12. Equilibrio ácido-base

Transcripción

1 12. Equilibrio ácido-base Ácidos y bases Disociación del agua: autoionización Producto iónico del agua Escala ph Medición ph Ácidos y bases Br nsted-lowry Pares conjugados ácido-base Fuerza de ácidos y bases Hidrólisis Comportamiento ácido-base y estructura química Ácidos y bases de Lewis Disoluciones amortiguadoras o reguladoras

2 Ácidos y bases Teoría de Arrhenius Premio Nobel 1903 Ácidos sustancias que en disolución acuosa liberan protones HCl H 2 O H (ac) Cl - (ac) Bases sustancias que en disolución acuosa liberan grupos hidroxilo NaOH H 2 O Na (ac) OH - (ac)

3 Ácidos y bases Teoría de Br nsted-lowry Ácido sustancia dadora de protones Base sustancia aceptora de protones Anfótero sustancia que puede actuar como ácido o como base HCl(g) H 2 O Cl - (ac) H 3 O (ac) ácido(1) base(2) base(1) ácido(2) NH 3 H 2 O NH 4 OH - base(1) ácido(2) ácido(1) base(2)

4 Ácidos y bases Teoría de Br nsted-lowry

5 Autoionización del agua Disociación del agua Una molécula de agua transfiere un protón a una segunda generándose un ión hidrónio y un ión hidroxilo OH - H 3 O 2 H 2 O H 3 O OH - w [H 3 O ] [OH - ] / [H 2 O] 2 Producto iónico del agua ( w ) w [H 3 O ] [OH - ] (25 o C)

6 Disociación del agua En una disolución neutra [H 3 O ] [OH - ] w [H 3 O ] 2 [OH - ] 2 [H 3 O ] [OH - ] 10-7 M SORENSEN ph -log [H 3 O ] 10 -ph [H ] poh -log [OH - ] p -log p w -log w 14 -log (10-14 ) - log [H 3 O ] (-log [OH - ]) 14 ph poh

7 Disociación del agua Ejemplo. Si el ph de la Coca-cola es 3,12. Calcular [H 3 O ]

8 Disociación del agua Escala de ph Escala de ph desarrollada por SORENSEN DISOLUCIÓN ACUOSA A TEMPERATURA CONSTANTE, 25ºC ph 7 disolución neutra [H ][OH - ]10-7 agua pura, medio neutro ph<7 y poh>7 disolución es ácida [H ]>[OH - ]; Si [H ]>10-7 la disolución es ácida ph>7 y poh<7 disolución es básica [H ]<[OH - ]; Si [OH - ]>10-7 la disolución es básica

9 Disociación del agua ESCALA DE ph y valor ph algunos materiales Pearson Canada Inc.

10 Disociación del agua ESCALA DE ph y valor ph algunos materiales Pearson Canada Inc.

11 Fuerza de ácidos y bases Ácidos y bases Br nsted-lowry Ácido fuerte y base fuerte se encuentran totalmente disociados HCl (ac) H 2 O(l) ácido fuerte Cl - (ac) H 3 O (ac) base conjugada muy débil Ácidos fuertes: HCl, HBr, HI, HNO 3, HClO 3, HClO 4, H 2 SO 4 NaOH (ac) H 2 O(l) Na (ac) OH - (ac) base fuerte ácido conjugado muy débil Bases fuertes: LiOH, NaOH, OH, Ca(OH) 2, Sr(OH) 2, Ba(OH) 2

12 Fuerza de ácidos y bases Ácidos y bases Br nsted-lowry Ácido débil y base débil se encuentran parcialmente disociados HF (ac) H 2 O(l) F - H 3 O ácido débil base conjugada débil Ácidos débiles: HF, HCN, H 2 S, HSO 4-, H 2 SO 3, HClO, H 2 CO 3 N 2 H 4 (ac) H 2 O(l) N 2 H 5 (ac) OH - (ac) base débil ácido conjugado débil Bases débiles: N 2 H 4, NH 3, CN -, HS -, SO 4 2-, ClO -, CO 3 2-

