REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE PROTONES

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1 REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE PROTONES EJERCICIOS Y PROBLEMAS RESUELTOS 1. Dadas las especies: NH 3, CN -, HI, HS -. Escribir reacciones que justifiquen su carácter ácido o básico, en disolución acuosa, e identifica en cada reacción los pares ácido-base conjugados. - NH 3 H O NH 4 OH CN - H O HCN OH - HI H O I - H 3 O B.1 Ac. Ac.1 B. B.1 Ac. Ac.1 B. Ac.1 B. B.1 Ac. HS - H O S - H 3 O HS - H O H S OH - Ac.1 B. B.1 Ac. B.1 Ac. Ac.1 B. Especie anfiprótica. Hallar el ph en: a) una disolución M de hidróxido sódico. b) una disolución 05M de ácido nítrico. c) de una disolución 1 M de hidróxido de calcio R// 13,3 1,3 13,3 El NaOH, el HNO 3 y el Ca(OH) son electrolitos fuertes, por ello en disolución acuosa, puede considerarse que se disocian iónicamente en su totalidad: a) NaOH es una base de Arrhenius: NaOH Na OH - poh= -log(oh - ) = -log ph= 14-pOH = 14log(OH - ) = 13,3 b) HNO 3 NO 3 - H ph=-log(h ) = -log 05 = 1,3 c) Ca(OH) Ca OH - I) F) - 1 poh=-log ph=14log = 13,3 3 Ordenar por fuerza ácida creciente las especies:h SO 3 (pk 1 = 1,81), HCOOH (pk a =3,75) y NH 4 (pka = 9,4) R//NH 4 < HCOOH < H SO 3 Un ácido es tanto más fuerte cuanto mayor sea su Ka. El pka=-logka, un mayor valor de Ka implica menor valor del (-logka), luego: Cuanto más fuerte sea un ácido menor será su pka, : NH 4 < HCOOH < H SO 3 4. La metilamina CH 3 NH (pk b = 3,3), y el amoniaco NH 3 (pk b = 4,74) son bases. Escribe reacciones que lo pongan de manifiesto y explica cuál será el ácido conjugado más fuerte. La metilamina y el amoniaco son bases de Brönsted: CH 3 NH H O CH 3 NH 3 OH - NH 3 H O NH 4 OH - B.1 Ac Ac.1 B. B.1 Ac. Ac.1 B. Como pkb = -logkb, un menor valor del pkb indica un mayor valor de Kb y por tanto una mayor fuerza básica, luego: El amoniaco es una base más débil que la metilamina. 53

2 La Kb de una base y la Ka de su ácido conjugado están relacionados: Ka Kb = Kw Cuanto mayor sea Ka menor será Kb, pues el producto debe ser Kw=cte. En consecuencia, el ácido más fuerte será el conjugado de la base más débil y, en nuestro caso, corresponderá, al catión amonio: NH 4 5. Calcula el ph de la disolución de ácido nitroso que contiene 4,7 g de dicho ácido en 100 ml. DATOS: Ka(ácido nitroso) = Mr(ácido nitroso)=47 R// 1,65 El nº moles de ácido HNO = 4,7/47 =1 moles. Como el volumen de la disolución es 100ml = 1 litros, la concentración inicial del ácido nitrosos será: 0.1/0.1 = 1 Molar Por ser un ácido débil estará ionizado parcialmente alcanzándose el equilibrio: - HNO (aq) H O NO (aq) H3 O (aq) Conc. Inicial) Conc. Equilibrio) 1-x x x x x 4 Ka = = 5 10 El valor de Ka permite, en principio, aproximar: 1x 1 1 x 4 x = x= mol lit HO = 04 M ph= log 04 = 1, 65 [ 3 ] 6.- A g de ácido cloroso se le añade agua hasta tener 50 ml de disolución. La Ka de este ácido es 1, Hallar el ph de la disolución.(ar: Cl=35,45 O=16 H=1) R// ph=1,51 003, Concentración de HClO : nº moles= = 003, M= = 0117, M 35, , Equilibrio de disociación: [ ClO ][ H ] [ HClO ] - HClO (aq) ClO (aq) H (aq) I) Eq) 117-x x x x x Ka = 0011, = no se puede despreciar la x del denominador 117 x : [ ] x 011x 0013 = 0 x= 03 H = 03 ph= log 03 ph= 151, 7. Una disolución 01 M de ácido propanoico, CH 3 CH COOH, tiene un ph =,95. Hallar la constante de acidez del ácido propanoico y su grado de disociación. R// Ka=1,6.1O -5 1,1% Planteemos el equilibrio: C H 5 COOH(aq) C H 5 COO - (aq) H (aq) I) Eq) 1(1-α) 1α 1α ph=,95 (H ) = 10 -,95 = 1α α = 011 = 1,1% 95, ( 10 ) 5 Ka = = 16, 10 ( ) 54

