ÁCIDO-BASE CONTENIDOS: 1.- Caractetísticas de ácidos y bases. 2.- Evolución histórica del concepto de ácido y base. 2.1. Teoría de Arrhenius. Limitaciones. 2.2. Teoría de Brönsted-Lowry. 2.3. Teoría de Lewis (❷) 3.- Equilibrio de ionización del agua. Concepto de ph. 4.- Fuerza de ácidos y bases. 4.1. Ácidos y bases conjugadas. 4.2. Relación entre K a y K b. 4.3. Cálculos de concentraciones en equilibrio, ph, constantes, grado de ionización. 5.- Reacciones de hidrólisis de sales (estudio cualitativo). 5.1. Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. 5.2. Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. 5.3. Sales procedentes de ácido débil y base débil. 5.4. Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. 5.5. Calculo de concentraciones y ph. (❷) 6.- Disoluciones amortiguadoras. (❷) 7.- Indicadores de ácido-base. (❷) 8.- Valoraciones de ácido-base (volumetrías). 8.1. Neutralización (práctica de laboratorio). CARACTERÍSTICAS DE ÁCIDOS Y BASES. Ácidos: Bases: Tienen sabor agrio. Son corrosivos para la piel. Enrojecen ciertos colorantes vegetales. Disuelven sustancias Atacan a los metales desprendiendo H 2. Pierden sus propiedades al reaccionar con bases. Tiene sabor amargo. Suaves al tacto pero corrosivos con la piel. Dan color azul a ciertos colorantes vegetales. Precipitan sustancias disueltas por ácidos. Disuelven grasas. Pierden sus propiedades al reaccionar con ácidos. DEFINICIÓN DE ARRHENIUS. Publica en 1887 su teoría de disociación iónica, en la que afirma que hay sustancias (electrolitos), que en disolución, se disocian en cationes y aniones. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 1 de 33
Ejemplos: Ejemplo: ÁCIDO: Sustancia que en disolución acuosa disocia cationes H +. AH (en disolución acuosa) A + H + - HCl (en disolución acuosa) Cl + H + - H 2 SO 4 (en disolución acuosa) SO 4 2 + 2 H + BASE: Sustancia que en disolución acuosa disocia aniones OH. BOH (en disolución acuosa) B + + OH - NaOH (en disolución acuosa) Na + + OH Neutralización Se produce al reaccionar un ácido con una base por formación de agua: H + + OH H 2 O El anión que se disoció del ácido y el catión que se disoció de la base quedan en disolución inalterados (sal disociada): NaOH + HCl H 2 O + NaCl (Na + + Cl ) TEORÍA DE BRÖNSTED-LOWRY. ÁCIDO: Sustancia que en disolución cede H +. BASE: Sustancia que en disolución acepta H +. Par Ácido/base conjugado Siempre que una sustancia se comporta como ácido (cede H + ) hay otra que se comporta como base (captura dichos H + ). Cuando un ácido pierde H + se convierte en su base conjugada y cuando una base captura H + se convierte en su ácido conjugado. H + ÁCIDO (HA) BASE CONJ. (A ) + H + + H + BASE (B) ÁC. CONJ. (HB + ) H + F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 2 de 33
Ejemplo de disociación de un ácido: HCl (g) + H 2 O (l) H 3 O + (ac) + Cl (ac) En este caso el H 2 O actúa como base y el HCl como ácido, que al perder el H + se transforma en Cl (base conjugada). Ejemplo de disociación de una base: NH 3 (g) + H 2 O (l) NH 4 + + OH En este caso el H 2 O actúa como ácido pues cede H + transforma en NH + 4 (ácido conjugado). a la base NH 3 que se TEORÍA DE LEWIS (❷) ÁCIDO: Sustancia que contiene al menos un átomo capaz de aceptar un par de electrones y formar un enlace covalente coordinado. BASE: Sustancia que contiene al menos un átomo capaz de aportar un par de electrones para formar un enlace covalente coordinado. Ejemplos: HCl (g) + H 2 O (l) H 3 O + (ac) + Cl (ac) En este caso el HCl es un ácido porque contiene un átomo (de H) que al disociarse y quedar como H + va a aceptar un par de electrones del H 2 O formando un enlace covalente coordinado (H 3 O + ). NH 3 (g) + H 2 O (l) NH 4 + (ac) + OH (ac) En este caso el NH 3 es una base porque contiene un átomo (de N) capaz de aportar un par de electrones en la formación del enlace covalente coordinado (NH 4 + ). De esta manera, sustancias que no tienen átomos de hidrógeno, como el AlCl 3 pueden actuar como ácidos: AlCl 3 + :NH 3 Cl 3 Al:NH 3 Cl H Cl H I I I I Cl Al + : N H Cl Al N H I I I I Cl H Cl H EQUILIBRIO DE IONIZACIÓN DEL AGUA. CONCEPTO DE ph. La experiencia demuestra que el agua tiene una pequeña conductividad eléctrica lo que indica que está parcialmente disociado en iones: F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 3 de 33