13 Débil Fuerza de ácidos y bases Ácidos y bases Br nsted-lowry 100 ionizado en agua Aumenta la fuerza del ácido Insignificante Fuerte Ácido Base HCl Cl - H 2 SO 4 HSO 4 - HNO 3 NO 3 - H (ac) H 2 O HSO4- SO 4 2- H 3 PO 4 H 2 PO 4 - HF F - CH 3 COOH CH 3 COO - H 2 CO 3 HCO 3 - H 2 S HS - H 2 PO 4 - HPO 4 2- NH 4 HCO 3 - HPO 4 2- NH 3 CO 3 2- PO 4 3- H 2 O OH - HS - S 2- OH - O 2- H 2 H - Débil Insignificante Fuerte Aumenta la fuerza de la base 100 protonada en agua

14 Fuerza de ácidos y bases Ácidos y bases Br nsted-lowry El valor de la constante de equilibrio o de acidez es una medida cuantitativa de la fuerza del ácido en disolución acuosa [ A ][ H HA H 2 O A - H 3 O 3O [ HA] a ] ][ H [ AH O ] [ A ][ H 3O CONSTANTE DE ACIDEZ O DISOCIACIÓN [ A 3 ] a p a log a ]

15 Fuerza de ácidos y bases Ácidos y bases Br nsted-lowry El valor de la constante de equilibrio o de basicidad es una medida cuantitativa de la fuerza de la base en disolución acuosa B H 2 O OH - BH [ BH ][ OH b [ B] ] CONSTANTE DE BASICIDAD p log b b

16 Fuerza de ácidos y bases Ácidos y bases Br nsted-lowry Ácidos fuertes Ácidos débiles a elevada ( a >> 1) a pequeña ( a < 1, p a < 0) [H ] [HA] [H ] << [HA] A - es una base más debil que el agua A - es una base más fuerte que el agua

17 Ácidos y bases Br nsted-lowry Pearson Canada Inc.

18 Relación entre a y b Ácidos y bases Br nsted-lowry NH 4 H 2 O NH 3 H 3 O a [ NH 3][ H 3O [ NH ] 4 ] NH 3 H 2 O NH 4 OH - b [ NH 4 ][ OH [ NH ] 3 ] [ NH 3][ H3O ] [ NH 4 ][ OH ] ab [ NH 4 ] [ NH 3] w a b w

19 Ácidos y bases Br nsted-lowry Cálculo de ph de una disolución de un ácido débil Ejemplo. Calcular el ph de una disolución de ácido acético (AcOH) 1,00 M. a 1, AcOH H 2 O AcO - H 3 O [AcOH] [H 3 O ] [AcO - ] Inicial 1, Equilib. 1,00-x x x a [ AcO ][ H O ] x x 5 3 1,8 10 [ AcOH] 1 x

20 Ácidos y bases Br nsted-lowry Método de aproximaciones Si x es muy pequeño comparado con la concentración a x x 1 5 1,8 10 x [H 3 O ] [AcO - ] [ a 1] 1/2 x [H 3 O ] [AcO - ] 4, M ph - log [H 3 O ] -log (4, ) 2,37 Si 100 a < C o, entonces [H 3 O ] [ a C o ] 1/2 Si 100 a C o, entonces Ecuación cuadrática

21 Ácidos y bases Br nsted-lowry Cálculo de ph de una disolución de una base débil Ejemplo: Calcular el ph de una disolución de amoniaco 0,01 M. NH 3 H 2 O NH 4 OH - b 1, b [ NH ][ OH ] x x 5 4 1,8 10 [ NH ] 0,01 x 3 Si (100 b < C o ) b x x 0,01 1,8 5 10

22 Ácidos y bases Br nsted-lowry Cálculo de ph de una disolución de una base débil Ejemplo: Calcular el ph de una disolución de amoniaco 0,01 M. b x x 0,01 1, x [OH - ] 4, M poh - log [4, ] 3,37 ph poh 14 ph 10,63 Si 100 b < C o, entonces [OH - ] [ b C o ] 1/2 Si 100 b C o, entonces Ecuación cuadrática

