Química. Equilibrio ácido-base Nombre:

Química DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Equilibrio ácido-base 25-02-08 Nombre: Cuestiones y problemas 1. a) Qué concentración tiene una disolución de amoníaco de ph =10,35? [1½ PUNTO] b) Qué es una disolución reguladora (amortiguadora)? Justifica si podrías preparar una disolución reguladora con la disolución anterior y explica qué sustancias o disoluciones necesitarías y de qué concentración tanto si lleva amoníaco como si no. [1 PUNTO] 2. a) Calcula la concentración en g/dm 3 y el ph de una disolución saturada de hidróxido de magnesio. [1 PUNTO] b) Determina si precipitará hidróxido de magnesio al mezclar 450 cm 3 de una disolución que contiene 4,76 mg de cloruro de magnesio con 50 cm 3 de disolución de hidróxido de potasio 2,5 10-3 M. [1 PUNTO] c) Qué sustancia se usaría para disolver un precipitado de hidróxido de magnesio? [½ PUNTO] 3. a) Calcula la constante de presiones K p para la formación exotérmica de un mol de yoduro de hidrógeno a 627 0 C. [½ PUNTO] b) Una muestra de 3,84 g de yoduro de hidrógeno se introduce en un recipiente de 5 000 cm 3. Calcula la presión parcial del hidrógeno cuando se alcance el equilibrio a los 627 0 C. [1 PUNTO] c) Estima si el grado de disociación aumentará al enfriar el recipiente hasta los 25 0 C. [1 PUNTO] Laboratorio Se valora una disolución de hidróxido de sodio con ácido sulfúrico 0,250 mol/dm 3. Se realizan cuatro medidas del volumen de la disolución de sulfúrico para neutralizar 25,00 cm 3 de la base en cada una de ellas. Los resultados son: [1]: 20,05; [2]: 19,60; [3]: 19,80 y [4]: 19,65 cm 3 de disolución de ácido sulfúrico. a) Calcula la concentración de la disolución de hidróxido de sodio. [½ PUNTO] b) Nombra el material de vidrio y haz una breve descripción de para qué se usa en esta práctica. [½ PUNTO] c) Dibuja la curva de valoración y marca en él la zona de viraje del indicador que utilizarías. [½ PUNTO] d) Calcula el ph del contenido del recipiente en la experiencia [1]. [1 PUNTO] Datos: 1 atm = 760,0 mmhg = 101 325 Pa Constante de los gases ideales: R = 0,08204 atm L mol -1 K-1-1 = 8,314 J mol-1 K Constante de disociación de dos moles de yoduro de hidrógeno a 627 0 C: K C = 3,8 10-2 Constante de solubilidad del hidróxido de magnesio a 25 0 C: K s = 3,2 10-11 Constante de basicidad del amoníaco a 25 0 C: K b = 1,8 10-5 Producto iónico del agua a 25 0 C: K w = 1,00 10-14 Indicador Color Viraje Color Anaranjado de metilo Rojo 3,1 4,4 Amarillo Rojo de metilo Rojo 4,8 6,0 Amarillo Azul de bromotimol Amarillo 6,0 7,5 Azul Fenolftaleína Incoloro 8,2 10,0 Rosa

Soluciones 1. a) Qué concentración tiene una disolución de amoníaco de ph =10,35? b) Qué es una disolución reguladora (amortiguadora)? Justifica si podrías preparar una disolución reguladora con la disolución anterior y explica qué sustancias o disoluciones necesitarías y de qué concentración tanto si lleva amoníaco como si no. EXAMEN PROBLEMA 1 PROBLEMA 2 PROBLEMA 3 Laboratorio Rta.: [NH 3 ] 0 = 3,0 10-3 mol NH 3 / dm 3 El amoníaco es una base débil que al disolverse en agua queda en equilibrio con los iones amonio e hidróxido. Sabiendo que y que de la constante iónica del agua, se puede escribir: NH 3 (ac) + H 2 O (l) NH4 + (ac) + OH (ac) ph = -log [H + ] poh = -log [OH ] K w = [H + ] [OH ] = 1,00 10-14 ph + poh = 14,00 se calcula la concentración de iones hidróxido en el equilibrio: poh = 14,00 10,35 = 3,65 [OH ] = 10-3,65 = 2,2 10-4 mol/dm 3 Si llama c 0 a la concentración de la disolución de amoníaco. Una tabla de concentraciones de cada especie en la disolución, sería concentración (mol/dm 3 ) NH 3 H 2 O NH 4 + OH inicial c 0 0 0 reacciona/produce equilibrio 2,2 10-4 La concentración de iones hidróxido (2,2 10-4 mol/dm 3 ) es debida a la reacción entre el amoníaco y el agua, y por la estequiometría del proceso, la cantidad de amoníaco que reacciona (por cada litro de disolución) debe ser [NH 3 ] reacciona = 2,2 10-4 mol/dm 3 En el equilibrio habrá de da cada especie en disolución: concentración (mol/dm 3 ) NH 3 H 2 O NH 4 + OH equilibrio c 0 2,2 10-4 2,2 10-4 2,2 10-4 La constantes de basicidad del amoníaco es K b = [NH 4 ] eq [OH ] eq [ NH 3 ] eq

