio de utoprotolisis (o utodisocición), que de cuerdo con l teorí de Brønsted y Lowry quedri formuldo como: 2

3 2 H 2 O H 3 O OH L constnte que regul este equilibrio se denomin constnte de utodisocición del gu w o constnte del producto iónico del gu: w [H 3 O [OH Dich constnte tiene un vlor de º. Al igul que ocurre con otrs constntes de equilibrio su vlor vri con l tempertur. Este producto se verific en culquier disolución cuos. Así, 25º: en gu pur o en un disolución neutr: [H 3 O [OH 10 7 M en un disolución ácid: [H 3 O > [OH, [H 3 O > 10 7 M en un disolución básic: [H 3 O < [OH, [H 3 O < 10 7 M En lugr de utilizr ls concentrciones molres, que osciln en un intervlo muy mplio, result más práctico expresrls en un escl logrítmic conocid como escl de ph. El ph se define como el logritmo en bse 10, cmbido de signo, de l concentrción molr de ion hidronio: ph log [H 3 O Así un disolución neutr tiene ph 7, un disolución ácid ph< 7 y un disolución básic ph > 7. umpliéndose demás ph poh 14. 3

4 onviene llmr l tención sobre el hecho de que l trtrse de un escl logrítmic igules vriciones de ph no corresponden igules vriciones de concentrción. El vlor proximdo del ph de un disolución se puede determinr utilizndo ppel indicdor. Este ppel est impregndo de un mezcl de sustncis químics (indicdores) y l ser sumergido en un disolución, dopt un color que depende de l concentrción de protones existentes en l disolución. 3. Fortlez reltiv de ácidos y bses. onstntes de cidez y bsicidd. Los ácidos y bses se clsificn en fuertes o débiles según estén o no completmente disocidos o, de form más generl, según su tendenci ceder protones (cidos) o ceptrlos (bses). Así, un ácido es ms fuerte cunto myor se l extensión de l rección: AH H 2 O H 3 O A Ello viene determindo por el vlor de l constnte de cidez: [A [H [HA En un ácido fuerte el equilibrio está muy desplzdo hci l formción de los iones H 3 O y A, por lo que se puede considerr que l especie AH no existe prácticmente en l disolución. El nión A constituye l bse conjugd de HA, mbos formn un pr ácido/bse. Dich bse conjugd posee su vez un constnte de bsicidd, que será l constnte del equilibrio: A H 2 O OH AH b [OH [HA [A Teniendo en cuent el producto iónico del gu: 4

5 w [H 3 O [OH podemos obtener [OH w / [H 3 O y sustituyendo en l expresión de l constnte de bsicidd: b [HA [H O [A w 3 w sí: w b Los ácidos y ls bses se pueden ordenr prtir de sus cpciddes reltivs pr donr o ceptr protones en disolución cuos (ver tbl). L relción invers existente entre l fortlez de un ácido y l de su bse conjugd qued ptente en este orden. Los ácidos más fuertes (sustncis con grn tendenci ceder protones) dn lugr bses extremdmente débiles. 4. álculo del ph en disoluciones que implicn ácidos y bses. 4.. Disoluciones de ácidos y bses fuertes: Pr un ácido fuerte: AH A H En disolución cuos los ácidos fuertes están disocidos l 100% siendo ls concentrciones de H y su bse conjugd A idéntics l concentrción inicil de ácido, mientrs que l concentrción de moléculs sin disocir AH es prácticmente cero. ph log [H log Algunos de los ácidos fuertes más usules son Hl, HNO 3, HlO 4, HBr, HI, H 2 SO 4 5

6 En el cso de un bse fuerte: BOH B OH b b b poh log [OH log b ph 14 poh 14 log b Ls bses fuertes más comunes son los hidróxidos de los metles lclinos, tles como NOH y OH, compuestos iónicos solubles en gu. 4.b. Disoluciones de ácidos y bses débiles (10 8 < < 10 4 ) Los ácidos y bses débiles están prcilmente disocidos, quedndo un grn proporción de ácido o bse sin disocir. Pr clculr el ph de ests disoluciones es necesrio tener en cuent l constnte de cidez o bsicidd. Así, supongmos pr un ácido de concentrción estequiométric (l concentrción que se h preprdo): AH A H x x x Si los únicos protones H presentes en est disolución son los procedentes de l disocición del ácido y teniendo en cuent que pr un ácido débil l frcción que se disoci (x) puede desprecirse frete l concentrción puest inicilmente ( ) y que el cido se disoci muy poco (en generl hy menos de un 5% de moléculs disocids), podemos hcer l siguiente proximción: X [A [H 6