3 8.-. A qué, concentración tendrá el ph = 3 una disolución de ácido metanoico cuya constante de acidez es 1, ?, cuánto valdrá el grado de disociación?. R// M 15% HCOOH(aq) HCOO - (aq) H (aq) I) c - - Eq) c(1-α) cα cα ph=-log cα = 3 cα = 10-3 =001 mol/lit 177, = c = 00665mol = = 15 15% c 001 lit α Hallar el ph y el grado de disociación (α) de un ácido acético 5 M. Si a un litro del mismo se añaden 0'0 moles de ácido nítrico (sin que varíe el volumen). Hallar ahora el grado de disociación y el ph.( pka (ac.acético)=4,7). R// ph =,5 63% ph=1,7 1% Calculemos Ka del ácido acético: pka = -log Ka 4,7=-logKa Ka=10-4,7 = 10-5 La ecuación del equilibrio de disociación iónica es: CH 3 COOH(aq) CH 3 COO - (aq) H (aq) I) Eq) 5-x x x 5 x x 10 = 05, x despreciando x del denominador : 5 - x 5 x= M ph =.-log =,5 α= = % 05, El ácido nítrico es muy fuerte, por ello en disolución está totalmente disociado Esta total disociación la tendrá incluso en presencia de otro ácido, como en nuestro caso el acético. Si en una disolución hay electrolitos fuertes y débiles. Disociaremos primero los fuertes de forma completa, y luego las disociaciones parciales del débil, cuyo equilibrio estará influenciado por los anteriores. HNO 3 (aq) H (aq) NO 3 - (aq) I) F) CH 3 COOH(aq) CH 3 COO - (aq)h (aq) I) 5-0 (procedentes de la reacción anterior) Eq) 5-y y 0y 5 y( 00, y) 4 10 = aproximando: 00, y 00, 05, y 05, y = , y [ H ] = 00, , M ph = log 00, = 17, α = = 10 05, 3 55

4 10. La hidracina es una base débil K b = 10-6,que se ioniza en el agua según: N H 4 (aq) H O (l) N H 5 (aq) OH - (aq). Hallar el ph y la concentración del ion hidracinio, N H 5, en una disolución M de hidracina en agua. R// ph= 18 6, M La ecuación del equilibrio: [ NH5][ OH ] [ NH4 ] [ ] [ 5] N H 4 (aq) H O N H 5 (aq) OH - (aq) Eq) -x x x 6 x x 4 Kb = 10 = como x x 6,3 10 mol x = lit 4 4 OH = N H = 6,3 10 poh = log6,3 10 = 3, ph = 14 3, = Qué sucede cuando se disuelve cloruro de amonio en agua?. Escribir la reacción y analizarla según la teoría ácido-base de Brönsted. Hallar el ph de una disolución 0'5 M de cloruro de amonio sabiendo que la constante de basicidad del amoníaco es K b = 1' R//pH=4,93 El cloruro de amonio, como la mayoría de las sales, es un electrolito fuerte y, por tanto, en disolución acuosa está completamente disociado: - NH 4 Cl(aq) NH 4 (aq) Cl (aq) (I) (F) El anión cloruro (Cl - ), es la base conjugada de un ácido muy fuerte, el HCl, por tanto es una base muy débil y permanece inalterable en la disolución. El catión amonio, NH 4, es el ácido conjugado del NH3, que es una base débil (Kb=1, ), por lo que sufrirá hidrólisis, es decir reaccionará con el agua, que actuará como base: NH 4 (aq) H O NH 3 (aq) H 3 O (aq) (Ac.1) (B-) (B.1) (Ac.) (I) (Eq) 5-x x x La constante de este equilibrio, Kh, es la constante de acidez del NH 4 (aq), ácido conjugado de la base amoniaco, Kb. Entre estas constantes existe la relación: Ka Kb = Kw, luego: [ NH ][ H O ] [ NH 4 ] [ 3] [ 3 ] 14 Kw x x Kh = Ka = = = 5,55 10 Kh = 5,55 10 = 5 Kb 1, x 5 5 como 5 x 5 x = 1,18 10 = NH = H O ph = log1,18 10 = 4,93 56

