REACCIONES ÁCIDO-BASE o de intercambio de protones 2º BACHILLERATO

Transcripción

1 REAIONES ÁIDO-BASE o de intercmbio de protones º BAHILLERATO

2 INDIE 1. PROPIEDADES DE ÁIDOS Y BASES. TEORÍA DE ARRHENIUS 3. TEORÍA DE BRØNSTED Y LOWRY 4. TEORÍA DE LEWIS 5. FUERZA DE ÁIDOS Y BASES 6. PRODUTO IÓNIO DEL AGUA 7. MEDIDA DE LA AIDEZ. ph 8. ALULO DEL ph 9. TITULAIONES ÁIDO-BASE 10. EQUIVALENTE QUÍMIO Ácidos y bses

3 1. PROPIEDADES DE ÁIDOS Y BASES Ácidos: - Tienen sbor ácido. - Dn colorciones crcterístics con los indicdores ácido-bse. - Atcn el mármol desprendiendo O. - Reccionn con los metles desprendiendo hidrógeno. - En disoluciones concentrds son cáusticos y corrosivos. - Neutrlizn ls bses. - Reccionn con ls bses produciendo sles. Ácidos y bses 3

4 Bses (o álclis): - Tienen sbor legí. - Dn colorciones crcterístics con los indicdores ácido-bse diferentes los ácidos. - Reccionn con ls grss formndo jbones. Sensción jbonos. - A menudo dn precipitdos en disolución de lgunos metles, (Mg, Al...). - En disoluciones concentrds son cáustics y corrosivs. - Neutrlizn ls ácidos. - Reccionn con los ácidos produciendo sles. Ácidos y bses 4

5 Los protgonists de l histori de los ácidos y ls bses: - Robert Boyle ( ) - Lvoisier ( ) - Humphry Dvy ( ) - J. L. Gy Lussc ( ) - Justus von Liebig ( ) - Michel Frdy ( ) - Svnte Arrhenius (1884) - J. N. Brønsted ( ) y T. M. Lowry ( ) - G. N. Lewis ( ) Ácidos y bses 5

6 . TEORÍA DE ARRHENIUS Teorí de l disocición iónic de los electrolitos en disolución cuos. - Los electrolitos, en disolución cuos o fundidos se disocin en iones crgdos eléctricmente. - Los iones, presentes en l disolución de electrolitos, no son más que átomos o grupos de átomos crgdos que formn los rdicles de los electrolitos y que permnecen inmodificdos en sustncis homólogs. - Los iones tienen propieddes físics y químics distints de ls moléculs sin disocir. - L disocición del electrolito en iones es un proceso reversible. Ácidos y bses 6

7 Disocición electrolític de ácidos bses y sles Desde el punto de vist de Arrhenius se distinguen tres tipos de electrolitos: ácidos, bses y sles. - Ácidos son sustncis que l disocirse en gu libern iones H +. - Bses son sustnci que l disolverse en gu libern iones OH -. - Sles son sustnci que l disolverse en gu libern niones y ctiones diferentes del OH - y H +. Ácido: Bse: Sl: HA H O A H H O BOH H O B OH H O BA H O B A H O Ácidos y bses 7

8 Ls principles limitciones de l teorí de Arrhenius son: - Solmente es válid en disolución cuos. - No es cpz de explicr el comportmiento de tods ls bses (NH 3, O, N O 3...) Ácidos y bses 8

9 3. Teorí de Brønsted y Lowry Teorí del ácido-bse conjugdos. - Aplicron el concepto de ácido bse culquier tipo de disolvente. - El concepto ácido bse está interrelciondo. - Acido es tod sustnci que cede H + un bse. - Bse es tod sustnci que cept H + de un ácido. - De este modo ls recciones ácido-bse deben entenderse como recciones de trnsferenci de H +. HA B A BH ácido1 bse bse1 ácido Ácidos y bses 9

