Examen reacciones de transferencia de protones

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1 Examen reacciones de transferencia de protones OPCIÓN A 1. Defina ácido y base de Bronsted y Lowry (1 punto) Clasifique cada una de las siguientes especies como ácido, base o anfótera: NH 3, OH, NO 3, HCN (1,5 puntos) Ácido: toda sustancia química que puesta en contacto con otra es capaz de ceder protones. Base: toda sustancia química que puesta en contacto con otra es capaz de aceptar protones. Para clasificar las sustancias como ácidas, básicas o anfóteras tendremos en cuenta los siguientes criterios, derivados de las definiciones anteriores: para que una sustancia sea ácida debe tener protones que ceder y la especie resultante al ceder protones debe ser relativamente estable. para que una sustancia sea básica debe tener pares de electrones libres o carga negativa para poder aceptar los protones. Teniendo en cuenta esos criterios, ácidos serán: NH 3 y HCN. Por otro lado, bases serán: NH 3, OH y NO 3 Como el amoniaco es ácido y base, se va a comportar como una sustancia anfótera. 2. Escriba las ecuaciones de hidrólisis, en caso de haberla, de cada uno de las siguientes sales, indicando si la disolución final será ácida, básica o neutra. a) NH 4 HSO 4 b) Ca(CH 3 COO) 2 Datos: kb(nh 3 )=1, ka(ch 3 COOH)=1, Los iones de las sales procedentes de ácidos o bases fuertes no tienen la suficiente fortaleza para reaccionar con el agua (son débiles en ese sentido) y por lo tanto no van a originar reacciones de hidrólisis. Por tanto, serán solamente los iones procedentes de ácidos o bases débiles las que sí puedan originar reacciones de hidrólisis. a) NH 4 HS O 4 El ion HSO 4 procede del ácido sulfúrico, un ácido fuerte para la pérdida del primer protón y el NH 4 es el ácido conjugado del amoniaco, base débil, por lo que sólo será éste el que sufra hidrólisis: NH 4 H 2 O NH 3 H 3 O El ph resultante de la reacción de hidrólisis será ácido, porque el ion amonio se comporta como ácido (BröstedLowry) liberando protones.

2 b) Ca(CH 3 COO) 2 En esta sal, el Ca 2 procede de una base fuerte, el hidróxido de calcio, por lo que va a ser débil para poder producir hidrólisis con el agua. Sin embargo, el ion acetato procede de un ácido débil, el ácido acético, por lo que va a sufrir reacción de hidrólisis al tener suficiente fortaleza para reaccionar con el agua: 2CH 3 COO 2 H 2 O 2CH 3 COOH2OH Como se desprenden grupos hidroxilos, el ph de la disolución final va a ser básico. 3. Una disolución de ácido fórmico (metanóico) tiene un ph de 2,53. Cuántos gramos de ácido hay en 100 ml de la disolución? Datos: K a del ácido es 1, Masas atómicas: C=12 g/mol; H=1 g/mol; O=16 g/mol Como el ph es 2,53 podemos calcular la concentración de protones en el equilibrio: ph= log[ H ] [ H ]=10 ph =10 2,53 =2, M Si planteamos el equilibrio, vemos que la concentración del ion formiato y la de protones es la misma, por lo que conociendo el valor de la K a podemos determinar la concentración de ácido fórmico en el equilibrio. HCOOH (aq) <=> H (aq) HCOO (aq) inicial Co 0 0 reacciona/se forma x x x equilibrio Cox x x Si aplicamos la fórmula de la constante de equilibrio: K a = [H ] [HCOO ] [HCOOH ] y tenemos en cuenta que en el equilibrio [H ]=[HCOO ]= 2, M, podemos calcular la concentración del ácido en el equilibrio: [HCOOH ]= [ H ] [HCOO ] K a [ HCOOH ]= [2, ] [2, ] 1, =0,051 M Para calcular los gramos de ácido en el equilibrio tenemos que conocer la masa molecular del HCOOH: M M (HCOOH )= =46 g/mol Y finalmente, a partir de los 100 ml, calculamos los gramos que nos pide el problema: 1L 100 ml 1000 ml 0,051 moles 1 L 46g =0,235 g de HCOOH 1mol