5 1.- A 400ml de disolución 4M de una base muy débil, de ph=8,6, se le añaden n moles de la base pura, sin que el volumen varíe. Si el nuevo ph fue 9,1. Hallar n. R// n=1,44 moles Sea BOH la base débil: BOH(aq) B (aq) OH - (aq) I) c - - Eq) c-x x x Siendo la concentración inicial: En el primer caso: c=4 M En el segundo caso: nºmoles de base = 4 4n c= (16n)/4 Como Kb es la misma en ambos casos, ya que no ha variado la temperatura: [ B ][ OH ] x x x Kb = = c x c [ BOH] 54, caso1º: poh = 14 86, = 54, x = 10 M caso º: poh = 14-9,1 = 4,9 x = 10-4,9 M,, ( 10 ) ( 10 ) c Kb = = =, c M c 10 05, = 04, ( 10 ) = 4 54, 04, 04, , n 4 = n = 144, moles 04, 13.- El ácido sulfúrico es un ácido diprótico, siendo muy fuerte en su primera ionización, mientras que en la segunda tiene una Ka = 016. Hallar el ph y las concentraciones de todas las especies presentes en una disolución 09M de ácido sulfúrico. Disociaciones iónicas del : H SO 4 (aq) 1ª disociación iónica (completa) - H SO 4 (aq) HSO 4 (aq) H (aq) I) F) ª disociación iónica (equilibrio) - HSO 4 (aq) = SO4 (aq) H (aq) I) F) 09-x x 09x x( 009, x) 016 = x = 001, mol/lit 009, x [ ] [ 4 4 ] [ ] HSO = = 08M SO = 01M H = = 1M ph = 1 57

6 14. Hallar el grado de acidez del vinagre (gramos de ácido acético en 100 ml de vinagre), si 10 ml del mismo consumen 9 ml de Ca(OH) 5M.(Mr ácido acético=60) R// 5,4 g/100ml En el punto de equivalencia:va Ma nºh (ácido) = Vb Mb nºoh - (base) 10 Ma 1 = 9 5 Ma = 9 mol/lit 9 60 = 54 g/lit La concentración de un vinagre comercial se expresa en grados de acidez, que son los gramos de ácido acético en 100 ml de ese vinagre: 54 g/lit = 54 g/1000ml = 5,4 g/100ml La acidez será = 5,4º 15. El ph de una disolución de acetato de sodio es 8,35. Calcular la concentración de esta disolución si K a del ácido acético es 1, R//9, M En disolución acuosa el acetato de sodio, cuya concentración inicial la llamaremos c, está totalmente disociado: CH 3 COONa(aq) CH 3 COO - (aq) Na (aq) (I) c - - (F) - c c El anión acetato (CH 3 COO - (aq)) es la base conjugada del ácido acético (CH 3 COOH) que es un ácido débil, como muestra su Ka, luego este anión sufrirá hidrólisis: CH 3 COO - (aq) H O CH 3 COOH(aq) OH - (g) (I) c - - (Eq) c-x x x, ( 10 ) [ ] 556, 556, ph = 835, poh = , = 556, OH = 10 x = 10 M , , 10 18, 10 Kh = = c = 10 = 10 18, 10 = 9, c 556, 14 18, , 3, Qué volumen de ácido nítrico 1M neutraliza a una mezcla de 5 g de hidróxido sódico y 8 g de hidróxido potásico?.(mr: NaOH=40 KOH=56) R// 43 litros Hallemos el número de moles totales de OH - que debe neutralizar el ácido: 04, nº moles NaOH = = 001, nº moles OH = 001, 40 08, nº moleskoh= = 0143 nº molesoh = nº moles totalesde OH = = 043moles 1 mol HNO 3 da 1 mol de H neutralizando1 mol de OH 043 moles HNO 3 se necesitan nº moles 043 Molaridad = V = V = 43litros V 01, 58