10 - Entre los ácidos de Brønsted y Lowry tenemos moléculs neutrs, niones y ctiones. - En el proceso de trnsferenci de protones cd ácido le corresponde un bse conjugd y vicevers, cd bse le corresponde un ácido conjugdo. Hl NH 3 l NH 4 ácido1 bse bse1 H OOH H O ácido H O ácido1 bse bse1 ácido NOH H O N H O OH bse1 ácido H OO ácido1 bse Ácidos y bses 10

11 Hl H O l H 3O ácido1 bse bse1 ácido HlO ácido1 H O lo H O bse bse1 ácido HSO4 HO SO 4 H3O ácido1 Disocición de ácidos bse bse1 ácido NH 4 HO NH 3 H 3O ácido1 bse bse1 ácido HSO H O SO H O ácido1 bse bse1 ácido HPO4 HO HPO4 H 3 O ácido1 bse bse1 ácido Ácidos y bses 11

12 Disocición de bses Los hidróxidos siguen siendo bses en est teorí. Al disolverse en gu se produce el ctión metálico y el ión hidróxido OH -, que es l verdder bse. HA OH A H O ácido1 bse bse1 ácido H O NH 3 OH NH 4 ácido1 bse bse1 ácido H O PH 3 OH PH 4 ácido1 BOH B OH bse bse1 ácido H O O OH ácido1 H O ácido1 3 3 bse bse1 ácido OH 3 3 bse bse1 ácido H O S OH HS ácido1 HO bse bse1 ácido H O HS OH H S ácido1 bse bse1 ácido HO H O Ácidos y bses 1

13 Disoluciones no cuoss Y henos visto que est teorí permite plicr el concepto de ácido y bse otros disolventes. HlO NH 3 lo NH 4 ácido1 ácido H N bse bse1 HN HN O ácido1 NH 3 bse bse1 H O PH 3 O H PH 4 ácido1 bse bse1 HN ácido O NH 4 ácido Ácidos y bses 13

14 Anfóteros Son especies químics que pueden comportrse tnto como ácidos como bses. omo ácido: omo bse: HS NH 3 S NH 4 ácido1 bse bse1 HS bse H O ácido H S H O 3 ácido1 ácido Otrs sustncis que pueden ctur como nfóteros son todos los ácidos polipróticos. H PO ; HPO ; H BO ; HBO ; Al( OH ) y el mismo H O. bse Anfolito es un sustnci que puede experimentr simultánemente dos disociciones electrolítics de signo contrrio. H H H OOH H H H OO 3 3 NH NH 3 Ácidos y bses 14

15 4. Teorí de Lewis - L teorí de Brønsted y Lowry dej fuer especies que no tienen hidrógenos y por tnto no pueden ceder H +. Su teorí se bs en l teorí electrónic de l vlenci. - Acido es tod sustnci cpz de ceptr y comprtir un pr de electrones portdos por un bse. - Bse es tod sustnci cpz de ceder y comprtir un pr de electrones con un ácido. - En mbos csos se form un enlce covlente coordindo o dtivo. Los ácidos de Lewis tienen un orbitl vcío y ls bses de Lewis tienen un pr de electrones sin comprtir. Ácidos y bses 15

16 5. Fuerz de ácidos y bses - Los procesos ácido bse, como culquier proceso químico, vienen regidos por l correspondiente constnte de equilibrio. HA H O A H O K 3 H O - Si prtimos de un concentrción inicil de ácido y éste se encuentr disocido prcilmente... HA H O A H O Ácidos y bses 16 3 AH K K 0(1 ) (1 ) (1 ) Ácidos fuertes: cundo están completmente disocidos, l K es muy elevd y el grdo de disocición es 1. - Ácidos débiles: cundo están débilmente disocidos, l K es pequeñ y coexisten ls especies HA, A - y H + en disolución. A