2 H 2 O (l) H 3 O + (ac) + OH (ac) K C + [ H3O ] [ OH ] = 2 [ H O ] 2 Como [H 2 O] es constante por tratarse de un líquido, llamaremos: K w = K C x[h 2 O] 2 Peachímetro K H O OH + - w = [ 3 ] [ ] conocido como producto iónico del agua El valor de dicho producto iónico del agua es: K W (25ºC) = 10 14 M 2.En el caso del agua pura: [H 3 O + ] = [OH ] = (10 14 M 2 ) ½ = 10 7 M. Se denomina ph: ph = H3O + log[ ] Y para el caso de agua pura, como [H 3 O + ]=10 7 M, ph = log 10 7 = 7 Tipos de disoluciones Ácidas: [H 3 O + ] > 10 7 M ph < 7 Básicas: [H 3 O + ] < 10 7 M ph > 7 Neutras: [H 3 O + ] = 10 7 M ph = 7 En todos los casos: K w = [H 3 O + ] x [OH ] Luego si [H 3 O + ] aumenta (disociación de un ácido), entonces [OH ] debe disminuir y así el producto de ambas concentraciones continúa valiendo 10 14 M 2. ÁCIDO BÁSICO 0 1 2 3 44 Concepto de poh. Zumo de Cerveza Leche Sangre Agua mar Amoniaco limón Agua destilada Gráfica de ph en sustancias comunes A veces se usa este otro concepto, casi idéntico al de ph: F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 4 de 33
Como K w = [H 3 O + ]x[oh ] = 10-14 M 2 poh = log[ OH ] Aplicando logaritmos y cambiando el signo tendríamos: ph + poh = 14, para una temperatura de 25ºC. Ejemplo: El ph de una disolución acuosa es 12,6. Cual será la [H 3 O + ] y el poh a la temperatura de 25ºC? ph = log [H 3 O + ] = 12,6, de donde se deduce que: [H 3 O + ] = 10 -ph = 10-12,6 M = 2,5x10-13 M Como K w = [H 3 O + ]x[oh ] = 10 14 M 2, entonces: poh = log [OH ] = log 0,04 M = 1,4 Comprobamos como ph + poh = 12,6 + 1,4 = 14 Ejercicio A (Selectividad. Madrid Previo 1997): Una disolución de ácido sulfúrico tiene una densidad de 1,2 g/ml y una riqueza del 20 % en peso. a) Calcule su concentración expresada en moles/litro y en gramos/litro. b) Calcule el ph de una disolución preparada diluyendo mil veces la anterior. ELECTROLITOS FUERTES Y DÉBILES. Electrolitos fuertes: Ejemplos: -14 2 - KW 10 M [ OH ] = = = 0,04 + -13 [ H O ] 5 10 M Están totalmente disociados. ( ) HCl (ac) Cl + H + NaOH (ac) Na + + OH Electrolitos débiles: 3 Están disociados parcialmente () Ejemplos: CH 3 COOH (ac) CH 3 COO + H + F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 5 de 33
NH 3 (ac)+ H 2 O NH 4 + + OH Ácido fuerte Ácido débil [HA] [A ] [H + ] [HA] [HA] [A ] [H + ] Ejemplo: Justifica porqué el ión HCO 3 actúa como ácido frente al NaOH y como base frente al HCl. El NaOH proporciona OH a la disolución: NaOH (ac) Na + + OH, por lo que HCO 3 + OH CO 3 2 + H 2 O, es decir, el ión HCO 3 actúa como ácido. Asimismo, el HCl proporciona H + a la disolución: HCl (ac) H + + Cl. por lo que HCO 3 + H + H 2 CO 3 (CO 2 + H 2 O), es decir, el ión HCO 3 actúa como base. Fuerza de ácidos. En disoluciones acuosas diluidas ([H 2 O] constante) la fuerza de un ácido HA depende de la constante de equilibrio: HA + H 2 O A + H 3 O + + + [ A ] [ H3O ] [ A ] [ H3O ] K = K [ H2O] = = K [ HA] [ H O] [ HA ] C C a 2 A K a se le llama constante de disociación o constante de acidez. Según su valor hablaremos de ácidos fuertes o débiles: Ejemplo: Si K a > 100 El ácido es fuerte y estará disociado casi en su totalidad. Si K a < 1 El ácido es débil y estará sólo parcialmente disociado. El ácido acético (CH 3 COOH) es un ácido débil ya que su K a = 1,8 x10-5 M. Ácidos polipróticos Son aquellos que pueden ceder más de un H +. Por ejemplo el H 2 CO 3 es diprótico. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 6 de 33