7 17.- Hallar el ph y las concentraciones finales de todas las especies presentes en una disolución 8M de nitrito de calcio.( Ka(ácido nitroso)= ) R// 8,8 Ca(NO ) (aq) Ca - (aq) NO (aq) I) F) - 8 8=1,6 Por ser el anión nitrito la base conjugada del ácido nitroso, que es débil, sufrirá hidrólisis, según el equilibrio: - NO (aq) H O HNO (aq) OH - (aq) I) 1,6 - - Eq) 1,6-x x x x x 11 6 Kh = = como: 1,6 x 1,6 x 4 10 x 6, ,6 x = = 6 Ca = 8M NO 1,6M HNO = OH = 6,3 10 M poh = 5, ph = 8,8 [ ] [ ] [ ] [ ] 18.- El ácido cianhídrico (HCN), es un ácido muy débil (Ka=7, ). A 1 lit. de HCN M, se añaden 0018 moles de cianuro de calcio, sin variación apreciable del volumen de la disolución. Hallar las concentraciones de las especies presentes en la disolución y el ph de la misma. Tenemos en la disolución: El cianuro de calcio es un electrolito fuerte y se disocia completamente: Ca(CN) (aq) Ca (aq) CN - (aq) Ácido cianhídrico Es un ácido débil y llegará al equilibrio: HCN(aq) H (aq) CN - (aq) (I) (Eq) -x x 0036x Observemos que el CN - (aq) procedente de la disociación completa del Ca(CN), y que se produce en su totalidad (independientemente de la segunda), influirá en el equilibrio del HCN. La disolución que nos dan tiene disuelto un ácido débil (el HCN) y una sal de este ácido (el cianuro de calcio) que proporciona la base conjugada del ácido (el CN - ), es por tanto una disolución tampón. [ CN ][ H ] 10 x( 0036 x) Ka = 7, 10 = Como Ka es muy pequeñ a: x [ HCN] 0036 x 7, 10 [ ] [ ] = [ ] [ ] = x= 4 10 H = 4 10 ph = 64, Ca 0018M HCN M CN 0036M 59

8 19.- Hallar el volumen de ácido sulfúrico M necesario para neutralizar: a)5 ml de disolución 4 M de hidróxido de sodio b)80 ml de disolución M de hidróxido de calcio. En el punto de equivalencia de la neutralización, cuando todo el ácido se ha combinado con toda la base, se cumple: nºmoles de H del ácido = nºmoles de OH - de la base de Arrhenius nºmoles de H cedidos por el ácido = nºmoles de H absorbidos por la base de Brönsted Va Ma nºh (ácido) = Vb Mb nºoh - (base) a) H SO 4 NaOH Va = Va= 5 ml b) H SO 4 Ca(OH) Va = 80 Va = 80 ml 0.- Tenemos 10 gramos de una mezcla de NaOH y KOH, añadimos agua hasta tener 00 ml de disolución, tomamos 50 ml y valoramos con HCl 5 M, gastándose 11,15 ml de ella. Hallar los gramos de NaOH en la mezcla.(mr: NaOH=40 KOH=56) R/6,4 g Sean x los gramos de NaOH en la mezcla: n moles NaOH x 10 x x 10 x º = nº moleskoh = nº moles totalesoh = x 10 x x x x [ OH ] = = = mol 0, lit nº molesoh 16x , x 0 nº molesoh en50 ml disol.: [ OH ] = = molesoh 005, nº moles H = nº moles HCl = = moles H 08, x 0 En el punto de equivalencia: = x = 6, 4 g NaOH Tenemos 00 ml de disolución M de NaOH, y añadimos disolución 4 M de un ácido débil monoprótico (HA) de Ka= Determinar el ph si se añaden: (a) 100 ml de la disolución ácida (b) 300 ml de la disolución ácida.(suponer los volúmenes aditivos) R// a) 9,6 b)5,09. (a) En el reactor hay: Luego: =04 moles NaOH 1 4 = 04 moles HA NaOH(aq) HA(aq) NaA(aq) H O moles I) moles F) El NaA(aq) está totalmente disociado: NaA(aq) Na (aq) A - (aq) 04 moles 04 moles 04 moles 60