17 6. Producto iónico del gu. Kw - Aprentemente el gu es un islnte perfecto, sin embrgo present un muy débil conductividd eléctric y hy que dmitir en el gu un disocición iónic. HO HO OH H3O Kw H3O OH 5 º l Kw= En el gu pur - Si se ñde ácido - Si se ñde bse 7 H O OH M H3O 10 M y OH 10 M OH 10 M y H O 10 M Igulmente se puede deducir l relción entre ls constntes de ácido y bse conjugdos. H3O A HA HO A H3O K HA K Kb Kw HA OH A HO HA OH Kb Ácidos y bsesa 17

18 7. Medid de l cidez. oncepto de ph Es l concentrción de iones H 3 O +. Puede vrir entre límites muy mplios. Sorensen introdujo l escl de ph que se define como: ph log H - De cuerdo con l expresión del producto iónico del gu 14 H3O OH 10 ph poh 14 - Según el vlor del ph ls disoluciones se clsificn en: Ácids: ph 7 Neutrs: ph 7 Básics: ph 7 Ácidos y bses 18

19 Medid del ph. Indicdores Un indicdor es un sustnci que cmbi de color en un pequeño intervlo de ph (de concentrción de iones H 3 O + ) - Suele trtrse de un sustnci orgánic que puede existir en dos forms tutómers dependiendo del ph y que tienen estructurs y colores distintos Ácidos y bses 19

20 Medid del ph. phmetros phmetros son dispositivos que miden l diferenci de potencil que se estblece entre dos disoluciones de diferente ph seprds por un membrn. Son muy cómodos pero deben clibrrse previmente con disoluciones ptrón de ph conocido. Ácidos y bses 0

21 Ácidos y bses fuertes 8. álculo del ph - En este cso se encuentrn totlmente disocidos y l concentrción de H + o de OH - en disolución es igul l concentrción de ácido o bse disuelto. HA A H BOH B OH ph log H poh log OH log b b b b ph log ph 14 poh ph 14 log b Ácidos y bses 1

22 lcul el ph de ls siguientes disoluciones: ) 0,1 M de Hl. b) 0,1 M de H SO 4. c) 0,3 M de NOH. ) Se trt de un ácido fuerte, completmente disocido. Hl H O H O l 3 ph log(0,1) ph 1 b) Se trt, igulmente, de un ácido fuerte, completmente disocido. H SO H O H O SO ph log( 0,1) ph 0, 699 b) Se trt de un bse fuerte, completmente disocid. NOH H O N OH poh ph 14 poh ph log(0,3) 0,5 13, 477 Ácidos y bses

23 Fuerz Ácidos y bses fuertes de uso frecuente Ácidos fuertes HlO 4 HI HBr H SO 4 Hl HNO 3 HOO-OOH HIO 3 H ro 4 Bse conjugd muy débil lo 4 - I - Br - HSO 4 - l - NO 3 - HOO-OO - IO 3 - HrO 4 - Bse fuerte soh RbOH KOH NOH B(OH) Sr(OH) (OH) Ácido conjugdo muy débil s + Rb + K + N + B(OH) + Sr(OH) + (OH) + Ácidos y bses 3

24 Justificción estructurl ) Fuerz de ácidos HF, Hl, HBr y HI. Depende del cmpo credo por el nión X -. Y dicho cmpo depende de l crg y del rdio iónico. E q k r b) Fuerz de ácidos HlO, HlO, HlO 3 y HlO 4. Depende del cmpo credo por el nión lo x -. Y dicho cmpo depende igulmente de l crg y del rdio iónico. c) Fuerz de ls bses LiOH, NOH, KOH, RbOH y soh. Depende del cmpo credo por el ctión M +, que es myor pr el Li que pr el s y por tnto sujet con más fuerz el OH -. Ácidos y bses 4

