6. Equilibrio ácido-base I

Transcripción

1 6. Equilibrios ácido-base I

2 Equilibrios ácido-base I Contenidos Ácidos y bases Producto iónico i del agua. Disoluciones neutras, ácidas y básicas. b Concepto de ph. Ácidos y bases fuertes y débiles: d K a y K b. Grado de ionización. n. Ácidos polipróticos ticos.

3 Bibliografía recomendada Petrucci:QuímicaGeneral, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, ). Secciones 17.1, 17., 17., 17., 17.5, 17.6, 17.9

4 Ácidos y bases

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

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 HCl + H O Cl + H O ácido base NaOH + H O Na + H O + OH base ácido NH + H O NH + OH NH + H O NH + OH base ácido ácido base NH + H O NH + OH base ácido ácido base conjugados conjugados [Lectura: Petrucci 17. 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

8 Ácidos y bases en disolución

9 Equilibrio de autoionización.. Producto iónico del agua Agua pura: a 5ºC: H + H + H O + H O H O + OH base ácido ácido base débil débil fuerte fuerte [ HO + [ OH Kw [ H O [ OH w K w,98 1, 1 Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base a 6ºC: [ [ 1, 1 1, 1 K 1 (Aunque no escribimos el subíndice eq, nos referirnos a concentraciones de equilibrio de aquí en adelante) 1 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. 9

10 Def.: [ HO,7 1 M, [ H O 1 M ph log[ HO + 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,7 1 [ OH 1 poh 1,57 M M 11 log[ OH ph, ph 1,57 [ HO + [ OH Kw log[ HO + log[ OH log K w ph + poh pk w K w K w pk 5º C 1, 1 1 w pk w 1, log K 1, 1 w 5º C; ph + poh 1, [Lectura: Petrucci 17. 1

11 ph, poh y pk + [ H O / M ph poh [ OH / M Acidez 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, 1, 1, 1, 1,,,, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 1, 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 5 1, 1 6 1, 1 7 1, 1 8 1, 1 9 1, 1 1 1, , 1 1 Basicidad [Lectura: Petrucci

12 ph y poh Una muestra de agua de lluvia tiene ph,5. Cuánto vale [H O +?,5 log[ HO + log[ H O +,5 [ H O 1,5 1,5 5 M Una muestra de un amoniaco de uso doméstico tiene ph11,8. Cuánto vale [OH -? poh 1, ph 1, 11, 8,7,7 log[ OH [ OH 1 1,9 1,7 M 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 HCl HBr HI HClO HNO H SO (sólo la 1ª ionización) Bases fuertes más frecuentes LiOH NaOH KOH RbOH CsOH Mg ( OH ) Ca( OH ) Sr ( OH ) Ba( OH ) [Lectura: Petrucci 17. 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 H O HO + OH + w + w + [ HO [ OH Kw [ Cl c,15m 1 los Cl - proceden de la ionización del ácido [ HO + [ OH c w + w c,15m 1 6, 7 1 M ~ 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 1 1, 1,15 1 6, 7 1 M [Lectura: Petrucci 17. 1

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. ( ) ( s) ( ) ( ac) + Ca OH Ca OH Ca OH + s + s ( s) [ Ca + [ HO + [ OH H O HO + OH + w + w s w s + w s,m 1, 1 M,M 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 ) 7,1 g Ca( OH ),M 1 ml 1l [H O + y [OH - deben ser consistentes con K w 1 [ HO Kw [ OH 1, 1, 1, 1 M ph 1 log, 1 1, 6 [Lectura: Petrucci

16 Ácidos y bases débiles

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 pk 1 6, 1 a 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 K b pk 5 1,8 1 b, 7 - bases más fuertes cuanto mayor K b (cuanto menor pk b ) [Lectura: Petrucci

18 Ácidos débiles Fuerza del ácido 18

19 Bases débiles Fuerza de la base 19

20 Ácidos débiles Disolución HA(ac) c M. Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución? HA + H O A + H O + + H O HO + OH + w + w [ A [ HO [ HA + [ HO [ OH Kw [ HA c 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 NO K + K + c K a a o a? c >> K a? c >> K a SI c K a c K a K a w K w [Lectura: Petrucci 17.5

21 c K a ; Ka Kac ; K + K + c K a a o a ( > ) Si : c >> K a cka >> Ka cka >> Ka Ka + coka coka 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 1