3 4. Considere dos ácidos débiles HX (M M =180 g/mol) y HY (M M =78,0 g/mol). Si una disolución de 16,9 g/l de HX tiene el mismo ph que el que contiene 9,05 g/l de HY, cuál es el ácido más fuerte de los dos? Primeramente calculamos la molaridad de cada uno de los ácidos, puesto que de ésta y del grado de disociación dependerá el ph final. Como las dos disoluciones son débiles, la [H ] eq =Co α. Como tienen el mismo ph, tienen también la misma concentración de protones en disolución. El ácido con la menor concentración (HX) tiene que tener el mayor grado de disociación para igualar la concentración de protones del otro ácido, por lo que el HX va a ser el más disociado y por lo tanto el menos fuerte de los Una muestra de 1,294 g de un carbonato metálico (MCO 3 ) reacciona con 500 ml de una disolución de HCl 0,100 M. El exceso de ácido se neutraliza por medio de NaOH 0,588 M consumiéndose 32,80 ml. Identifica el metal M. (1,5 puntos) Datos: Masas atómicas: C=12 g/mol; O=16 g/mol Las ecuaciones ajustadas para las dos reacciones son:

4 MC O 3 2 HCl MCl 2 CO 2 H 2 O HClNaOH NaClH 2 O El ácido carbónico es inestable y se descompone en dióxido de carbono y agua. Primeramente calcularemos el número de moles del exceso de ácido clorhídrico mediante la valoración con hidróxido sódico. Si calculamos la cantidad inicial de moles de HCl y se lo restamos al exceso que se ha valorado, podremos conocer los moles de HCl que han reaccionado: Moles totales de HCl: Moles que han reaccionado con el carbonato metálico: Conocidos esos moles, podemos calcular los que han reaccionado de MCO 3 : Con esos moles podemos calcular la masa molecular del compuesto. Si al valor obtenido le restamos la masa del carbonato CO 3 2, obtenemos la masa del metal y a partir de ella, podemos determinar el elemento del que se trata: M M (MCO 3 )= 1,294 g MCO 3 0,01535 moles MCO 3 =84,3 g/mol Como la masa del carbonato es: M M (CO 3 2 )=1216 3=60 g/mol La masa del elemento metálico que estamos buscando es: M M (M )=84,3 60,0=24,3 g/mol Si nos fijamos en la tabla periódica, el elemento químico con esa masa atómica es el Mg.

5 Examen reacciones de transferencia de protones OPCIÓN B 1. Defina ácido y base según Arrhenius. (1 punto) Identifique los pares conjugados ácidobase en cada una de las siguientes reacciones: (1,5 p) CH 3 COO HCN <=> CH 3 COOH CN HCO 3 HCO 3 <=> H 2 CO 3 CO 3 2 H 2 PO 4 NH 3 <=> HPO 4 2 NH 4 Ácido de Arrhenius es aquella sustancia química que en disolución acuosa libera protones. Base de Arrhenius es aquella sustancia química que en disolución acuosa libera grupos hidroxilo. Los pares conjugados de las reacciones son: CH 3 COO HCN <=> CH 3 COOH CN CH 3 COO base, cuyo ácido conjugado es CH 3 COOH HCN ácido, cuya base conjugada es CN HCO 3 HCO 3 <=> H 2 CO 3 CO 3 2 HCO 3 ácido, cuya base conjugada es CO 3 2 HCO 3 base, cuyo ácido conjugado es H 2 CO 3 2 H 2 PO 4 NH 3 <=> HPO 4 NH 4 2 H 2 PO 4 ácido, cuya base conjugada es HPO 4 NH 3 base, cuyo ácido conjugado es NH 4 Para identificar a los ácidos se ha seguido el criterio de Brönsted y Lowry: sustancia que en contacto con otra es capaz de liberar protones y para las bases: sustancia que en contacto con otra es capaz de aceptar protones. 2. Prediga como será el ph de una disolución de NaCN. Dato: K a (HCN) = 4, La sal, al ponerla en disolución acuosa se disocia en los iones: NaHCO 3 Na HCO 3 Esos iones son pares conjugados de ácidos y bases y, dependiendo de la fortaleza de los compuestos de origen se deduce la de la especies en disolución: El Na es un ácido conjugado que puede provenir, por ejemplo, de la base fuerte NaOH. Como procede de una base fuerte, esta especie conjugada es débil, es decir, no va a tener fortaleza suficiente para reaccionar con el agua. Por el contrario, el CN es una base conjugada que proviene del ácido cianhídrico. Como éste ácido es débil (el problema nos da la Ka del ácido) la especie conjugada que genera tiene fortaleza suficiente para reaccionar con el agua. Va a ser esta reacción la que genere el ph en la hidrólisis de la sal: CN H 2 O<=> HCN OH