9 Las concentraciones de los iones serán: [ ] [ ] 004, 04, Na = A = = = 133mol 0, 01, 3 lit Ahora bien, el anión es la base conjugada del ácido débil HA y, por ello, sufrirá hidrólisis: A - (aq) H O HA(aq) OH - (aq) I) Eq) 133-x x x x x Kh = = como:133 x 133 x 1,8 10 mol x 4 10 lit 5 poh = log1,8 10 = 4,74 ph = 14 4,74 = 9,6 (b) Determinemos el nº de moles de cada sustancia: nº moles NaOH = = 04 moles nº moles HA = 4 3 = 1 moles La reacción será: HA(aq) NaOH(aq) NaA(aq) H O moles (I) Δmoles moles (F) Nos encontramos con una disolución que contiene un ácido débil y una sal de ese ácido, es decir una disolución tampón. Las concentraciones de estas sustancias serán: 008, HA mol 004, = = 016, lit NaA = = 008, mol 0, 03, 0, 03, lit [ ] [ ] La disociación del NaA(aq) es completa: NaA(aq) Na (aq) A - (aq) El equilibrio de disociación de HA(aq) será: HA(aq) H (aq) A - (aq) (I) (procedente de la reacción anterior) (Eq) 16-x x 08x 6 (08 x)x Ka = 4 10 = Como: 16 x 16, 08 x 16 x 6 x= 8 10 mol lit ph = 5,09 008, 61

10 EJERCICIOS PROBLEMAS PROPUESTOS. Responder, razonadamente, indicando verdadero o falso, a las siguientes afirmaciones l) Para una disolución acuosa 1 M del ácido fuerte HX: a) La concentración del ion X - es 1 M. b) La concentración del ácido no ionizado HX es 5M c) El ph es cero. ) Para una disolución acuosa 1 M del ácido débil HA: a) La concentración del ion A - es 1 M b) El ph es l. c) [H (aq)] = [A - (aq)] d)una disolución NaA tiene ph>7 3) Una disolución de hidróxido cálcico tiene un ph=3 R// 1.a)V b)f c)v.a)f b)f c)v d)v 3.F 3. a) Cuáles son las bases conjugadas de los siguientes ácidos de Brönsted?: HCl, H O, NH 4 CH 3 COOH. b) Explicar cual de las siguientes afirmaciones es correcta o falsa i) La base conjugada de un ácido fuerte es débil. ii) Una disolución de acetato sódico tiene un ph = 7. iii) Una disolución de cloruro amónico tiene un ph > 7. R//b) i)v ii)f iii)f 4. Indicar la especie más ácida y más básica de los siguientes pares, justificando la respuesta: CH 3 COOH/CH 3 COO - Ka = 10-5 NH 4 /NH3 Ka = HNO /NO Ka = R// la más ácida el HNO la más básica el NH 3 5. Hallar la concentración del H y el ph de las disoluciones: a) 10 ml de HCl l5m en 750 ml de disolución. b) 0 1 M de ácido hipocloroso (K a = ) c) 01 M de hidracina, N H 4 (K b = 10-6 ) R// a) M ph=7 b)5, M ph=4,6 c)7, ph= El vinagre comercial es una disolución acuosa de ácido acético, de 5% de riqueza en masa de ácido y densidad 1,05 g/ml. a) Cuál es el ph del vinagre?. DATOS: pk a (CH 3 COOH) = 4,74 (Ar:C=1 O=16 H=1) R//pH=,4 7. Una disolución de ácido acético 1 M, está ionizada al 1,34%. Calcular la constante de acidez, K a de ácido. R//1, Hallar la molaridad del HCN(aq) (K a = ), ionizada en el %. R// 1, M 9. Hallar el ph y la concentración de todas las especies en una disolución 75 M de nitrato de amonio. Ka(NH 4 )=5, R//pH=4,69 [NH 3 ]=[H 3 O ]=, M [NH 4 ]=75 M 30.- Deseamos saber si un ácido HA es fuerte o débil, para lo cual lo diluimos en agua hasta una concentración cualquiera, y que no es necesario conocer, C 0, con un ph-metro determinamos que el ph=3. Tomamos ahora 0 ml de esa disolución y le añadimos 180 ml de agua, medimos de nuevo con el ph-metro y hallamos, ph=3,5. Se trata de un ácido débil o fuerte? (Suponer los volúmenes aditivos) R// Acido débil 31.Hallar el ph de una disolución 1 M de NH 4 NO 3, siendo K b (NH 3 )= 1, R//5,13 6

