6. Equilibrio ácido-base I

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1 6. Equilibrios ácido-base I Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

2 Contenidos Equilibrios ácido-base I Ácidos y bases Producto iónico del agua. Disoluciones neutras, ácidas y básicas. Concepto de ph. Ácidos y bases fuertes y débiles: K a y K b. Grado de ionización. Ácidos polipróticos. Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

3 Bibliografía recomendada Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, ). Secciones 17.1, 17., 17., 17.4, 17.5, 17.6, 17.9 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

4 Ácidos y bases Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

5 Ácidos y bases Teoría de Arrhenius: (punto de partida, superada) Ácido: sustancia que produce protones (H + ) en agua HO HCl H Cl ( g) ( ac) ( ac) Base o álcali: sustancia que produce iones hidroilo (OH - ) en agua HO NaOH Na OH ( s) ( ac) ( ac) Por qué es alcalino el amoniaco, NH? Porque en disolución acuosa forma NH 4 OH, que cede OH -. Pero nunca se ha detectado la especie química NH 4 OH en agua! Necesitamos otra teoría [Lectura: Petrucci 17.1 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 5

6 Ácidos y bases Teoría de Brønsted y Lowry: (aceptada hoy para ácidos y bases en disolución acuosa) Ácido: dador de protones Base o álcali: aceptor de protones Reacción ácido-base: reacción de intercambio de protones base base ácido 4 NaOH H O Na H O OH NH H O NH OH HCl H O Cl H O ácido base ácido 4 ácido NH H O NH OH 4 base ácido ácido base NH H O NH OH base conjugados conjugados [Lectura: Petrucci 17. Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 6

7 Ácidos y bases Teoría de Lewis: (aceptada hoy para ácidos y bases en general) Ácido: aceptor de pares de electrones Base o álcali: dador de pares de electrones Reacción ácido-base: reacción de intercambio de pares de electrones ácido de Lewis base de Lewis aducto [Lectura: Petrucci 17.9 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 7

8 Ácidos y bases en disolución Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

9 Equilibrio de autoionización. Producto iónico del agua Agua pura: a 5ºC: H H O H O H O OH base ácido ácido base débil débil fuerte fuerte [ HO [ OH Kw [ H O [ OH H Kw K w,98 1, 1 Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base a 6ºC: [ [ 1, 1 1, 1 14 (Aunque no escribimos el subíndice eq, nos referirnos a concentraciones de equilibrio de aquí en adelante) 14 7 HO OH M [ [ 9,6 1, HO OH M Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina [ H O [ OH [ H O [ OH [ H O [ OH [Lectura: Petrucci 17. Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 9

10 Def.: 4 [ HO,7 1 M,4 [ H O 1 M ph log[ H O ph, poh y pk Las concentraciones molares de H O + y de OH - en disolución suelen ser mucho menores que 1 M; p.ej: [ OH,71 [ OH 1 poh M M Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 1 1,57 11 log[ OH K w K w 5ºC 1, , logk ph,4 ph 1,57 pkw 14, [ H O 1 ph M [ OH 1 poh pkw M 1 [ HO [ OH Kw log[ HO log[ OH log K w ph poh pk w 5º C; ph poh 14, pk w K w 14 w [Lectura: Petrucci 17.

11 Acidez ph, poh y pk [ H O / M ph poh [ OH / M 1, 1 1 1, 1, , 1, 1 1 1, 1, 1 9 9, 1, 1 8 8, 1, 1 7 7, 1, 1 6 6, 1, 1 5 5, 1, 1 4 4, 1, 1, 1, 1,,, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 1, 1, 1 1, 1 1, 1 4 1, 1 5 1, 1 6 1, 1 7 1, 1 8 1, 1 9 1, 1 1 1, , 1 1 Basicidad [Lectura: Petrucci 17. Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 11

12 ph y poh Una muestra de agua de lluvia tiene ph=4,5. Cuánto vale [H O +? 4,5 log[ HO log[ HO 4,5 [ H O 1 4,51 4,5 5 M Una muestra de un amoniaco de uso doméstico tiene ph=11,8. Cuánto vale [OH -? poh 14, ph 14, 11, 8,7,7 log[ OH [ OH 1 1,9 1,7 M Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 1

13 Ácidos y bases fuertes Tienen el equilibrio de ionización muy desplazado a la derecha - puede considerarse totalmente desplazado, salvo en disoluciones muy concentradas HCl H O Cl H O NaOH Na OH - el aporte de la autoionización del agua a la concentración de H O + en las disoluciones de ácidos fuertes y de OH - en las de bases fuertes es despreciable H O H O OH Ácidos fuertes más frecuentes Bases fuertes más frecuentes HCl HBr HI HClO 4 HNO H SO 4 (sólo la 1ª ionización) LiOH NaOH KOH RbOH CsOH Mg OH CaOH Sr OH Ba OH [Lectura: Petrucci 17.4 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 1