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

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 - HF + H O F + H O + + H O HO + OH + w + w [ F [ HO Ka 6,6 1 [ HF [ [ 1, 1 1 HO OH K w [ HF c c [ F [ HO + + w [ OH w,15m,99m,99m 1 1, 1 M [ HF >> [ F [ H O >>> [ OH c K a? w >>, 6 +, 66, 6 SI K w 1, 1 9, , 1 1 ph Ka c cka 9,9 1 log 9,9 1, [Lectura: Petrucci 17.5

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 - HF + H O F + H O + + H O HO + OH + w + w [ F [ HO Ka 6,6 1 [ HF [ [ 1, 1 1 HO OH K w [ HF c [ F [ HO + + w [ OH w,78m,7m,7m 11 1, 1 M [ HF > [ F [ H O >>> [ OH c K a? w >>, 6 +, 66, 67 NO K w 1, 1 7, 1 1 1, 1 11 ph c K log 7, 1,1 a K + K + c K 7, 1 a a o a c K [Lectura: Petrucci 17.5 o a, 99

25 Ácidos débiles Ejemplo: El ph de una disolución HF(ac),15 M es,1. Cuánto vale la constante de ionización del HF? HF + H O F + H O + + H O HO + OH + w w [ F [ HO Ka [ HF [ H O [ OH K w 1, [ HF c [ F [ HO + + w [ OH w [ H O + 1 7, 1 K a,1 (7, 1 ) 6,6 1 c, 15, 7 5

26 [ [ HB + [ OH [ H O + B B + H O HB + OH + + H O H O + OH + w w c c + w 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, ,7 1 9 poh [ HB [ OH Kb 1,5 1 [ B [ H O [ OH K w 1, 1 1 +,15M 6 1,5 1 M 6 1,5 1 M 9 6, 7 1 M 6 log1,5 1 5,8 [ B >> [ HB [ OH >> [ H O Kb c ckb + 1,5 1 6 ph 1, 5,8 8,18 9 6

27 B + H O HB + OH + + H O H O + 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 [ H O [ OH K w 1, [ B c [ HB + [ OH + w [ H O + w poh 1, 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 7

28 Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles) [ A [ H O HA + H O A + HO + + [ HA K a [ HA c [ A [ H O + Grado de ionización c (1 α) cα c α [ A α c Molaridad de ácido ionizado Molaridad de ácido inicial c α 1,5 1% Ácido fuerte cα (1 ) Ka c α cα K (1 α ) K K c K α + c a a a o a Ácido débil c [Lectura: Petrucci

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 α c c, 7 α, 8 8%, 15, 99 α,66 6,6%,15 α Ácido fuerte 1,5 Ácido débil c 9

30 Ácidos polipróticos

31 Ácidos polipróticos Ejemplo: H PO, con K a1 >> K a >> K a H PO + H O H PO + H O y z [ HPO [ H PO [ HPO [ PO [ HO + [ OH c y y z z + y + z + w w + + H PO + H O HPO + H O + y + y HPO + H O PO + H O + z + z H O H O + OH + w + w ( Ka << Ka 1) y ( K << K ) a a (& Kw << Ka 1) [ H PO [ H [ HPO [ [ PO [ HO PO + K a1 7,1 1 + [ HO 8 K a 6, 1 H PO + [ HO 1 K a, 1 [ HPO 1 [ H O [ OH K w 1, 1 c K y K a z K y w K a w a1 y z w 1 [Lectura: Petrucci

32 [ HPO [ H PO [ HPO [ PO [ HO + [ OH c y y z z + y + z + w w y Ácidos polipróticos Ejemplo: Disolución H PO (ac). M. Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el ph? 1 c >> K a? 1 y K a 6, 1 z Ka w K w 1, + 7,1 1 1, SI 8 y 6, 1, 1 1,9 1 1,15 1, 1 1 6,7 1, ,85 M,15 M 8 6, 1 M ph log,15,8 19 1,9 1 M,15 M 1 6, 7 1 M K a1 c c K y K a z K y w K ck a 1, 7,1 1,15 a w a1 [Lectura: Petrucci 17.6 y z w 1

33 Ácidos polipróticos: : El ácido sulfúrico H SO [ H SO [ HSO [ SO 1ª ionización: ácido fuerte; ª ionización: ácido débil Ejemplo: Disolución H SO (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 ( ) c + c c,9 M +c HSO + H O SO + H O + + H O H O + OH + w + w,11m [ SO [ H O [ HSO ( c + ) K c,11 a K a 1,1 1 [ [ 1, 1 1 HO OH K w c Ka c K a,11 [ HO + [ OH c + + w w c +,51M 1, 1 M ph log,51,9 K w w c + 1 1, 1, 1,51 1 [Lectura: Petrucci 17.6