Química 2º Bach. Ácido-base 08/03/06 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Problemas Nombre: 1. Calcula el ph de una disolución de ácido acético (ácido etanoico): a) 0,500 M [1 PUNTO] b) 2,0 10-3 M [1 PUNTO] a) Llamando x a la concentración de ácido acético que se disocia hasta alcanzar el equilibrio. concentración CH (mol/l) 3 COOH CH 3 COO H inicial 0,500 reacciona x x x equilibrio 0,500 x x x De la expresión de la constante de equilibrio de acidez del ácido acético, queda K a = [CH 3 COO ][H ] [CH 3 COOH] 1,8 10 5 = 0,500 x Si consideramos que la disociación es muy pequeña, x << 0,500, queda x 2 1,8 10 5 x2 0,500 x 1,8 10 5 0,500 = 3,0 10-3 M Como el grado de disociación α es la fracción de moles disociados, moles disociados/ L = = x moles iniciales/ L 0,500 = 3,0 10 3 0,500 =6,0 10 3 =0,60 % es inferior al 5%, la aproximación usada es válida. ph = log[h ] = log(3,0 10-3 ) = 2,5 (ácido) b) Repitiendo los mismos cálculos para [CH 3 COOH] = 2,0 10-3 M x 1,8 10 5 2,00 10 3 =1,9 10 4 M = 1,9 10 4 2,0 10 3=0,091=9,1% Ahora la aproximación anterior no es válida y hay que resolver la ecuación de segundo grado: cuya solución es: x 2 1,8 10-5 x 3,6 10-8 = 0 x = 1,8 10-4 M ph = log[h ] = log(1,8 10-4 ) = 3,7 (ácido)
2. A 25 0 C, una solución 0,50 mol/dm 3 de amoníaco tiene el mismo ph que una solución 1,5 10-3 mol/dm 3 de hidróxido de bario. Calcula: a) El ph de las dos soluciones. [½ PUNTO] b) La constante de basicidad del amoníaco. [1 PUNTO] c) El grado de ionización del amoníaco. [½ PUNTO] Datos: concentración de la disolución de amoníaco: [NH 3 ] = 0,50 mol/dm 3 concentración de la disolución de hidróxido de bario: [Ba(OH) 2 ] = 1,5 10-3 mol/dm 3 producto iónico del agua a 25 0 C: K w = 1,00 10-14 Incógnitas: a) ph disolución de Ba(OH) 2 : ph b) constante de basicidad del amoníaco: K b c) grado de ionización del amoníaco: α Ecuaciones: ph y poh ph = -log [H ] poh = -log [OH ] producto iónico del agua a 25 0 C: K w = [H ] [OH ] ph poh = pk w = 14,0 grado de ionización: α = cantidad ionizada / cantidad inicial Cálculos: a) El hidróxido de bario es una base fuerte y disuelta en agua, está totalmente disociada: Ba(OH) 2 (aq) Ba 2 (aq) 2 OH (aq) [OH ] = 1,5 10-3 mol Ba(OH) 2 /dm 3 2 mol OH / mol Ba(OH) 2 = 3,0 10-3 mol OH /dm 3 poh = -log [OH ] = -log 3,0 10-3 = 2,52 que es un ph > 7 básico. ph = 14,0 2,5 = 11,5 b) El amoníaco disuelto en agua se comporta como una base débil: NH 3 (aq) H 2 O (l) NH 4 (aq) OH (aq) Escribiendo las concentraciones iniciales y llamando x a la cantidad de amoníaco que se ioniza, por cada litro de disolución: concentración(m) NH 3 NH 4 OH inicial 0,50 0 ~ 0 disocia x x x equilibrio 0,50 x x x pero como se conoce la concentración de iones hidróxido: x = [OH ] = 3,0 10-3 mol OH /dm 3 La constante de basicidad es la constante del equilibrio anterior: El grado de ionización del amoníaco es: K b = [NH 4][OH - ] = 3,00 10 3 2 =1,84 10 5 [NH 3 ] 0,497 α = cantidad ionizada / cantidad inicial = [ionizada] / [inicial] = 3,0 10-3 / 0,50 = 0,0060 = 0,60%
3. Calcula a 25 0 C, el ph de una solución obtenida al mezclar 0,50 dm 3 de una solución 0,50 mol/dm 3 de ácido clorhídrico con 0,70 dm 3 de una solución 0,50 mol/dm 3 de hidróxido de sodio. Supón volúmenes aditivos. [1 PUNTO] Datos: volumen de la disolución de ácido clorhídrico: V a = 0,50 dm 3 concentración de la disolución de ácido clorhídrico: [HCl] = 0,50 mol/dm 3 volumen de la disolución de hidróxido de sodio: V b = 0,70 dm 3 concentración de la disolución de hidróxido de sodio: [Na(OH)] = 0,50 mol/dm 3 producto iónico del agua a 25 0 C: K w = 1,00 10-14 Incógnitas: ph mezcla: ph Ecuaciones: ph y poh ph = -log [H ] poh = -log [OH ] producto iónico del agua a 25 0 C: K w = [H ] [OH ] ph poh = pk w = 14,0 Cálculos: La reacción entre el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio es: HCl (aq) NaOH (aq) NaCl (aq) H 2 O (l) Las cantidades de los reactivos son: n (HCl) = 0,50 dm 3 D HCl 0,50 mol HCl / dm 3 D = 0,25 mol HCl iniciales n (NaOH) = 0,70 dm 3 D NaOH 0,50 mol NaOH / dm 3 D = 0,35 mol NaOH iniciales El reactivo limitante es el HCl. Reaccionan n'(naoh) = 0,25 mol HCl 1 mol NaOH / mol HCl = 0,25 mol NaOH que reaccionan. Quedan n''(naoh) = 0,35 mol NaOH iniciales 0,25 mol NaOH reaccionan = 0,10 mol NaOH sobran disueltos en: V T = 0,50 dm 3 0,70 dm 3 = 1,20 dm 3 D La concentración del NaOH que queda es: [NaOH] = 0,10 mol NaOH / 1,20 dm 3 D = 0,083 M Como el NaOH es una base fuerte, está totalmente disociado: y la concentración del ión hidróxido será la misma: NaOH (aq) Na (aq) OH (aq) [OH ] = 0,083 mol NaOH /dm 3 1 mol OH / mol NaOH = 0,083 mol OH /dm 3 poh = -log [OH ] = -log 0,083 = 1,1 que es un ph > 7 básico. ph = 14,0 1,1 = 12,9 DATOS: K a (acético) = 1,8 10-5 K W = 1,00 10-14 a 25 0 C. Teoría [1 PUNTO / UNO] 1. Demuestra la relación entre la constante de acidez de un ácido y la constante de basicidad de su base conjugada. Si es un ácido HA débil monoprótico, su constante de acidez es la constante del equilibrio de disociación. HA (aq) H (aq) A (aq)
K a = [H ][A ] [HA] El equilibrio de ionización de su base conjugada A en agua es: Multiplicando ambas ecuaciones: A (aq) H 2 O (l) HA (aq) OH (aq) K a K b = [H ][A ] [HA] K b = [OH- ][HA] [A ] [OH ][HA] =[H ][OH ]=K [A w ] 2. Define brevemente el concepto de disolución reguladora y elige entre los siguientes pares de sustancias, el o los que formarán una disolución reguladora: Ácido clorhídrico / cloruro de sodio. Ácido cianhídrico / cianuro de potasio. Ácido nítrico / nitrato de amonio. Hidróxido de amonio / cloruro de amonio. Justifica brevemente la respuesta Una disolución reguladora es aquella en la que el ph se mantiene prácticamente constante frente a la adición de cantidades pequeñas de un ácido o una base. Consta de una especie débil (un ácido o una base débil) y de la sal de su especie conjugada. Elijo dos de las respuestas: El ácido cianhídrico es un ácido débil y el cianuro de potasio es una sal de su base conjugada (ión cianuro) El hidróxido de amonio es una base débil y el cloruro de amonio es una sal de su ácido conjugado (ión amonio). Tanto el ácido nítrico como el clorhídrico son ácidos fuertes y no sirven para preparar disoluciones reguladoras. 3. Dispones de tres tubos sin etiquetar que corresponden a tres disoluciones acuosas: sulfato de amonio [tetraoxosulfato(vi) de amonio], nitrato de potasio [trioxonitrato(v) de potasio] e hipobromito de sodio [oxobromato(i) de sodio]. Cómo podrías distinguirlas con tintura de tornasol (rojo 6 8 azul)? El indicador tintura de tornasol permite determinar su carácter ácido, básico o neutro, a partir del color: rojo para el ácido, azul para el básico y violeta (mezcla de rojo y azul) para el neutro. El sulfato de amonio tendrá carácter ácido porque proviene de un ácido fuerte (ácido sulfúrico) y de una base débil (amoníaco). La sal es un electrolito fuerte y se disocia totalmente. (NH 4 ) 2 SO 4 (aq) 2 NH 4 (aq) SO 4 2 (aq) El ión amonio es el ácido conjugado de una base débil (el amoníaco) y reaccionará con el agua: NH 4 (aq) H 2 O (l) NH 3 (aq) H 3 O (aq) dando una disolución de carácter ácido (ph < 7) y dará color rojo con la tintura de tornasol. El nitrato de potasio tendrá carácter neutro porque proviene de un ácido fuerte (ácido nítrico) y de una base fuerte (hidróxido de potasio). La sal es un electrolito fuerte y se disocia totalmente. KNO 3 (aq) K (aq) NO 3 (aq) El ión potasio no reacciona con el agua (la base fuerte es el ión hidróxido) y el ión nitrato es la base conjugada de un ácido fuerte (el ácido nítrico) y tampoco reaccionará con el agua: La disolución resultante tendrá carácter neutro (ph = 7) y dará color violeta con la tintura de tornasol.