Ejemplo: Existen pues, tantos equilibrios como H + disocie: H 2 CO 3 + H 2 OHCO 3 + H 3 O + HCO 3 + H 2 OCO 3 2 + H 3 O + K [ HCO ] [ H O ] [ CO ] [ H O ] + 2 + 3 3 3 3 a1 = ; Ka2 = [ H2CO3 ] [ HCO3 ] K a1 = 4,5x10 7 M K a2 = 5,7x10 11 M Ejemplo: La constantes sucesivas siempre van disminuyendo. Sabiendo que las constantes de acidez del ácido fosfórico son: K a1 = 7,5 x 10 3, K a2 = 6,2 x 10 8 y K a3 = 2,2 x 10 13, calcular las concentraciones de los iones H 3 O +, H 2 PO 4, HPO 4 2 y PO 4 3 en una disolución de H 3 PO 4 0,08 M. Equilibrio 1: H 3 PO 4 + H 2 OH 2 PO 4 + H 3 O + ; conc. in.(mol/l): 0,08 0 0 conc. eq.(mol/l): 0,08 x x x [ H PO ] [ H O ] x K 7,5 10 M x 0,021 + 2 2 4 3 3 a1 = = = = [ H3PO4 ] 0,08 x Equilibrio 2: H 2 PO 4 + H 2 O HPO 4 2 + H 3 O + ; conc. in.(mol/l): 0,021 0 0,021 conc. eq.(mol/l): 0,021 y y 0,021 + y [ HPO ] [ H O ] y (0,021 + y) 0,021y K M y 2 + 4 3 8 8 a2 = = = 6,2 10 6,2 10 [ H 0,021 0,021 2PO4 ] y 2 Equilibrio 3: HPO 4 + H 2 O PO 3 4 + H 3 O + ; 8 conc. in.(mol/l): 6,2 10 0 0,021 8 conc. eq.(mol/l): 6,2 10 z z 0,021 + z [ H PO ] [ H O ] z (0,021 z) 0,021 z K M z + 3 4 3 + 13 19 a2 = = = 2,2 10 6,5 10 2 8 8 [ HPO4 ] 6,2 10 z 6,2 10 [H 3 O + ] = [H 2 PO 4 ] = 0,021 M ; [HPO 4 2 ] = 6,2 x 10 8 M ; [PO 4 3 ] = 6,5 x 10 19 M Fuerza de bases. En disoluciones acuosas diluidas ([H 2 O] constante) la fuerza de una base BOH depende de la constante de equilibrio: B + H 2 O BH + + OH. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 7 de 33
+ + [ BH ] [ OH ] [ BH ] [ OH ] K = K [ H2O] = = K [ B] [ H O] [ B] C C b 2 A K b se le llama constante de basicididad. pk Al igual que el ph se denomina pk a: pk a = log K a ; pk b = log K b Cuanto mayor es el valor de K a o K b mayor es la fuerza del ácido o de la base. Igualmente, cuanto mayor es el valor de pk a o pk b menor es la fuerza del ácido o de la base. Ejemplo: Determinar el ph y el poh de una disolución 0,2 M de NH 3 sabiendo que K b (25ºC) = 1,8 10 5 M Equilibrio: NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH conc. in.(mol/l): 0,2 0 0 conc. eq.(mol/l): 0,2 x x x K b + 2 [ NH4 ] [ OH ] x = = = 1,8 10 [ NH ] 0,2 x 3-5 M De donde se deduce que x = [OH ] = 3,0 10 3 M poh = log [OH ] = log 1,88 10 3 = 2,52 ph = 14 poh = 14 2,52 = 11,48 Relación entre Ka y Kb conjugada. Equilibrio de disociación de un ácido: HA + H 2 O A + H 3 O + Reacción de la base conjugada con el agua: A + H 2 O AH + OH K a + [ ] [ ] [ ] [ ] = A H O 3 ; K = HA OH b [ HA] [ A ] + [ A ] [ H3O ] [ HA] [ OH ] + K K = = [ H O ] [ OH ] K 3 = [ HA] [ A ] a b W En la práctica, esta relación (K a x K b = K W ) significa que si un ácido es fuerte su base conjugada es débil y si un ácido es débil su base conjugada es fuerte. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 8 de 33
A la constante del ácido o base conjugada en la reacción con el agua se le suele llamar constante de hidrólisis (K h ). Ejemplo: Calcular la K b del KCN si sabemos que la K a del HCN vale 4,9x10 10 M. El HCN es un ácido débil (constante muy pequeña). Por tanto, su base conjugada, el CN, será una base relativamente fuerte. Su reacción con el agua será: CN + H 2 O HCN + OH K b -14 2 KW 10 M 5 = = = 2,0 10 M 10 K 4,9 10 M a Relación entre la constante y el grado de disociación (ionización) α En la disociación de un ácido o una base: K a + 2 [ A ] [ H3O ] cα cα cα = = = [ HA] c ( 1- α ) 1 α Igualmente: K b 2 cα = 1 α En el caso de ácidos o bases muy débiles (K a /c o K b /c < 10 4 ), a se desprecia frente a 1 con lo que: K a = c α 2 (o K b = c α 2 ) De donde: α = K a c Igualmente α = K b c Ejemplo (Selectividad. Madrid Previo 1998). Una disolución de HBO 2 en concentración 10-2 M tiene un valor de ph de 5,6. a) Razone si el ácido y su base conjugada serán fuertes o débiles. b) Calcule la constante de disociación del ácido (K a). c) Calcule, si es posible, la constante de basicidad del ion borato (K b ). d) Si 100 ml de esta disolución de HBO 2 se mezclan con 100 ml de una disolución 10-2 M de hidróxido sódico, qué concentración de la base conjugada se obtendrá? a) [H 3 O + ] = 10 ph = 10 5,6 = 2,51x10 6 M F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 9 de 33