1,8 10 5 = 2,2 10 4 2,2 10 4 c 0 2,2 10 4 y despejando c 0 queda: c 0 = [NH 3 ] 0 = 3,0 10-3 mol NH 3 / dm 3 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. El amoníaco es una base débil y su ácido conjugado según la teoría de Brönsted-Lowry es el ión amonio. Se puede usar la disolución de amoníaco para preparar una disolución reguladora añadiéndole una sal de amonio, por ejemplo cloruro de amonio, de modo que la concentración de la sal sea parecida a la del amoníaco. 2. a) Calcula la concentración en g/dm 3 y el ph de una disolución saturada de hidróxido de magnesio. b) Determina si precipitará hidróxido de magnesio al mezclar 450 cm 3 de una disolución que contiene 4,76 mg de cloruro de magnesio con 50 cm 3 de disolución de hidróxido de potasio 2,5 10-3 M. c) Qué sustancia se usaría para disolver un precipitado de hidróxido de magnesio? EXAMEN PROBLEMA 1 PROBLEMA 2 PROBLEMA 3 LABORATORIO Rta.: a) s' = 1,2 10-3 g/dm 3 ph = 10,60 b) No, 6,3 10-12 < K s c) ácido a) El hidróxido de magnesio es poco soluble y en una disolución saturada, el sólido se encuentra en equilibrio con sus iones. Llamando s a la solubilidad del hidróxido de magnesio, en el equilibrio habrá: 2+ Mg(OH) 2 (s) Mg (ac) + 2 OH (ac) s La constante de equilibrio o producto de solubilidad es: Despejando la solubilidad s: 2s K s = [Mg 2+ ] [OH ] 2 = s (2s) 2 = 4 s 3 En g/dm 3 será: s= 3 3,2 10 11 =2,0 10 4 mol /dm 3 4 s' = 2,0 10 4 mol Mg OH 2 58,3g Mg OH 2 =1,2 10 2 g Mg OH 1dm 3 D 1mol Mg OH 2 /dm 3 D 2 La concentración del ión hidróxido es: de donde [OH ] = 2 s = 4,0 10-4 M poh = - log [OH ] = 3,40

ph = 14,00 poh = 10,60 b) La condición para que precipite hidróxido de magnesio en una disolución que contenga iones magnesio e iones hidróxido es que: Q s = [Mg 2+ ] [OH ] 2 K s Cuando se mezclen las disoluciones de cloruro de magnesio y de hidróxido de potasio, suponiendo que el volumen total sea la suma de los volúmenes de ambas disoluciones, las concentraciones finales de cada una las disoluciones tras la mezcla serán: 4,76 10 3 g MgCl 1mol MgCl 2 2 95,2g MgCl 2 [MgCl 2 ] f = =1,0 10 4 mol MgCl 450 50 10 3 dm 3 2 /dm 3 D f D f 50 10 3 dm 3 D KOH 2,5 10 3 mol KOH dm 3 D [KOH] f = =2,5 10 4 mol KOH/dm 3 D 450 50 10 3 dm 3 f D f El cloruro de magnesio es una sal soluble y se disocia totalmente en sus iones por lo que MgCl 2 (ac) Mg 2+ (ac) + 2 Cl (ac) [Mg 2+ ] f = [MgCl 2 ] f = 1,0 10-4 mol Mg 2+ / dm 3 D f El hidróxido de potasio también es completamente soluble y la concentración de iones hidróxido será: y el producto [OH ] f = [KOH] f = 2,5 10-4 mol OH / dm 3 D f Q s = [Mg 2+ ] [OH ] 2 = 1,0 10-4 (2,5 10-4 ) 2 = 6,3 10-12 < 3,2 10-11 es menor que el producto de solubilidad del hidróxido de magnesio por lo que no se formará precipitado de hidróxido de magnesio. c) Para disolver hidróxido de magnesio hay que desplazar el equilibrio 2+ Mg(OH) 2 (s) Mg (ac) + 2 OH (ac) hacia la derecha. Una adición de hidróxido de magnesio no afecta al equilibrio porque se encuentra en fase sólida. La adición de un ión común (ión magnesio o ión hidróxido) desplazaría el equilibrio hacia la izquierda, por lo disminuiría la solubilidad. Pero si se añade un ácido que reacciones con los iones hidróxido, de forma que disminuya su concentración, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y se disuelve más hidróxido de magnesio. 3. a) Calcula la constante de presiones K p para la formación exotérmica de un mol de yoduro de hidrógeno a 627 0 C. b) Una muestra de 3,84 g de yoduro de hidrógeno se introduce en un recipiente de 5 000 cm 3. Calcula la presión parcial del hidrógeno cuando se alcance el equilibrio a los 627 0 C. c) Estima si el grado de disociación aumentará al enfriar el recipiente hasta los 25 0 C. EXAMEN PROBLEMA 1 PROBLEMA 2 PROBLEMA 3 LABORATORIO Rta.: a) K p = 5,1 b) P(H 2 ) = 6,2 10-2 atm c) disminuirá a) La ecuación para la que piden K p es:

cuya constante K p es ½ H 2 (g) + ½ I 2 (g) HI (g) H < 0 K p1 = P H 2 1/2 P I 2 1 /2 P HI Para la reacción de disociación de dos moles de yoduro de hidrógeno: Si se supone comportamiento ideal para cada gas: 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) K c2 = [ H 2] [I 2 ] [ HI] 2 =3,8 10 2 P V = n R T P = (n/v) R T K p1 = P H 2 1/2 P I 2 1 /2 = [H 2 ] RT 1 /2 [I 2 ] RT 1/ 2 = [ H 2] 1/2 [I 2 ] 1/2 1/2 RT RT 1/2 P HI [HI]RT [HI] RT K p1 =K c1 = [H ] 1/2 1/ 2 2 e [ I 2 ] e 1 = [ HI] e K c2 1/ 2 = 1 =5,1 2 3,8 10 =K c1 b) La presión parcial que ejerce el yoduro de hidrógeno antes de disociarse a 627 0 C es: P HI =3,84 g HI 1 mol HI 128g HI 0,08204 atm L mol 1 K 1 627 273 K =0,44 atm 5000 10 3 dm 3 Si llamamos x a la presión parcial que ejerce el hidrógeno que se se forma y escribimos un cuadro con las presiones parciales: Presión (atm) 2 HI H 2 Inicial 0,44 0 0 Reacciona 2 x x x Equilibrio 0,44 2x x x K p2 = P H 2 P I 2 P HI 2 3,8 10 2 x x = 0,44 2 x 2 ± 3,8 10 2 = x 0,44 2 x P(H 2 ) = x = 6,2 10-2 atm I 2 c) Si la ecuación de formación es exotérmica, la de descomposición es endotérmica. 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) H > 0 El principio de Le Chatelier predice que un aumento de temperatura favorece el proceso endotérmico, por lo que al enfriar el recipiente se favorece la formación de yoduro de hidrógeno y el grado de disociación (moles