7 [AH x [A [H [HA [H 2 [H Pr un bse débil se efectú un trtmiento similr y se obtiene l concentrción de iones hidróxido. 4.c. Disoluciones de ácidos y bses moderdmente fuertes (10 3 < < 10 1 ) En estos csos el trtmiento es semejnte l de ácidos o bses débiles pero hor l frcción disocid (x) no puede desprecirse de l concentrción totl ( ) y que el error cometido serí demsido lto. Por lo tnto: [A [H [HA 2 [H [H [H 2 [H 0 2 [H d. Disoluciones de ácidos y bses extremdmente débiles ( < 10 8 ) En este cso l concentrción de H procedentes de l utodisocición del gu no puede considerrse desprecible frente l concentrción H procedentes de l disocición del ácido, y que el ácido se disoci muy poco. Hy que considerr, por lo tnto, los protones procedentes de mbos equilibrios: AH A H H 2 O H OH w 7

8 Por lo tnto hor: X [A # [H [H [H procedentes del ácido [H procedentes del gu [A [OH [A w / [H Quedndo entonces: [H [H w [H [H w 2 [A [H [H [H [HA y que sigue siendo vlid, y ún con más fundmento, l proximción de que l frcción disocid de ácido es desprecible frente l totl. w [H w 5. Propieddes ácidobse de ls sles. álculo del ph en disoluciones de sles. El término sl se utiliz normlmente pr designr compuestos iónicos, que cundo se disuelven en gu se disocin en sus iones. Ls disoluciones de sles pueden tener crácter ácido, básico o neutro dependiendo de ls propieddes ácidobse de los iones que ls formn: 5.. Sles cuyos iones proceden de ácidos y bses fuertes Estos iones no presentn crácter ácido o básico frente l gu. Por ejemplo, el Nl, se disoci por completo en sus iones l y N. El l como nión procedente de un ácido fuerte el Hl, no posee crácter básico, es decir, no tiene tendenci ceptr H del gu y el N como ctión procedente de un bse fuerte no posee crácter ácido. Por lo tnto estos iones en gu no reccionn. Así, ls sles formds por ctiones de bses fuertes y niones de ácidos fuertes no ejercen influenci sobre l concentrción de protones l disolverse en gu. Se trt, pues, de sles que producen disoluciones neutrs. 8

9 5.b. Sles cuyos niones proceden de ácidos débiles. Los niones procedentes de l disocición de ácidos débiles se comportn como bses frente l gu, pudiendo ceptr H de ést. Por lo tnto, ests sles cundo se disuelven en gu dn lugr disoluciones básics. Así, si se disuelve cetto sódico en gu, este se disoci por completo en sus iones N y H 3 OO. omo veímos nteriormente, el N como ctión procedente de un bse fuerte no posee crácter ácido y no reccion con el gu. Sin embrgo, el ión cetto, que procede del ácido cético, un ácido débil ( 1.86x10 5 ), si tiene ciert tendenci ceptr protones del gu pr formr ácido cético, un especie poco disocid: H 3 OO H 2 O H 3 OOH OH En este proceso se libern OH, por lo que l disolución present crácter básico. Est rección se conoce frecuentemente con el nombre de hidrólisis: rección entre el gu y un ión pr formr un ácido o un bse débil. A los iones que dn est rección se le llm iones hidrolizbles. Dich rección es un equilibrio cuy constnte viene dd por: h [H3OOH [OH [H OO 3 teniendo en cuent l constnte del producto iónico del gu, w [H [OH h [H [H 3 3 OOH w OO [H onsiderndo demás l constnte de cidez del ácido cético del que procede el ión cetto: H 3 OOH H 3 OO H 9

10 quedrí: [H 3OO [H [H OOH 3 h w 2 [OH [OH sl [OH sl 2 De este modo puede clculrse el ph de l disolución de sl, conociendo l constnte de cidez del ácido débil del que procede el nión y l concentrción de sl preprd (H 3 OON en este cso). 5.c. Sles cuyos ctiones proceden de bses débiles. Los ctiones procedentes de bses débiles pueden hidrolizrse, liberndo protones y que poseen cierto crácter ácido, por ello ests sles producen disoluciones ácids. Un ejemplo de sl de ctión hidrolizble es el cloruro mónico (NH 4 l). El ión l procedente de un ácido fuerte no present crácter básico. En cmbio, el NH 4 es el conjugdo de un báse débil, el NH 3, por ello ctú como ácido frente l gu: NH 4 H 2 O NH 3 H 3 O h Teniendo en cuent el equilibrio de l bse débil de l que procede el ctión: NH 3 H 2 O NH 4 OH b 1.8 x10 5 Y siguiendo un rzonmiento semejnte l del cso nterior, puede clculrse l constnte del proceso de hidrólisis y prtir de ell obtener el ph: h w b 2 [H [H [H sl sl 2 10