[ H O ] 2,51 10 M α c 10 M + 6 3 4 = = = 2,51 10 2 lo que significa que está disociado en un 0,025 % luego se trata de un ácido débil. Su base conjugada, BO 2, será pues, relativamente fuerte. b) K a = cα 2 = 10 2 M (2,51x10 4 ) 2 = 6,3x10 10 c) K b 14 Kw 10 = = = 1,58 10 10 K 6,3 10 a -5 d) Se neutralizan exactamente: [BO 2 ] = 0,1 M Ejercicio B (Selectividad. Madrid Junio 1998). En un laboratorio se tienen dos matraces, uno conteniendo 15 ml de HCl cuya concentración es 0,05 M y el otro 15 ml de ácido etanoico (acético) de concentración 0,05 M a) Calcule el ph de cada una de ellas. b) Qué cantidad de agua se deberá añadir a la más ácida para que el ph de las dos disoluciones sea el mismo? Dato: K a (ácido etanoico) = 1,8 10-5 HIDRÓLISIS DE SALES Es la reacción de los iones de una sal con el agua. Así, las sales pueden producir que una disolución de las mismas sea ácida, básca o neutra. Sólo es apreciable cuando estos iones proceden de un ácido o una base débil: Ejemplo de hidrólisis ácida (de un catión): NH 4 + + H 2 O NH 3 + H 3 O + Ejemplo de hidrólisis básica (de un anión): CH 3 COO + H 2 O CH 3 COOH + OH Tipos de hidrólisis. Según procedan el catión y el anión de un ácido o una base fuerte o débil, las sales se clasifican en: Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. Sales procedentes de ácido débil y base fuerte (Hidrólisis Básica) Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. (Hidrólisis Ácida). Sales procedentes de ácido débil y base débil. Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. Ejemplo: NaCl NO SE PRODUCE HIDRÓLISIS ya que tanto el Na + que es un ácido muy débil como el Cl que es una base muy débil apenas reaccionan con agua. Es decir los equilibrios: F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 10 de 33
Na + + 2 H 2 O NaOH + H 3 O + Cl + H 2 O HCl + OH están muy desplazado hacia la izquierda, y por tanto, su reacción con el agua es insignificante. HIDRÓLISIS BÁSICA: Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. Ejemplo: Na + CH 3 COO Se produce HIDRÓLISIS BÁSICA ya que el Na + es un ácido muy débil y apenas reacciona con agua, pero el CH 3 COO es una base relativamente fuerte y si reacciona con ésta de forma significativa: CH 3 COO + H 2 O CH 3 COOH + OH lo que provoca que el ph > 7 (disolución básica). HIDRÓLISIS ÁCIDA: Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. Ejemplo: NH 4 Cl Se produce HIDRÓLISIS ÁCIDA ya que el NH + 4 es un ácido relativamente fuerte y reacciona con agua mientras que el Cl es una base débil y no lo hace de forma significativa: NH 4 + + H 2 O NH 3 + H 3 O + lo que provoca que el ph < 7 (disolución ácida). Sales procedentes de ácido débil y base débil. Ejemplo: NH 4 CN En este caso tanto el catión NH 4 + como el anión CN se hidrolizan y la disolución será ácida o básica según qué ión se hidrolice en mayor grado. Como K b (CN ) = 2 x10 5 M y K a (NH 4 + ) = 5,6 x 10 10 M, en este caso, la disolución es básica ya que K b (CN ) es mayor que K a (NH 4 + ) Ejemplo: Sabiendo que K a (HCN) = 4,0 10 10 M, calcular el ph y el grado de hidrólisis de una disolución acuosa de NaCN 0,01 M. ❷ Se producirá hidrólisis básica por ser el CN un anión procedente de un ácido débil. La reacción de hidrólisis será: CN + H 2 O HCN + OH F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 11 de 33