14 Ácidos y bases fuertes Ejemplo: Disolución HCl(ac),15 M. Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el ph? HCl H O Cl H O ( c ) c c HO HO OH w w [ HO [ OH Kw [ Cl [ HO [ OH c c w w c,15m,15m 1 1 6,71 M los Cl - proceden de la ionización del ácido ~ todo el H O + procede de la ionización del ácido los OH - proceden de la ionización del agua [H O + y [OH - deben ser consistentes con K w [ OH Kw [ HO ph log,15 1,8 14 1, 1,15 1 6,71 M 4 [Lectura: Petrucci 17.4 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 14

15 Ácidos y bases fuertes Ejemplo: Disolución saturada de Ca(OH) (ac). Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el ph? [Ca(OH) : solubilidad a 5ºC,16 g/1 ml. Ca( OH ) ( s) Ca( OH ) ( ac) Ca OH s s ( s) [ Ca [ HO [ OH HO HO OH w w s w s w s,m 1,1 M,44M 1 [ HO [ OH Kw [ Ca [ OH K ps los Ca + proceden de la ionización de la base disuelta los H O + proceden de la ionización del agua ~ todo el OH - procede de la ionización del la base disuelta 1 la concentración de base disuelta e ionizada es su solubilidad molar,16 g Ca( OH ) 1 ml dsln 1 mol Ca( OH ) 74,1 g Ca( OH ),M 1ml 1l 4 [H O + y [OH - deben ser consistentes con K w 14 [ HO Kw [ OH 1, 1,44 1,1 M 1 log, 1 1,64 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 15 ph [Lectura: Petrucci 17.4

16 Ácidos y bases débiles Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

17 Ácidos y bases débiles Es necesario considerar su equilibrio de ionización HA H O A H O HCN H O CN H O [ A [ HO [ HA K a K a Constante de ionización o de acidez del ácido HA 1 6,1 pka 9,1 - ácidos más fuertes cuanto mayor K a (cuanto menor pk a ) B H O HB OH [ HB [ OH [ B K b Constante de ionización o de basicidad de la base B NH H O NH OH 4 K b 5 1,8 1 pkb 4,74 - bases más fuertes cuanto mayor K b (cuanto menor pk b ) [Lectura: Petrucci 17.5 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 17

18 Ácidos débiles Fuerza del ácido Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 18

19 Fuerza de la base Bases débiles Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 19

20 Ácidos débiles Disolución HA(ac) c M. Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución? HA HO A HO HO HO OH w w [ A [ HO [ HA [ HO [ OH Kw [ HA c el HA se ioniza parcialmente; es K a suficientemente [ A 1 pequeña para que c -=c? los A - proceden de la ionización del ácido [ HO ~ todo el H w O + procede de la ionización del ácido [ OH (K w <<K a ) w los OH - proceden de la ionización del agua a c K K K c a 1 a K K 4c K a a o a NO 4? c K a c 4? c K a SI c K a c K a [Lectura: Petrucci 17.5 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I K a w K w

21 c K a ; Ka Kac ; K K 4c K a a o a Si 4 : c K a 4cK a Ka 4cK a Ka Ka 4coK a ck o a cka Ka c que equivale a aproimar c c La aproimación se hace para calcular Para calcular la concentración de equilibrio de HA se puede usar c Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 1

22 b c K K K c b NO SI 1 4 c K b? b K K 4c K b b o b Bases débiles Disolución B(ac) c M. Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución? B HO HB OH HO HO OH w w 4? c K b c c K b c K b [ HB [ OH [ B [ HO [ OH Kw [ B c la B se ioniza parcialmente; es K b suficientemente [ HB 1 pequeña para que c -=c? los HB + proceden de la ionización de la base [ OH ~ todo el OH w - procede de la ionización de la base [ HO (K w <<K b ) w los H O + proceden de la ionización del agua w [Lectura: Petrucci 17.5 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I K b K w

23 Ácidos débiles Ejemplo: Disolución HF(ac),15 M. Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el ph? [HF: K a =6,61-4 HF HO F HO HO HO OH w w [ F [ HO 4 Ka 6,61 [ HF [ [ 1, 1 14 HO OH K w [ HF c c [ F [ HO w [ OH w,15m,99m,99m 1 1, 1 M [ HF [ F [ H O [ OH,6,66,6 SI 4? c K a w K w 1, 1 9, , 1 1 ph Ka c cka 9,91 log 9,9 1, [Lectura: Petrucci 17.5 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