25 Qué volumen de ácido nítrico comercil debemos tomr pr preprr 50 cm 3 de un disolución 0,1 M, si l densidd del mismo es de 1,405 g/cm 3 y l riquez es de 68,1% en ms? Determin el ph de l disolución resultnte Queremos preprr 50 ml 0,1 M de HNO y se prte de HNO comercil =1,405 g/cm 3 3 y 68,1% de purez. Hy que determinr el volumen v que hy que tomr de éste ácido. m % v 0, 681 v 1, 405 n M PM PM 3 sustituyendo 0,1 63 v 1, 65 cm V V V 0,50 Se debe tomr este volumen con un pipet, verterlo en un mtrz de 50 ml y llenrlo de gu hst el enrrse. Pr determinr el ph solo es necesrio sber l concentrción del ácido fuerte, que estrá completmente disocido. HNO NO H ph log H log 3 3 ph ph log(0,1) 1 Ácidos y bses 5 3

26 A 550 ml de un solucion de NOH de ph 9,5; se l diluye con gu hst 1000 ml. lculr el ph de l solución diluid. Necesitmos sber l concentrción inicil de bse, prtir del ph, pr luego determinr l concentrción de l disolución diluid y su ph. Se trt de un bse fuerte completmente disocid. NOH b N ph log H 9,5 log H 10 5 H 3,6 10 M y OH 3,16 10 M undo se reliz un dilución el número de moles de soluto es el mismo, solo se ñde gu. b OH b 5 * n 0,550 3,16 10 * 5 b b 1,74 10 M V 1 El ph de l nuev disolución, sigue trtándose de un bse fuerte lgo más diluid. poh OH poh poh 5 log log 1, ,76 ph 14 poh ph 9, 4 Ácidos y bses 6

27 Ácidos y bses débiles. onstnte de ácidos y bses. - undo el ácido o l bse se encuentrn poco disocidos se estblece un equilibrio entre los iones y ls moléculs sin disocir en disolución que está regido por l constnte de equilibrio del ácido o l bse correspondiente HA A H BOH B OH (1 ) (1 ) K b b b A H HA (1 ) b K b B OH BOH K K (1 ) (1 ) b b b 1 1 ph pk log ph 14 poh ph 14 pkb logb Ácidos y bses 7 b b b b (1 ) Est últim proximción sólo es correct si K o K son muy pequeñs. ph log H log poh log OH log ph log K poh log K b b b

28 onstntes de ácidos y bses. Ácidos y bses 8

29 lcul el grdo de disocición y el ph de un disolución 0,1 M de ácido cético, K=1, Se trt de l disocición de un ácido débil, muy poco disocido porque l constnte es bj. HA A H (1 ) K K A H HA (1 ) (1 ) l concentrción de protones y el ph. H H 1, ,1 1, ,1 1, , ph H ph 3 log log 1,36 10,87 1 Aplicndo l fórmul: ph pk log ph,87 Ácidos y bses 9

30 Sistems ácido-bse no elementles Ácidos y bses poliionizbles - Hy ácidos que pueden experimentr sucesivs ionizciones, cd un con un constnte de equilibrio. H O H O HO H O K ,6 10 HO H O O H O K HO O H O HO 3 H O H O 4,3 10 L segund disocición es menos extens que l primer y csi todos los protones son portdos en l primer disocición. Ácidos y bses 30

31 Hidrólisis - Un ácido port protones, H +, l medio, un bse port iones hidróxido, OH -, l medio. be esperr que un sl en disolución teng crácter neutro. Sin embrgo no siempre ocurre sí. - Alguns sles, l disolverse, se disocin en iones, que según l teorí de Brønsted y Lowry son ácidos o bses conjugds reltivmente fuertes y que reccionn con el gu formndo iones hidróxido, OH -, o protones, H +, según el cso. Ácidos y bses 31

32 Hidrólisis: Sl de ácido fuerte y bse fuerte - Por ejemplo el Nl. En este cso el l -, es l bse conjugd de un ácido muy fuerte (un bse muy débil) y el N + será el ácido conjugdo de un bse muy fuerte (un ácido muy débil). Nl H O N l H O l H O Hl OH N H O NOH H Ácidos y bses 3

33 Hidrólisis: Sl de ácido débil y bse fuerte - Por ejemplo el NAc, N O 3, KN. En este cso el nión Ac -, es l bse conjugd de un ácido débil (un bse lgo fuerte) y el N + será el ácido conjugdo de un bse muy fuerte (un ácido muy débil). NAc H O N Ac H O Ac H O HAc OH N H O NOH H Por lo tnto l disolución tendrá crácter básico. Ácidos y bses 33