[ HCN] [ OH ] K 1 10 M [ CN-] 4,0 10 M 4,0 10 M 14 2 W 5 KH ( CN ) = = = = 2,5 10 M 10 10 Hidrólisis: CN + H 2 O HCN + OH Conc inin. (M) 0,01 0 0 Conc equil. (M) 0,01(1 α) 0,01α 0,01α 2 2 5 [ HCN] [ OH ] (0,01 α) M 2,5 10 M = = [ CN ] 0,01(1 α) M Despreciando a frente a 1, se obtiene que α = 0,05 Caso de no despreciar, puesto que se encuentra bastante al límite, resolveríamos la ecuación de segundo grado que nos daría un α = 0,0488. K 10 M [ H3O ] 2,0 10 [ OH ] 0,01 M 0,05-14 2 + W 11 = = = M ph = log [H 3 O + ] = log 2,0 x 10 11 M = 10,7 Ejercicio C (Selectividad. Madrid Junio 1998). Razone utilizando los equilibrios correspondientes, si los ph de las disoluciones que se relacionan seguidamente son ácidos, básicos o neutros. a) Acetato potásico 0,01 M; b) Nitrato sódico 0,01 M; c) Sulfato amónico 0,01 M; d) Hidróxido de bario 0,01 M. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS (TAMPÓN) ❷ Son capaces de mantener el ph después de añadir pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. Están formadas por: Ed. Santillana. Química 2º Bachillerato F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 12 de 33
Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido débil con catión neutro: Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio. Disoluciones de base débil + sal de dicha base débil con anión neutro: Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio. INDICADORES DE ph (ÁCIDO- BASE). Son sustancias orgánicas que cambian de color al pasar de la forma ácida a la básica: HIn + H 2 O In + H 3 O + forma ácida forma básica Uno de los indicadores más utilizados e la fenolftaelína cuya forma ácida es incolora y la forma básica rosa fucsia, y cuyo intervalo de viraje se encuentra entre 8 y 10 de ph. Igualmente, para medir el ph de una disolución de manera aproximada en el laboratorio se utiliza habitualmente el papel de tornasol que da una tonalidad diferente según el ph, por contener una mezcla de distintos indicadores. Algunos indicadores de los más utilizados son: Indicador Color forma ácida Color forma básica Zona de viraje (ph) Violeta de metilo Amarillo Violeta 0-2 Rojo Congo Azul Rojo 3-5 Rojo de metilo Rojo Amarillo 4-6 Tornasol Rojo Azul 6-8 Fenolftaleína Incoloro Rosa 8-10 Para facilidad en el cálculo y dado que el ph es una escala logarítmica en base 10, el cambio de color se considera apreciable cuando: [HIn] > 10 [In ] o [HIn] < 1/10 [In ] [ In ] [ H O ] [ HIn ] K H O K + 3 + a = [ 3 ] = a [ HIn] [ In ] Aplicando logaritmos decimales y cambiando de signo: [ In ] ph ( viraje) = pka + log = pka ± 1 [ HIn ] F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 13 de 33
VALORACIONES ÁCIDO-BASE Valorar es medir la concentración de un determinado ácido o base a partir del análisis volumétrico de la base o ácido utilizado en la reacción de neutralización. La neutralización de un ácido/base con una base/ácido de concentración conocida se consigue cuando n(oh ) = n(h 3 O + ). 12 10 8 6 4 2 Zona de viraje fenolftaleína 20 40 60 V NaOH(ml) Gráfica de valoración de vinagre con NaOH La reacción de neutralización puede escribirse: b H a A + a B(OH) b B a A b + axb H 2 O En realidad, la sal B a A b se encuentra disociada (a B b+ + b A a ), por lo que la única reacción es: H 3 O + + OH 2 H 2 O, en donde: a = nº de H + del ácido y b = nº de OH de la base. Para que n(h 3 O + ) se igual que n(oh ) debe cumplirse que: n(ácido) x a = n(base) x b V ácido x [ácido] x a = V base x [base] x b Todavía se usa mucho la concentración expresada como Normalidad: Normalidad = Molaridad x n (H u OH) V ácido x N ácido = V base x N base En el caso de sales procedentes de ácido o base débiles debe utilizarse un indicador que vire al ph de la sal resultante de la neutralización. Ver vídeo (mpeg) (12,5 MB) (wmv) (376 Kb) Simulaciones de neutralización puede encontrarse en: http://quim.iqi.etsii.upm.es/titrator/titrator.html y en http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/quimica/neutralizacion/neutraliz.htm. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 14 de 33