disociados por cada mol inicial) disminuye. Aplicando la ley de Van't Hoff. En una reacción endotérmica, ( H > 0) la constante de equilibrio disminuye al disminuir la temperatura, Si T 2 < T 1 ln K 1 = H K 2 R 1 T 1 1 T 2 1 / T 2 > 1 / T 1 Como H > 0 Si ln K 1 / K 2 > 0 (1 / T 1 1 / T 2 ) < 0 H < 0 H R 1 1 T 1 T 2 0 K 1 / K 2 > 1 K 2 < K 1 De la expresión de la constante de equilibrio K c2 = [H 2] [I 2 ] [ HI] 2 si la constante de equilibrio disminuye, tendrá que disminuir el numerador (las concentraciones de yodo e hidrógeno) y aumentar el denominador (la concentración de yoduro de hidrógeno) En el nuevo estado de equilibrio que se alcance a 25 0 C, habrá más yoduro de hidrógeno en el equilibrio: el yoduro de hidrógeno estará menos disociado. Laboratorio Se valora una disolución de hidróxido de sodio con ácido sulfúrico 0,250 mol/dm 3. Se realizan cuatro medidas del volumen de la disolución de sulfúrico para neutralizar 25,00 cm 3 de la base en cada una de ellas. Los resultados son: [1]: 20,05; [2]: 19,60; [3]: 19,80 y [4]: 19,65 cm 3 de disolución de ácido sulfúrico. a) Calcula la concentración de la disolución de hidróxido de sodio. b) Nombra el material de vidrio y haz una breve descripción de para qué se usa en esta práctica. c) Dibuja la curva de valoración y marca en él la zona de viraje del indicador que utilizarías. d) Calcula el ph del contenido del recipiente en la experiencia [1]. EXAMEN PROBLEMA 1 PROBLEMA 2 PROBLEMA 3 LABORATORIO Rta.: a) [NaOH] = 0,394 mol/dm 3 d) ph = 2,4 La reacción química ajustada es: H 2 SO 4 (ac) + 2 NaOH (ac) Na 2 SO 4 (ac) + 2 H 2 O (l) L experiencia 1 sirve para aproximar el volumen de ácido necesario, pero sólo es aproximada y no se toma en cuenta. Tomamos como volumen de disolución la media de los volúmenes 2, 3 y 4. V = ( 19,60 + 19,80 + 19,65) / 3 = 19,68 cm 3 de disolución de ácido gastado

(Sería más exacto tomar la media de los volúmenes más próximos 19,60 y 19,65 cm 3, pero parecería que estamos tratando de manipular los datos. La repetición de la valoración nos permitiría elegir con mejor criterio). La cantidad de ácido necesaria para neutralizar todo el hidróxido de sodio es: n (H 2 SO 4 ) = 19,68 10-3 dm 3 0,250 mol/dm 3 = 4,92 10-3 mol H 2 SO 4 La cantidad de hidróxido de sodio es del doble, según la ecuación ajustada: n (NaOH) = 2 n (H 2 SO 4 ) = 2 4,92 10-3 = 9,84 10-3 mol NaOH y la concentración de la disolución de hidróxido de sodio es: [NaOH]= 9,84 10 3 mol NaOH 25,00 10 3 dm 3 D =0,394 mol NaOH /dm3 D b) El material de vidrio es: Bureta (1) para medir el volumen de disolución de ácido sulfúrico. Pipeta (1) para medir el volumen de disolución de hidróxido de sodio. Vaso de precipitados (1) para llenar la bureta de ácido. Matraz erlenmeyer (1) donde se produce la reacción de neutralización. c) La curva de valoración será parecida a: Se utilizaría fenolftaleína, porque el cambio de color rosa invisible es más fácilmente observable, y, aunque su intervalo de viraje (8,0 10,0) está fuera del punto de equivalencia de la reacción (ph = 7,0), la variación de ph con la adición de una sola gota, es muy grande, como se puede observar en la gráfica. d) En la experiencia 1, la cantidad de ácido añadido es: n 1 = 20,05 10-3 dm 3 0,250 mol/dm 3 = 5,01 10-3 mol H 2 SO 4 La cantidad de hidróxido de sodio es n 2 = 25,00 10-3 dm 3 0,394 mol/dm 3 = 9,84 10-3 mol NaOH que es el reactivo limitante, ya que reacciona con: n (H 2 SO 4 ) = n (NaOH) / 2 = 4,92 10-3 mol H 2 SO 4 que reacciona por lo que sobran n (H 2 SO 4 ) = 5,01 10-3 mol añadidos 4,92 10-3 mol que reaccionan = 9 10-5 mol H 2 SO 4 sobran que están disueltos en (suponiendo volúmenes aditivos) La concentración de H 2 SO 4 sobrante es: ph V = 25,00 + 20,05 = 45,05 cm 3 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Valoración ácido-base 0 10 20 30 40 V (ml) HCl añadidos 50 60 [H 2 SO 4 ]= 9 10 5 mol H 2 SO 4 45,05 10 3 dm 3 =2 10 3 mol/dm 3 Como el ácido sulfúrico es un ácido fuerte, está totalmente disociado: y la concentración de iones hidrógeno es: El ph será: que es compatible con la gráfica dibujada. H 2 SO 4 (ac) SO 4 2 (ac) + 2 H + (ac) [H + ] = 2 [H 2 SO 4 ] = 4 10-3 mol / dm 3 ph = -log [H + ] = -log 4 10-3 = 2,4