23 Ácidos y bases Br nsted Ácidos polipróticos Ácidos dipróticos Nombre Fórmula a1 a2 Ácido sulfhídrico H2S 1, , Ácido sulfúrico H2SO4 > 100 1, Ácido sulfuroso H2SO3 1, , Ácido carbónico H2CO3 4, , Ácido oxálico H2C2O4 6, ,1 10-5

24 Ácidos y bases Br nsted Ácidos polipróticos Ácido triprótico: Ácido fosfórico H 3 PO 4 H 2 O H 3 O H 2 PO 4 - H 2 PO 4- H 2 O H 3 O HPO 4 2- HPO 4 2- H 2 O H 3 O PO 4 3- a1 7, a2 6, a3 4,

25 Ácidos y bases Br nsted Ejemplo. El ácido oxálico es una sustancia que se utiliza como agente blanqueador y limpiador. Calcular la concentración de las especies que están presentes en el equilibrio en una disolución 0,1 M. a1 (H 2 C 2 O 4 ) 6,5 10-2, a2 (HC 2 O 4- ) 6, H 2 C 2 O 4 H 2 O HC 2 O 4- H 3 O [H 2 C 2 O 4 ] [HC 2 O 4- ] [H 3 O ] Inicial 0,1 0 0 Equilib. 0,1- x x x [ HC2O4 ][ H3O ] x x 2 a1 6,5 10 [ H C O ] 0,1 x 2 2 4

26 Ácidos y bases Br nsted [ HC2O4 ][ H3O ] x x 2 a1 6,5 10 [ H C O ] 0,1 x x 2 6, x 6, x 0,054 [H 2 C 2 O 4 ] 0,1-0,054 0,046 M [HC 2 O 4- ] 0,054 M [H 3 O ] 0,054 M

27 Ácidos y bases Br nsted HC 2 O 4- H 2 O C 2 O 4 2- H 3 O [HC 2 O 4- ] [C 2 O 4 2- ] [H 3 O ] inicial 0, ,054 equilib 0,054 - y y 0,054 y 2 [ C2O4 ][ H3O ] y (0,054 y) 5 6,1 [ HC 0,054 2O4 ] y a2 10 y (0,054) 0, ,1 10 y

28 Ácidos y bases Br nsted [HC 2 O 4- ] [C 2 O 4 2- ] [H 3 O ] inicial 0, ,054 equilib 0,054 - y y 0,054 y [H 2 C 2 O 4 ] 0,046 M [HC 2 O 4- ] 0,054 6, ,054 M [H 3 O ] 0,054 6, ,054 M [C 2 O 2-4 ] 6, M

29 Ácidos y bases Br nsted-lowry Hidrólisis de sales REACCIÓN DE NEUTRALIZACIÓN AL MEZCLAR CANTIDADES ESTEQUIOMÉTRICAS DE UN ÁCIDO Y UNA BASE MONOPRÓTICOS DA LUGAR A LA FORMACIÓN DE UNA SAL ÁCIDO BASE SAL AGUA SAL DE ÁCIDO Y BASE FUERTE: NaCl SAL DE ÁCIDO FUERTE y BASE DÉBIL: NH 4 Cl SAL DE ÁCIDO DÉBIL y BASE FUERTE: NaAc SAL DE ÁCIDO DÉBIL y BASE DÉBIL: HCOONH 4

30 Hidrólisis de sales Ácidos y bases Br nsted-lowry SAL DE ÁCIDO Y BASE FUERTE CLORURO DE SODIO EN AGUA 25ºC ph7 NaCl(ac) Na (ac) Cl - (ac) Na H 2 O Cl - H 2 O

31 Hidrólisis de sales Ácidos y bases Br nsted-lowry SAL DE ÁCIDO FUERTE y BASE DÉBIL: NH 4 Cl CLORURO DE AMONIO EN AGUA 25ºC ph<7 NH 4 Cl NH 4 Cl - NH 4 H 2 O NH 3 H 3 O Cl - H 2 O h [ NH 3 ][ H [ NH 3 4 O CONSTANTE DE HIDRÓLISIS ] ] [ NH 3][ H3O ] [ OH ] [ NH 3] h [ H ][ OH ] [ NH ] [ OH ] [ NH ][ OH ] 4 4 w b w h b a w b h w b a