Ejemplo de valoraciones ácido-base. 100 ml de una disolución de H 2 SO 4 se neutralizan con 25 ml de una disolución 2 M de Al(OH) 3 Cuál será la [H 2 SO 4 ]? 3 H 2 SO 4 + 2 Al(OH) 3 3SO 4 2 +2Al 3+ + 6 H 2 O n(h 2 SO 4 ) x 2 = n[al(oh) 3 ] x 3 25 ml x 2 M x 3 = 100 ml x M ácido x 2, de donde: 25 ml 2 M [H2SO 4 ] = = 0,75 M 100 ml 2 V ácido x N ácido = V base x N base (N base = 3 x M base ) 100 ml x N ácido = 25 ml x 6 N N ácido = 1,5 N Nácido M ácido = = 0,75M 2 Podríamos haber calculado n(h 2 SO 4 ) a partir del cálculo estequiométrico, pues conocemos: n(al(oh) 3 = V x M = 25 ml x 2 M = 50 mmoles: 3 H 2 SO 4 + 2 Al(OH) 3 3SO 4 2 +2Al 3+ + 6 H 2 O 3 mol H SO 2 4 3 = 2 4 2 mol Al(OH) n(h SO ) 50 mmoles n(h SO ) = 75 mmol 2 4 n(h SO ) 75 mmol = = 0,75M ml 2 4 [H2SO 4 ]= V (H 2 SO 4 ) 100 Ejercicio D (Selectividad. Madrid Septiembre 1997). Si 10,1 ml de vinagre han necesitado 50,5 ml de una base 0,2 N para su neutralización. a) Cuál será la normalidad del ácido en el vinagre b) Suponiendo que su acidez se debe al ácido acético (ácido etanoico). Cuál es el porcentaje en peso del ácido acético si la densidad del vinagre es de 1,06 g/ml? Algunos enlaces interesantes: http://www.cmark-gip.es/jano/quimica/acidosbases/acidosbases1.htm http://quim.iqi.etsii.upm.es/titrator/titrator.html F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 15 de 33
http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/quimica/neutralizacion/neutraliz.htm http://www.pallotti.edu.uy/repartidos/quimica/equilibrio_acido_base.htm (ejercicios). Concepto básicos. ÁCIDO-BASE. 1.- a) Aplicando la teoría de Brönsted-Lowry, explique razonadamente, utilizando las ecuaciones químicas necesarias, si las siguientes especies químicas se comportan como ácidos o como bases: NH 3, CH 3 -COOH, CN, CH 3 -COOH, HCO 3. b) Señale en cada caso la base o el ácido conjugado. (Cuestión Selectividad. Zaragoza. Junio 1997). 2.- Justifica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) La velocidad de una reacción química conserva el mismo valor numérico durante todo el tiempo que dure la reacción. b) El HCl en disolución acuosa diluida es un ácido débil. 3.- Indica cuales son las bases conjugadas de los ácidos así como los equilibrios entre la forma ácida y la básica: H 3 O +, HNO 2, HCN. 4.- Demuestra la relación matemática existente entre la constante de un ácido y la de la base conjugada de dicho ácido. 5.- Completar los siguientes equilibrios entre pares de ácidos y bases conjugados, de tal forma que el primer compuestos de cada ecuación actúe como ácido: a) H 2 CO 3 + H 2 O + b) + HCO 3 + H 2 O; c) NH 4 + + H 2 O + ; d) H 2 O + CN + 6.- Completar los siguientes equilibrios ácido-base de Brönsted-Lowry; caracterizando los correspondientes pares ácido-base conjugado: a)... + H 2 O CO 3 2 + H 3 O + ; b) NH 4 + + OH H 2 O +... ; c)... + H 2 O H 3 O + + SO 4 2 ; (Selectividad COU. Galicia. 1998). 7.- Cuando a una disolución de amoniaco se le añade cloruro de amonio: Decide si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones justificando las respuestas. a) Aumenta el grado de disociación del amoniaco; b) El grado de disociación del amoniaco no varía; c) el ph disminuye; d) aumenta el ph. Cálculo del ph y constantes de acidez y basicidad. 8.- En un laboratorio se dispone de cinco matraces que contiene cada uno de ellos disoluciones de las que se tiene la siguiente información: 1º) ph = 7; 2º) [H 3 O + ] = 10 3 ; 3º) poh = 2; 4º) [OH ] = 10 6 ; 5º) ph = 1. Ordena dichos matraces de mayor a menor acidez. (Cuestión Selectividad COU. Andalucía. 1998). 9.- Calcula el ph de las siguientes disoluciones. a) 250 ml de HCl 0,1 M; b) 250 ml de HOCl 0,1 M si su K a = 3,2 10 8 M. 10.- Calcular el ph de una disolución 0,1 M de NH 3, sabiendo que K b = 1,8 10 5. 11.- Calcula el ph y la concentración de todas las especies presentes en una disolución 10 2 M de hidróxido de calcio. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 16 de 33