El hipobromito de sodio tendrá carácter básico porque proviene de un ácido débil (ácido hipobromoso) y de una base fuerte (hidróxido de sodio). La sal es un electrolito fuerte y se disocia totalmente. NaBrO (aq) Na (aq) BrO (aq) El ión hipobromito es la base conjugada de un ácido débil (ácido hipobromoso) y reaccionará con el agua: BrO (aq) H 2 O (l) HBrO (aq) OH (aq) dando una disolución de carácter básico (ph > 7) y dará color azul con la tintura de tornasol. Laboratorio [2 PUNTOS] Explica el procedimiento que seguirías para valorar una base fuerte con un ácido fuerte. Indica el material utilizado, justifica el indicador usado y dibuja la curva de ph obtenida. Procedimiento: Se mide con una pipeta de 10 ml, 10,0 ml de disolución de la base fuerte (p. ej. hidróxido de sodio NaOH). Se vierten en un matraz erlenmeyer de 100 ml y se añaden 2 gotas de fenolftaleína. La disolución se pone de color rosa. Se llena una bureta de 25 ml con ácido fuerte de concentración conocida (p. ej. ácido clorhídrico HCl 0,100 M) por encima del cero y se abre la llave para que se llene el pico de la bureta, hasta que el nivel de ácido en la bureta quede en 0. Se coloca el matraz erlenmeyer bajo la bureta y se abre la llave dejando caer el ácido a chorros mientras se imprime un movimiento de rotación al erlenmeyer, hasta que el color rosa desaparezca. (Es aconsejable colocar debajo un papel blanco para ver mejor la pérdida de color). Se anota el volumen gastado, (p. ej.: 9,6 ml) aunque sólo es un valor aproximado. Se tira el contenido del matraz erlenmeyer y se lava. Se repite el proceso, pero en vez de dejar caer el ácido a chorros, se deja caer hasta un ml menos que la vez anterior (8,6 ml). A partir de entonces se deja caer gota a gota hasta que el color desaparezca. Se anota el volumen (p. ej.: 9,4 ml) Se repite la valoración. Si el volumen de ácido gastado es el mismo (9,4 ml) se da por válido. En caso contrario se repite otra vez. Se toma como correcto los dos valores que coincidan (o la media de los tres valores). La concentración de la base se calcula por estequiometría. Con los valores supuestos: HCl (aq) NaOH (aq) Cl (aq) Na (aq) H 2 O (l) [NaOH]= 9,4 10 3 LD HCl mol HCl 1 mol NaOH =0,094 M 10,0 10 3 LD NaOH 0,100 1 LD HCl 1 mol HCl Material: Pipeta de 10 ml con aspirador. Bureta de 25 ml Base y varilla soporte, nuez y pinzas para la bureta. Matraz erlenmeyer. Vaso de precipitados (para contener el ácido para rellenar la bureta) Indicador: Se utiliza fenolftaleína porque la variación de color (rosa 10-8 incoloro) se aprecia muy bien, sobre todo si se coloca debajo un papel blanco. Aunque el intervalo de variación del ph está fuera del punto de equivalencia (ph = 7), la rápida variación del ph en la zona de neutralización hace que el error sea como máximo de una gota (0,05 ml). ph 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Valoración ácido-base 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 V (ml) HCl añadidos Curva de valoración