11 3. Por qué al mezclar 50 ml de disolución 0'5 M de ácido hipocloroso (K a = 3, 10-8 ) con 50 ml de disolución de NaOH 0'5 M la disolución resultante no es neutra?. R// La disolución es básica por hidrólisis del ClO Hallar el ph de las disoluciones: A) 35 M de ácido hipobromoso. B) 0 M de hipobromito de potasio. La Ka del ácido hipobromoso es, R// A) ph=4,56 B) ph= Hallar el ph de una disolución que es 1 M en amoniaco y 1,5 M en cloruro de amonio. DATO: pkb(amoniaco)=4,74) R//8, Hallar el ph de una disolución que tiene mol/lit de ácido acético y mol/lit de acetato de potasio, siendo Ka(CH 3 COOH)= R// 4,7 36. Hallar el porcentaje en hidróxido cálcico de una muestra sólida, si se disuelve 1 g de esta en agua hasta obtener 100 ml de disolución y 10 ml de ésta consumen 1,6 ml de HCl 1 M para su neutralización. (DATOS: Ar: Ca=40 O=16 H=1) R// 79,9% 37.- Se mezclan 50 ml de ácido nítrico 1 M y 60 ml de hidróxido cálcico 1 M. Qué volumen de ácido clorhídrico 05 M se necesitaría para neutralizar esta mezcla?. R//14 litros 38. Una disolución de un ácido débil HA(aq) tiene un ph = 3. Para neutralizar 100 ml de la misma son necesarios 100 ml de disolución 1 M de NaOH. Hallar el pk a del ácido. R// pka=5 39. Una disolución de ácido fórmíco, HCOOH, que contiene 10 g por litro de disolución, tiene un ph de,. Hallar la constante de acidez del ácido fórmico. Si se mezclan 10 ml de la disolución ácida con 30 ml de una disolución de hidróxido de sodio 1 M, cómo será la disolución resultante ácida, básica o neutra? (Suponer volúmenes aditivos). R// Ka=1, Básica 40.- Hallar el ph de la disolución de 100 ml de HCl M: y: (a) 100 ml de NH 3 M (b) 100 ml de NH 3 4 M. (Kb(NH 3 )= 10-5 ). (Suponer volúmenes aditivos) R//pH=5,15 ph=9, Hallar el ph de las disoluciones resultantes de añadir, a 1 litro de disolución 5 M de ácido acético (Ka=1, )::a) Un litro de agua b) un litro de HCl 5 M c) un litro de NaOH 5 M d) un litro de KOH 5 M (Suponer volúmenes aditivos) R// a),67 b)6 c)9,07 d)4,74 63

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