12.- A 25ºC una disolución 0,1 M de amoniaco tiene un ph de 11,12. Determina la constante de basicidad del amoniaco y la de acidez del ion amonio. 13.- a) A un estudiante de química le piden la concentración de ácido láctico, HC 3 H 5 O 3, en un vaso de leche. Para ello determina la concentración de iones hidronio obteniendo como resultado 3,09 10 3 M. Qué valor debería dar? b) Le dicen que el ph de una taza de café (a 25 ºC) es 5,12. Cuál será la concentración de iones hidronio en el café? c) Si se mezclan 125 ml del café anterior con un volumen igual de leche, cuál será el ph del café con leche obtenido? Datos (25 ºC): Considera que la leche es una disolución acuosa y que toda su acidez se debe al ácido láctico y que éste es un ácido monoprótico. K a (ácido láctico) = 1,40 10 4. Supón volúmenes aditivos. (Problema Selectividad COU. Oviedo. Septiembre 1997). Cálculo de grado de disociación, concentraciones... 14.- En 500 ml de agua se disuelven 3 g de ácido acético. Calcula: a) el ph de la disolución resultante; b) el porcentaje de ácido acético disociado. M at : C=12; O=16; H=1. K a = 1,8 10 5. 15.- La constante del ácido cianhídrico (HCN) es 4,9 10-10 a 25 C; a) cuál es la concentración de H 3 O + de una disolución acuosa M del ácido a dicha temperatura; b) su grado de ionización. 16.- Se sabe que 100 ml de una disolución de ácido oxoclorato de hidrógeno (hipocloroso) que contiene 1,05 gramos, tiene un ph de 4,1. Calcula: a) La constante de disociación del ácido. b) El grado de disociación. Masas atómicas: Cl: 35,5; O: 16; H: 1. (Problema Selectividad COU. Madrid Alcalá Junio 1998). 17.- El ph de una disolución acuosa de ácido acético es 2,9. Calcular la molaridad y el grado de disociación del ácido acético en dicha disolución. pk a = 4,74. 18.- Una disolución 10 2 M de ácido benzoico presenta un grado de disociación del 8,15 %. Determina: la constante de ionización del ácido, el ph de la disolución y la concentración del ácido benzoico sin ionizar en el equilibrio. 19.- Calcula el ph y la molaridad de cada especie química presente en el equilibrio de ionización del amoniaco 0,15 M: NH 3 (ac) + H 2 O(l) NH 4 + (ac) + OH. K b (:NH 3 ) = 1,8 x 10 5. Hidrólisis de sales. 20.- Discute, razonadamente, las siguientes afirmaciones: a) Si se añade agua destilada a una disolución de ph = 4, aumenta la concentración de protones. b) Si se añade cloruro amónico a una disolución de ph = 7, disminuye el ph. (Cuestión Selectividad COU. Andalucía. Junio 1998). 21.- a) Cómo será el ph de una disolución de 150 ml de NaOCl 0,1 M. b). Cuánto valdrá?❷ 22.- Indica cómo será el ph de una disolución 1 M de: a) NaCl; b) CH 3 COONa; c) NH 4 Cl; d) CH 3 COONH 4. [K b (NH 3 ) = K a (CH 3 COOH) = 1,8 10 5 M]. 23.- ❷ a) Calcula el ph de una disolución 0,7 M de KCN sabiendo que K a de HCN es de 7,2 10 10 M. b) Cual será el nuevo ph si a ½ litro de la disolución anterior le añadimos ¼ de litro de una disolución 3 Molar de HCN? F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 17 de 33
24.- En cada una de las disoluciones acuosas de los siguientes compuestos: a) carbonato de sodio, b) hidróxido de calcio, c) cloruro de amonio, d) dióxido de carbono, indique justificadamente si el ph será 7, mayor que 7 o menor que 7. (Cuestión Selectividad COU. Zaragoza. Junio 1997) 25.- Calcular el ph de la siguiente mezcla: 100 ml de ácido fluorhídrico 1,5 M y 200 ml de agua destilada. Datos: Considerar que los volúmenes son aditivos. La constante de disociación ácida del ácido fluorhídrico a 25 ºC es 8,8 10 4. (Cuestión Selectividad COU. Salamanca Junio 1997). Neutralización 26.- Justificar si son correctas o no las siguientes afirmaciones: a) Una disolución de NH 4 Cl siempre da lugar a una disolución básica; b) La mezcla estequiométrica de HCl y NaOH da lugar a una disolución ácida; c) La mezcla estequiométrica de HCl y NH 4 OH da lugar a una disolución básica; d) Una disolución de CH 3 COONa siempre tiene carácter básico. (Cuestión Selectividad COU. La Laguna. Junio 1997). 27.- Una mezcla de 46,3 g de hidróxido de potasio y 27,6 g de hidróxido de sodio puros se disuelve hasta un volumen de 500 cm 3. Calcular el volumen de una disolución 0,5 M de ácido sulfúrico que se necesitará para neutralizar 30 cm 3 de la disolución alcalina anterior. Masa atómicas: Na = 23; K = 39; O =1 6; H = 1. 28.