32 Hidrólisis de sales Ácidos y bases Br nsted-lowry SAL DE ÁCIDO DÉBIL y BASE FUERTE: NaAc ACETATO DE SODIO EN AGUA 25ºC ph>7 CH 3 COONa Na CH 3 COO - CH 3 COO - H 2 O CH 3 COOH OH - h [ CH 3COOH ][ OH [ CH COO ] 3 ] Na H 2 O CONSTANTE DE HIDRÓLISIS [ CH 3COOH ][ OH ] [ H ] [ CH 3COOH ] h [ H ][ OH ] [ CH COO ] [ H ] [ CH COO ][ H ] 3 3 w a w h a b w a h

33 Hidrólisis de sales Ácidos y bases Br nsted-lowry SAL DE ÁCIDO DÉBIL y BASE DÉBIL: HCOONH 4 ACETATO DE AMONIO EN AGUA 25ºC ph>7 / ph<7 CH 3 COONH 4 NH 4 CH 3 COO - NH 4 H 2 O NH 3 H 3 O CH 3 COO - H 2 O CH 3 COOH OH - h [ NH [ NH ][ CH ][ CH COOH ] 3 COO ] h [ NH [ NH [ NH 3] [ NH ][ OH ][ CH 3COOH ] [ OH ][ CH COO ] [ OH 3 [ CH 3COOH ] ] [ CH COO ][ H 3 h w a ][ H ][ H b 3 3 O O [ H ] ] ] ][ OH ] w b a

34 Hidrólisis de sales Ácidos y bases Br nsted-lowry -Las sales de ácidos fuertes y bases fuertes no se hidrolizan, el ph 7. -Las sales de bases fuertes y ácidos débiles se hidrolizan el anión actúa como una base, ph > 7. -Las sales de bases débiles y ácidos fuertes se hidrolizan el catión actúa como un ácido, ph < 7. -Las sales de bases débiles y ácidos débiles se hidrolizan y los cationes son ácidos y los aniones bases. La disolución final va a ser ácida o básica dependiendo del valor de las constantes de ionización ( a y b )

35 Ácidos y bases Br nsted-lowry Ejemplo. El cianuro de sodio es una sustancia venenosa pero tiene aplicaciones como en la metalurgia del oro y la plata y en el depósito de metales por electrólisis. Las disoluciones acuosas de cianuros son peligrosas si se acidifican debido al desprendimiento de HCN que es un gas tóxico. Cuál es el ph de una disolución de NaCN 0,5 M? a (HCN) 6, NaCN Na CN - Na H 2 O CN - H 2 O HCN OH - [CN - ] [HCN] [OH - ] Inicial 0,5 0 0 Equilib. 0,5 - x x x

36 Ácidos y bases Br nsted-lowry Ejemplo. El cianuro de sodio es una sustancia venenosa pero tiene aplicaciones como en la metalurgia del oro y la plata y en el depósito de metales por electrólisis. Las disoluciones acuosas de cianuros son peligrosas si se acidifican debido al desprendimiento de HCN que es un gas tóxico. Cuál es el ph de una disolución de NaCN 0,5 M? a (HCN) 6, CN - H 2 O HCN OH - b w a [CN-] [HCN] [OH-] inicial 0,5 0 0 equilib 0,5- x x x h b [ HCN][ OH ] x x 5 1,6 10 [ CN ] 0,5 x

37 Ácidos y bases Br nsted-lowry Ejemplo. El cianuro de sodio es una sustancia venenosa pero tiene aplicaciones como en la metalurgia del oro y la plata y en el depósito de metales por electrólisis. Las disoluciones acuosas de cianuros son peligrosas si se acidifican debido al desprendimiento de HCN que es un gas tóxico. Cuál es el ph de una disolución de NaCN 0,5 M? a (HCN) 6, h b [ HCN][ OH ] x x 5 1,6 10 [ CN ] 0,5 x Se cumple 100 b < C o x [OH - ] ( ) 1/2 2, M poh - log [OH - ] 2,55 ph poh 14 ph 11,45