34 NAc H O N Ac H O s s s Ac H O HAc OH K s (1 ) s h s h s h N H O NOH H s h K h HAc OH H K Ac H K w K HAc OH K h Ac s h h s h h (1 h) s OH K s h s h s K K w 1 1 poh ( pkw pk log s ) ph 14 ( pkw pk log s ) Ácidos y bses 34

35 lcul el ph de un disolución 0, M de cetto sódico. Dto: contnte de disocición del ácido cético K=1, Un sl en disolución se encuentr totlmente disocid. NAc Ac N Ac H O HAc OH K K h (1 ) HAc OH H Kw K S Ac - l concentrción de OH, el poh y el ph. OH OH S S S S S S H , 1, S S S (1 ) 5, 10 0, 5, 10 1, log log 1, ,98 9,0 1 Aplicndo l fórmul: ph 14 ( pkw pk log s ) ph 9, 0 K K w Kw K S poh OH poh ph Ácidos y bses 35 h

36 Hidrólisis: Sl de ácido fuerte y bse débil - Por ejemplo el NH 4 l. En este cso el nión l -, es l bse conjugd de un ácido fuerte (un bse muy débil) y el NH 4 + será el ácido conjugdo de un bse muy débil (un ácido moderdmente fuerte). NH l H O NH l H O 4 4 l H O Hl OH NH H O NH OH H 4 4 Por lo tnto l disolución tendrá crácter ácido. 1 ph ( pkw pkb log s ) Ácidos y bses 36

37 lcul el ph de un disolución 0,5 M de cloruro de monio. Dto: ontnte de disocición del monico Kb=1, Un sl en disolución se encuentr totlmente disocid. NH l l NN NN H O NN OH H K K h (1 ) S S S S S NN OH H OH Kw K S NN OH ,5 1, l concentrción de OH, el poh y el ph. H H S 5 S S S (1 ) 3,9 10 0,5 3,9 10 1,64 10 ph H ph log log 1, ,78 1 Aplicndo l fórmul: ph ( pkw pkb log s ) ph 4, 78 K K w Kw K b S b Ácidos y bses 37 h

38 Hidrólisis: Sl de ácido débil y bse débil - Por ejemplo el NH 4 Ac. En este cso el nión Ac -, es l bse conjugd de un ácido débil (un bse moderdmente fuerte) y el NH 4+ será el ácido conjugdo de un bse muy débil (un ácido moderdmente fuerte). NH Ac H O NH Ac H O 4 4 Ac H O HAc OH NH H O NH OH H 4 4 Por lo tnto l disolución tendrá crácter ácido o básico según el cso. 1 ph ( pkw pk pkb ) Ácidos y bses 38

39 Disoluciones reguldors, mortigudors o tmpón - undo se ñde un pequeñ cntidd de ácido l gu se modific fuertemente el ph. - Existen un serie de disoluciones que tienen regulr el ph frente pequeñs diciones de ácido o bse. - Ests disoluciones están formds por un ácido débil y un sl de este ácido y un bse fuerte. - Según l teorí de Brønsted y Lowry un disolución del ácido y su bse conjugd en concentrciones igules. HAc Ac H NH OH NH OH 4 4 NAc N Ac NH l NH Hl 4 4 Ácidos y bses 39

40 HAc Ac H K NAc N Ac (1 ) s s Ac H HAc K H K HAc Ac - El ácido v estr muy poco disocido, por efecto del ión común, hy exceso de cetto que desplz el equilibrio hci l izquierd. - L concentrción de cetto es l concentrción de sl. ph pk s sl log ácido Ácidos y bses 40