- Calcula el ph de la disolución que se forma cuando se mezclan 1,0 litros de amoniaco 0,25 M con 0,400 litros de ácido clorhídrico 0,30 M. K b (amoniaco) = 1,8 10 5. (Problema Selectividad COU. Zaragoza. Junio 1997) 29.- 250 ml de ácido nítrico concentrado del 32 % y densidad 1,19 g/ml, se colocan en un matraz aforado de 1 litro y se añade agua destilada hasta enrasar. Cuántos ml de la disolución diluida de ácido nítrico serán necesarios para neutralizar 50 ml de una disolución de NaOH cuyo ph es 13,93? Masas atómicas: H: 1; O: 16; N: 14. (Problema Selectividad COU. La Rioja. 1998). 30.- Calcula el ph de la disolución formada cuando 500 ml de ácido sulfhídrico 2,20 M reaccionan con 400 ml de disolución de hidróxido de sodio, de 1,200 g/ml de densidad y del 20 % en peso. Masas atómicas: Na: 23; O: 16; H: 1. (Problema Selectividad. Zaragoza. Junio 1997). 31.- Se desea preparar 100 ml de una disolución de ácido nítrico de ph = 2,4. Para ello se dispone de otra disolución de ácido nítrico de ph = 0,3. a) Qué volumen habrá que tomar de esta disolución para preparar la disolución deseada? b) Cuántos miligramos de hidróxido sódico habrá que añadir a esos 100 ml de disolución para neutralizarla? Masas atómicas: Na: 23; O: 16. (Problema Selectividad COU. Madrid. 1997). 32.- Se desea preparar 200 ml de ácido clorhídrico 0,4 M a partir de un ácido comercial de 1,18 g/ml de densidad y una riqueza del 36,2 % en peso. a) Cuántos ml de ácido comercial se necesitan? b) Calcular la molaridad del ácido comercial. c) Calcular el ph obtenido al añadir 15 ml de hidróxido sódico 0,15 M, a 5 ml de ácido clorhídrico 0,4 M. d) Cuántos ml de hidróxido sódico 0,15 M neutralizan exactamente a 5 ml de ácido clorhídrico 0,4 M? (Problema Selectividad COU. Cantabria. Junio 1997). 33.- Calcula la riqueza de una sosa comercial (hidróxido de sodio), si 25 g de la misma precisan para neutralizarse 40 ml de ácido sulfúrico 3 M. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 18 de 33
34.- A 80 ml de una disolución acuosa 0, 10 M de NaOH, se le añaden 20,0 ml de una disolución acuosa 0,50 M de HCl. Calcular el ph de la disolución resultante. 35.- Determina el volumen expresado en ml, que se precisan de una disolución 0,21 M de NaOH para que reaccionen completamente 10 ml de ácido (orto)fosfórico 0,1 M. 36.- Se mezclan 25 ml de HCI 0,3 M y 35 ml de NaOH 0,4 M. a) Cuál es el ph de la mezcla resultante? b) Qué volumen de HCl necesitaríamos para que el ph de la mezcla resultante fuese igual a 7? (Problema Selectividad La Laguna. Junio 1997. 37.- Calcula el ph de la disolución que resuelta de añadir a 25,0 ml de HCl 0,1 M: a) 5 ml de NaOH 0,2 M; b) 20 ml de NaOH 0,2 M. 38.- Se disuelven 6,8 g de amoniaco en la cantidad de agua necesaria para obtener 500 ml de disolución. Calcule: a) El ph de la disolución. b) Qué volumen de ácido sulfúrico 0,10 M se necesitará para neutralizar 20 ml de la disolución anterior. K b (amoniaco) = 1,8 10 5. Masas atómicas: N: 14; H: 1. (Problema Selectividad Zaragoza. Junio 1998). 39.- Cuál será el ph de una disolución formada por 100 ml de acetato sódico 0,250 M, 25 ml de HCl del 12 % y densidad 1,06 g/ml, y cantidad suficiente de agua para completar 250 ml? Masas atómicas: Cl: 35,5; C: 12; 0:16; H: 1; K a (CH 3 COOH) = 1,8 10 5. (Problema Selectividad La Rioja. Junio 1998). SOLUCIONES DE EJERCICIOS EJERCICIO 6: Solución: a) HCO 3 2 ; b) NH 3 ; c) HSO 4 EJERCICIO 7: Sol: c) EJERCICIO 8: Solución: 5º > 2º > 1º > 4º > 3º. EJERCICIO 12: Sol K b = 1,74 10 5 M; K a = 5,68 10 10 M.. EJERCICIO 17: Sol: c = 0 088 M; a = 0,014 M EJERCICIO 25: Solución: ph = 1,69 EJERCICIO 29: Solución: 28,3 ml. EJERCICIO 30: Solución: ph = 13,35 EJERCICIO 31: Solución: a) 0,8 ml; b) 16 mg. EJERCICIO 32: Soluc: a) 6,84 ml disolución HCl; b) 11,7M; c) ph = 12,1; d) 13,33 ml. EJERCICIO 34: Solución: ph = 1,7 EJERCICIO 37: Solución: 1,30; 12,52. F. Javier Gutiérrez Rodríguez Página 19 de 33
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