38 Comportamiento ácido-base y estructura química Factores que determinan la acidez Energías de enlace: enlaces más débiles favorecen acidez Polaridad del enlace: mayor electronegatividad favorece acidez Energías de hidratación: iones que se hidratan favorecen acidez

39 Comportamiento ácido-base y estructura química Combinaciones de hidrógeno Incremento acidez Incremento acidez Diminución de la fuerza del enlace E(H-X) J/mol Electronegatividad de A - a a , , , , > 100 > 100 >100 E(H-X) J/mol

40 Comportamiento ácido-base y estructura química Oxoácidos Incremento acidez Mayor electronegatividad de la base a 2, , χ 2,5 2,8 3

41 Comportamiento ácido-base y estructura química Oxoácidos Incremento acidez Mayor posibilidad la base en deslocalizar la carga a 3, , > 100

42 Comportamiento ácido-base y estructura química Ácidos carboxílicos O O CH 3 C O H CH 3 H 2 C O H CF 3 C O H a 1, , , El oxígeno adicional unido al carbono (CO) hace que el enlace O-H sea más polar. La base conjugada del ácido carboxílico presenta resonancia. Átomos electronegativos unidos al carbono central hace incrementar la acidez del ácido carboxílico.

43 Comportamiento ácido-base y estructura química Iones metálicos hidratados Las soluciones de algunos iones metálicos son ácidas: hidrólisis se incrementa con la carga iónica [Al(H 2 O) 6 ] 3 (aq) H 2 O [Al(H 2 O) 5 (OH) ] 2 (aq) H 3 O (aq) a1 1,8 x 10-5 [Fe(H 2 O) 6 ] 3 (aq) H 2 O [Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2 (aq) H (aq) a1 9 x 10-4 [Fe(H 2 O) 6 ] 2 (aq) H 2 O [Fe(H 2 O) 5 (OH)] (aq) H (aq) a1 1 x 10-7

44 Comportamiento ácido-base y estructura química Amoniaco y aminas NH 3 H 2 O NH 4 OH - p b 4,74 NH 2 Br H 2 O NH 3 Br OH - p b 7,61 NH 2 NH 2 p b 3,36 p b 9,13 CH 3 NH 2 H 2 O CH 3 NH 2 OH - p b 3,38

45 Ácidos y bases Lewis Ácido de Lewis aceptor de un par de electrones Base de Lewis donadora de un par de electrones H F H F H N BF H N B F H F H F base ácido aducto base ácido

46 Disoluciones amortiguadoras Disoluciones reguladoras (buffers) DISOLUCIONES REGULADORAS: DISOLUCIONES QUE EN SU COMPOSICIÓN ADMITEN LA ADICIÓN DE CANTIDADES MODERADAS DE ÁCIDO O DE BASE SIN MODIFICAR DE FORMA SIGNIFICATIVA SU ph. GRAN IMPORTANCIA EN PROCESOS BIOLÓGICOS, QUÍMICOS Y FISIOLÓGICOS DONDE ES NECESARIO MANTENER LOS VALORES DE ph EN INTERVALOS DEFINIDOS. DOS TIPOS: DISOLUCIONES DE ÁCIDOS O BASES FUERTES DISOLUCIONES DE ÁCIDO DÉBIL Y SU BASE CONJUGADA

47 Disoluciones amortiguadoras Cálculo de ph de una disolución reguladora DISOLUCIONES DE ÁCIDO DÉBIL Y SU BASE CONJUGADA HA H 2 O H 3 O A - REACCIÓN ÁCIDO BASE [ A 3 a ][ H O [ HA] ] a[ HA] [ H3O ] [ A ] log[ H3O ] log a[ HA] [ A ]

48 Disoluciones amortiguadoras Cálculo de ph de una disolución reguladora [ HA] log[ H 3O ] log a log [ A ] ph p a [ HA] log [ A ] [HA][A - ] ph p a [ A ] log [ HA ] ph pa [base conjugada] log [ácido débil] ph p a