41 El ácido benzoico ( 6 H 5 OOH) y el benzoto de sodio (N 6 H 5 OO) formn un disolución mortigudor. lculr: cuántos grmos de ácido hy que mezclr con 14,4 grmos de l sl de sodio pr preprr un litro de disolución de ph de 3,88? Dto: K ( 6 H 5 OOH) = 6, HA A H (1 ) s s A H HA sl K H K ph pk log HA A ácido 14, ,88 log 6,3 10 log m 5,5 g de ácido benzoico m 1 K NA N A s Ácidos y bses 41

42 9. Titulciones ácido-bse - Los ácidos reccionn con ls bses en un rección que se denomin neutrlizción. - L titulción es un procedimiento que nos permite conocer experimentlmente el volumen requerido de un disolución de concentrción dd pr neutrlizr exctmente el soluto ácido o básico de otr disolución. - Ls curvs de titulción nos muestrn como vrí el ph de un disolución según se v ñdiendo volumen de un disolución ácid o básic. Ácidos y bses 4

43 Titulción de Hl con NOH (ácido y bse fuerte) - Se tom un volumen conocido de un disolución problem de Hl. Se le ñden tres gots de indicdor ácido bse. - Sobre él se ñde desde l buret got got un disolución de NOH de concentrción conocid. - undo se hn ñdido el mismo número de equivlentes de NOH que de Hl hbí en disolución, el ph de l disolución cmbi bruscmente y vir el color del indicdor. Ácidos y bses 43

44 Titulción de HAc con NOH (ácido débil y bse fuerte) - El procedimiento es el mismo pero lo que ocurre es diferente. - El HAc reccion con l NOH pr dr NAc y gu. - Pero el ión cetto produce hidrólisis básic y cundo se ñde un cntidd equivlente de NOH l disolución no es neutr sino básic. HAc NOH NAc H O NAc N Ac Ac H O HAc OH Ácidos y bses 44

45 álculos estequiométricos en un vlorción En el punto de equivlenci: - El número de equivlentes de ácido deben ser igul l número de equivlentes de bse. - El número de moles de H + deben ser igul l número de moles de OH -. mh A nb( OH ) B A m n H O n m n m Equivlentes de ácido = Equivlentes de bse V N V N b b moles de H moles de OH V M vl V M vl b b b V M n V M m b b Ácidos y bses 45

46 10. Equivlente químico - Ms equivlente: Es l ms de un elemento que se combin con 8 g de oxígeno (o proximdmente con 1 g de hidrógeno) Ms Equivlente Ms Atómic vlenci Ms Moleculr vlenci - Vlenci Pr un ácido igul l número de H + ionizdos. Pr un bse igul l número de iones OH -. Pr un sl igul l crg de los niones o los ctiones. Pr un oxidnte o reductor igul l número de electrones gndos o perdidos en el proceso. Ácidos y bses 4

47 Ácidos y bses 4 7 Número de equivlentes Ms Ms Equivlente n vl n equivlentes N vl M moles En un rección químic siempre reccionn equivlente equivlente. Número de equivlentes ácido V N V N Ácido Ácido Ácido Ácido Ácido Número de equivlentes Bse Bse V vl M V vl M Bse Bse Bse báse

48 Determin l ms equivlente de ls siguientes sustncis: ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, hidróxido sódico, hidróxido de mgnesio, hidróxido de luminio, óxido de cinc, oxido de sodio, cloruro de clcio y sulfto de luminio. Un químico orgánico sintetiz un compuesto X con propieddes ácids. Un muestr de 0,7 g requiere 30 ml de B(OH) 0, M pr su vlorción. uál es el peso equivlente de X? Sol: 60 g/eq lcul l cntidd de cliz, cuy riquez en crbonto de clcio es del 83,6 %, que podrán ser tcdos por 150 ml de disolución de ácido clorhídrico 1N. Sol: 8,97 g En l vlorción de 50 cm 3 de un disolución de ácido sulfúrico se hn gstdo 37,6 cm 3 de hidróxido de potsio 0, N. Hll su normlidd, sí como los grmos de H SO 4 disueltos en los 50 cm 3. Sol: 0,15 N y 0,368 g Ácidos y bses 4 8