24 Ácidos débiles Ejemplo: Disolución HF(ac),15 M. Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el ph? [HF: K a =6,61-4 HF HO F HO HO HO OH w w [ F [ HO 4 Ka 6,61 [ HF [ [ 1, 1 14 HO OH K w [ HF c [ F [ HO w [ OH w,78m,7m,7m 11 1, 41 M [ HF [ F [ H O [ OH,6,66,67 NO 4? c K a w K w 1, 1 7, , ph c K 7,1 [Lectura: Petrucci 17.5 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 4 a 4 log 7, 1,14 K K 4c K a a o a 4 ck o a, 99

25 Ácidos débiles Ejemplo: El ph de una disolución HF(ac),15 M es,14. Cuánto vale la constante de ionización del HF? HF HO F HO HO HO OH w w [ F [ HO Ka [ HF [ [ 1, 1 14 HO OH K w [ HF c [ F [ HO w [ OH w [ H O 1 7,1 K a, (7, 1 ) 6,61 c, 15, 7 4 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 5

26 B HO HB OH HO HO OH w w [ B c c [ HB [ OH w [ HO w Bases débiles Ejemplo: Disolución piridina(ac),15 M. Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y ph? [Piridina: K b =1, ? c K b w K w,6 1,5 1,6 SI 1, 1 1, ,71 9 poh,15m 6 1,5 1 M 6 1,5 1 M 9 6,71 M [ HB [ OH Kb 1,5 1 [ B [ [ 1, 1 14 HO OH K w 6 log1,5 1 5,8 [ B [ HB [ OH [ H O Kb c ckb 1,5 1 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 6 6 ph 14, 5,8 8,18 9

27 B HO HB OH HO HO OH w w Bases débiles Ejemplo: El ph de una disolución de piridina(ac),15 M es 8,18 Cuánto vale la constante de ionización de la piridina? [ HB [ OH Kb [ B [ [ 1, 1 14 HO OH K w [ B c [ HB [ OH w [ HO w poh 14, 8,18 5,8 [ OH 1 1,5 1 K b 5,8 6 6 (1,5 1 ) 1,5 1 6 c, 15 1,5 1 9 no es necesario considerar si se desprecia frente a c o no Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 7

28 Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles) HA HO A HO [ A [ HO [ HA K a [ HA c [ A [ HO c (1 ) Ka c Grado de ionización = c (1 ) c c c K (1 ) a K K 4c K c a a o a Molaridad de ácido ionizado Molaridad de ácido inicial [ A c c 1% Ácido fuerte Ácido débil [Lectura: Petrucci 17.5 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 8 1,5 c

29 Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles) Ej.: Cuál es el grado de ionización del HF(ac),15 M y del HF(ac),15 M de los ejemplos de más atrás? HF(ac),15 M: HF(ac),15 M: [ F c c, 7, 48 48%, 15, 99,66 6,6%,15 1,5 Ácido fuerte Ácido débil c Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 9

30 Ácidos polipróticos Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

31 Ácidos polipróticos Ejemplo: H PO 4, con K a1 >> K a >> K a H PO H O H PO H O 4 4 y z [ HPO4 [ HPO 4 [ HPO 4 [ PO 4 [ HO [ OH y yz z y z w w y z H PO H O HPO H O 4 4 HPO H O PO H O 4 4 c z H O H O OH w ( K K ) a a1 y Ka Ka ( ) w y (& K K ) w a1 [ H PO [ H [ HPO [ [ PO [ HO PO 4 K a1 7, [ HO 8 K a 6, 1 H PO4 4 [ HO 1 K a 4, 41 [ HPO4 14 [ H O [ OH K w 1, 1 c K y K a z K y w K a w a1 y z w 1 4 [Lectura: Petrucci 17.6 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 1

32 [ HPO4 [ HPO 4 [ HPO 4 [ PO 4 [ HO [ OH c y yz z y z w w y Ácidos polipróticos Ejemplo: Disolución H PO 4 (ac). M. Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el ph? 1 1, 7,11 1, SI 4 c K a 1? y K a 6, 1 z Ka w K 4 w 8 y 6,1 4, 41 1,9 1 14,15 1, ,7 1, ,85M,15M ph log,15,8 8 6, 1 M 19 1,9 1 M,15M 14 6,71 M c K [Lectura: Petrucci 17.6 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I K a1 c y K a z K y w K ck a 1, 7,11,15 a w a1 y z w 1 4

33 Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico H SO 4 [ HSO4 [ HSO 4 [ SO 4 1ª ionización: ácido fuerte; ª ionización: ácido débil Ejemplo: Disolución H SO 4 (ac),5 M. Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y ph? [K a =1,11 - H SO H O HSO H O 4 4 ( ) c c c,49m c HSO H O SO H O 4 4 H O H O OH w w,11m [ SO [ H O [ 4 HSO4 ( c ) K c,11 a K a 1,11 [ [ 1, 1 14 HO OH K w c Ka c Ka,11 [ HO [ OH c w w c,51m 14,1 M ph log,51,9 [Lectura: Petrucci 17.6 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I K w w c 14 1, 1,1,51 14

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