11 5.d. Sles cuyo ctión es ácido y cuyo nión es básico Ls sles considerds hst hor sólo contenín un ión con propieddes ácids o básics. Existen tmbién sles formds por dos iones cpces de lterr el ph de l disolución. En ests sles su nión es l bse conjugd de un ácido débil y su ctión el ácido conjugdo de un bse débil. El ph de un disolución de un sl de este tipo está determindo por l tendenci contrpuest l hidrólisis de cd uno de los iones. Por tnto, el ph depende de l fortlez reltiv del ctión ácido frente l fortlez del nión. 6. Ácidos polipróticos. Los ácidos considerdos hst hor son ácidos monopróticos porque pueden ceder un solo protón (H ) por molécul de ácido (unque posen más de un H en su molécul). Sin embrgo, existen muchos ácidos que son cpces de ceder más de un protón. Si pueden ceder dos protones, se denominn dipróticos (por ejemplo H 2 SO4), cundo pueden ceder tres se denomin tripróticos (por ejemplo H 3 PO 4 ) y en generl, se hbl de ácidos polipróticos. Un ácido poliprótico se disoci de form esclond, estndo cd etp de disocición crcterizd por su propi constnte de cidez. H 2 A AH H 1 AH A 2 H 2 donde 2 < 1 Ls constntes de cidez son cd vez menores medid que progres l disocición. Es decir, l pérdid de un segundo o tercer protón es más difícil que l del primero, por el hecho de que el cunto myor es l crg negtiv del ácido más difícil result que se libere de él un protón crgdo positivmente. Est disminución de l cidez con ls sucesivs ionizciones permite simplificr l resolución del cálculo del ph en disoluciones de ácidos polipróticos, y que en generl es vlid l proximción de que solo l primer disocición contribuye significtivmente l porte de H l disolución. 11

12 Ls especies intermedis en l disocición de un ácido poliprótico son especies nfóters, que pueden ctur como ácidos (cediendo protones) o como bses (ceptndo protones). Es el cso de l especie AH del ejemplo nterior. Asimismo, se hbl de bses poliprótics cundo pueden ceptr más de un protón. 7. Efecto ión común El efecto ión común es el fenómeno consistente en un disminución del grdo de disocición de un ácido o bse débil cundo se ñde l disolución un electrolito fuerte (que se disoci completmente en iones) que conteng uno de los iones en los que se disoci el electrolito débil. Así, si tenemos el ácido débil AH: AH A H Y ñdimos l sl NA que se disoci completmente en sus iones A y N el equilibrio de disocición del ácido AH se desplz debido l umento de l concentrción de A, de cuerdo con el principio de Le htelier, formándose AH. Por lo tnto l ñdir NA, l cidez de l disolución disminuye. 8. Disoluciones reguldors del ph Un disolución reguldor o mortigudor del ph es un disolución que mntiene el ph proximdmente constnte pesr de l dición de pequeñs cntiddes de ácidos o bses o de l dilución. Ests disoluciones juegn un ppel decisivo en el mntenimiento del H en numerosos procesos bioquímicos y fisiológicos, que requieren que el ph se mnteng constnte en estrechos márgenes. Por ello, numerosos orgnismos vivos poseen sistems reguldores del ph. Así, por ejemplo en l sngre humn el ph se mntiene siempre próximo 7,4 grcis un combinción de iones crbonto, fosftos y proteins. En un person sn el ph de l sngre no vri en más de un décim y ls desviciones que puedn producirse son síntom de lert. Un ph en sngre por debjo de 7,0 o por encim de 7,8 cusrí l muerte. Ls disoluciones mortigudors están formds por un ácido débil y su bse conjugd (disoluciones reguldors ácids) o por un bse débil y su ácido conjugdo (disoluciones reguldors básics). 12