6 Como se liberan OH el ph resultante va a ser básico. 3. Halle la pureza de una sosa cáustica comercial sabiendo que se disuelven 28,14 g de la misma en un litro de disolución, del cual se toma 20 ml que se neutralizan con 24,9 ml de una disolución de ácido clorhídrico 0,51 M Datos: Na=23 g/mol; H=1 g/mol; O=16 g/mol; Cl= 35,5 g/mol Cuando disolvemos la muestra en 1000 ml de agua y de ellos valoramos 20 ml, determinamos la cantidad de NaOH que hay en esos 20 ml. La reacción que tiene lugar es: HClNaOH NaClH 2 O en la cual vemos que el ácido clorhídrico cede un solo protón y el hidróxido de sodio capta también un protón. Calculamos la concentración de NaOH nº moles ácido H del ácido =nº molesbase OH de la base [ HCl ] V HCl H del ácido =[ NaOH ] V NaOH OH de la base 0,51 0,0249 1=[ NaOH ] 0,020 1 [NaOH ]= Que es la concentración real del hidróxido sódico. 0,51 0,0249 =0,635 M 0,020 Calculamos la concentración de NaOH a partir de los gramos iniciales para calcular la pureza: [NaOH ] M= moles /40 =28,14 =0,7035 M V (l) 1 Si el NaOH fuera puro, deberíamos haber obtenido una concentración de 0,7035 M en vez de 0,635 M. Con esos datos, podemos calcular la pureza: Pureza= 0, =90,26% 0, Qué concentración debería tener una disolución acuosa de un ácido monoprótico HA, cuya constante de ionización es K a =1,5 10 5, para tener el mismo ph que una disolución acuosa de ácido clorhídrico 10 2 M. El ph de la disolución de HCl 10 2 M, teniendo en cuenta que se trata de un ácido fuerte y está completamente disociado, de cuerdo con la estequiometría de su reacción de disociación es: HCl H Cl Inicialmente Reacciona x x x Equilibrio 10 2 x x x 10 2 x=0 x=10 2 [H ]=x=10 2 M ph = log (10 2 )=2

7 Para el caso de la disolución del ácido débil HA : Como el HA H A Inicialmente C o 0 0 Reacciona x x x Equilibrio C o x x x ph=2 [ H ]=10 ph [ H ]=10 2 =0,01 M x=0,01 M Al ser un ácido débil, para calcular la concentración inicial tenemos que emplear la ecuación del equilibrio: k a = [ H ] [ A ] [HA ] 1, = x x C o x 1, = 0,012 C o 0,01 1, (C o 0,01)=0,01 2 C o = 0,012 1, , =6,677 M Si hubiésemos despreciado el 0,01 del denominador, la concentración sería 6,667 M 5. El acido sulfuroso y el carbónico son dos ácidos débiles atendiendo la disociación de los dos protones. En una reacción ácidobase entre los iones monohidrogenados de cada ácido, Cuál se comporta como ácido y cuál como base? Escriba la reacción que tendría lugar. (1,5 puntos) Datos: k a 2 (HSO 3 )=6, k a 2 (HCSO 3 )=4, Las reacciones de ionización de los ácidos son: H 2 SO 3{ H SO HSO H k a1 =1, HSO 3 SO 2 3 H k a2 =6, H 2 CO 3 { H CO HCO H k a1 =4, HCO 3 CO 2 3 H k a2 =4, Los iones monohidrogenados de los dos ácidos son anfóteros por lo que se podrán comportar como ácidos o como bases: Si generalizamos la reacción y consideramos X el átomo de C o S Como ácido: HXO 3 XO 3 2 H 3 O Como base: HXO 3 H H 2 XO 3 Debido a ese comportamiento anfótero, cuando reaccionan entre sí uno se comportará como ácido y

8 el otro como base. Para determinar quien es quien debemos fijarnos en las constantes: el HSO 3 al tener una constante ácida mayor que el HCO 3 será más ácido que éste, por lo que la base será el ion bicarbonato y el ácido el ion monohidrógenosulfito. La reacción que tendrá lugar será: HSO 3 HCO 3 SO 2 3 H 2 CO 3