13 En primer lugr veremos como se clcul el ph de un disolución reguldor. Supongmos un disolución mortigudor ácid formd por un mezcl de ácido cético (de concentrción ) y cetto sódico (de concentrción s). Puesto que el cetto sódico es un sl que se encuentr totlmente disocid, l rección en l que nos debemos fijr es en l disocición del ácido cético: H 3 OOH H 3 OO H Inicilmente s En el equilibrio x s x x [H 3OO [H [H OOH 3 En el equilibrio podemos considerr desprecible l frcción disocid de ácido frente l concentrción totl y l concentrción de iones H 3 OO provenientes de l disocición del ácido frente los que provienen de l sl ( s ). Así: s [H [H s est expresión suele escribirse frecuentemente tomndo logritmos en mbos miembros y cmbindo de signo, de modo que el ph de l disolución reguldor se clcul de form sencill: ph p log s Ecución de HendersonHsselblch Est disolución reguldor es cpz de mntener constnte el ph cundo se le ñde un ciert cntidd de ácido porque se form H 3 OOH por rección de los H ñdidos con los iones H 3 OO (que no olvidemos tiene crácter básico). De este modo l [H permnece prácticmente constnte. 13

14 Por el contrrio, si lo que se ñde es un bse, est reccion con el H 3 OOH de l disolución reguldor (rección de neutrlizción), formndo gu y más iones cetto, y de nuevo l [H permnece prácticmente constnte. Finlmente, señlr que el ph se mntiene constnte frente l dilución, pues como se ve en l ecución de HendersonHsselblch el ph depende de l relción de concentrciones bse conjugd/cido, y por lo tnto es independiente del volumen. Un principio de operción semejnte ocurre pr ls disoluciones reguldors formds por un bse débil y su ácido conjugdo. Se define l cpcidd reguldor de un disolución mortigudor del ph (β) como el número de moles de ácido o bse fuerte que es necesrio ñdir un litro de disolución reguldor pr que el ph vríe 1 unidd. L cpcidd mortigudor de un disolución depende de l concentrción de ls especies que l formn y que cunto más concentrds estén myor es l cpcidd de l solución de neutrlizr un cntidd elevd de protones o de iones hidroxilo sin experimentr grndes cmbios de ph. Además un disolución reguldor se encuentr en ls mejores condiciones de mortigución cunto ms precids sen ls concentrciones de ácido débil y bse conjugd y vicevers. 14

15 Relción de problems: EQUILIBRIOS AIDOBASE 1. El ph de l orin humn está comprendido entre uál es el intervlo norml de concentrción de H y OH en l orin?. 2. El p w del gu del mr 25º es Este no es igul l del gu pur est tempertur porque l grn cntidd de sles disuelts hcen del gu mrin un disolución no idel. Si el ph del gu del mr es 8.00 cuál es l concentrción de H y OH 25º?.. 3. L morfin es un bse débil cuy b 8x10 7. lculr el ph de un disolución preprd disolviendo 0.04 moles de morfin en gu y diluyendo hst un volumen de 600 ml. 4. lculr el ph de ls siguientes disoluciones de concentrción 0.1 M: bromuro mónico, hidróxido sódico, yoduro potásico, cetto sódico y ácido clorhídrico. Ordenrls de myor menor cidez. [ (cido cético): 1.8 x10 5, b (monico): 1.8x lculr el ph y el grdo de disocición del ácido fórmico (HOOH) en un disolución preprd mezclndo 400 ml de ácido fórmico 0.15 M y 100 ml de HNO M. ( ácido fórmico: 2.1x 10 4 ). 6. L spirin (ácido cetilslicílico) se bsorbe en el estómgo en su form libre (no disocid). Un pciente tom un ntiácido que just el ph del estómgo un vlor de 2.95 y luego ingiere un pstill de spirin que pes 2.5 g y contiene un 26% de ácido cetilslicílico. uántos grmos de spirin están disponibles pr ser inmeditmente bsorbidos en el estómgo, suponiendo que l disolución de ls pstills es inmedit y que el ácido cetilslicílico no modific el ph del contenido del estómgo? (Dtos: p AAS 3.5; M AAS g/mol. 7. lculr l vrición de ph producid en 0.5 l de un disolución de moníco 0.5 M l ñdirle 100 ml de Hl 0.1 M. ( b : 1.8 x 10 5 ). 8. Se dispone de 0.5 l de un disolución reguldor que contiene NH M y NH 4 l 0.25 M. Si se le ñden 100 ml de Hl 0.1 M. uál será l vrición de ph producid?. ( b : 1.8 x 10 5 ). 9. Un disolución mortigudor cido cético/cetto sódico puede preprrse hciendo reccionr cetto sódico con ácido clorhídrico. lculr el ph de un disolución mortigudor preprd ñdiendo 10 g de cetto sódico l de Hl M. ( : 1.8 x 10 5 ) 10. Se prepr un disolución mortigudor ñdiendo 20 ml de hidróxido sódico 0.1 M 50 ml de ácido cético 0.1 M. uál es el ph del tmpón?. ( : 1.8 x 10 5 )

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