Capítulo 16 Equilbrio Iónico Acuoso

apítulo 16 Equilbrio Iónico Acuoso Adaptado por: Ileana Nieves Martínez opyright 011 Pearson Education, Inc. Amortiguadores Amortiguador o Buffers Soluciones que resisten ph cuando se añade ácido base Neutralizan el ácido o la base añadido. Su capacidad tiene un límite Es una mezcla del par conjugado: ácido débil/base conjugada (sal con anión) o Ejemplo: sangre - mezcla de H O 3 y HO 3 base débil/ácido conjugado (sal con catión). o Ejemplo: (NH 4+ /NH 3 ) opyright 011 Pearson Education, Inc. 1

Preparar un amortiguador ácido Ácido débil Base conjugada Sol n amortiguadora Ácido acético H H 3 O Acetato de sodio Na H 3 O 3 opyright 011 Pearson Education, Inc. ómo fucionan los amortiguadores? A nuevo HA (ac) + H O (l) A (ac) + H 3 O + (ac) H O HA A HA A + H 3O + OH añadido Neutralización HA(ac) + OH (ac) A (ac) + H O(l) 4 opyright 011 Pearson Education, Inc.

ómo fucionan los amortiguadores? HA (ac) + H O (l) A (ac) + H 3 O + (ac) HA nuevo H O A HA A + H 3O + H 3 O + Añadido Neutralización H 3 O + (ac) + A (ac) HA(ac) + H O(l) 5 opyright 011 Pearson Education, Inc. Qué efecto tiene la presencia de un ión común sobre los amortiguadores? HA nuevo H O A HA A + H 3O + A - Añadido HA (ac) + H O (l) A (ac) + H 3 O + (ac) 6 opyright 011 Pearson Education, Inc. 3

Efecto de Ión omún HA (ac) + H O (l) A (ac) + H 3 O + (ac) A (ac) + H O (l) HA (ac) + OH (ac) 7 opyright 011 Pearson Education, Inc. Efecto de Ión omún 8 opyright 011 Pearson Education, Inc. 4

Ejemplo 16.1: alcule el ph de un amortiguador que contiene 0.100 M H H 3 O y 0.100 M Na H 3 O H H 3 O + H O H 3 O + H 3 O + 0.100 0.100 0 0.100 x 0.100 +x Ka = [H 3 O + ] = [H 3 O + ] log Ka = log [H 3 O + ] pka = ph Aproximación válida 9 opyright 011 Pearson Education, Inc. Práctica Determine el ph de un amortiguador con 0.14 M HF (pk a = 3.15) y 0.071 M KF HF + H O F + H 3 O + 0.14 0.071 0 0.14 x 0.071 + x x otejo de Ka Aproximación válida 10 opyright 011 Pearson Education, Inc. 5

Derivación de la ecuación de Henderson-Hasselbalch HO 3 A Ka HA A log Ka log H O log ph ph pka 3 HA A ph log HA A pka log HA pka log Válida para x pequeño [HA] 0 y [A ] 0 > (10 10 3 ) x K a anión dela baseconjugada ácido débil 0 Despejando por ph 11 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ejemplo 16.: alcule el ph del amortiguador 0.050 M H 7 H 5 O y 0.150 M Na 7 H 5 O K a (H 7 H 5 O )= 6.5 x 10 5 H 7 H 5 O + H O 7 H 5 O + H 3 O + 1 opyright 011 Pearson Education, Inc. 6

Práctica Determine el ph de amortiguador 0.14 M HF (pk a = 3.15) y 0.071 M KF? HF + H O F + H 3 O + 13 opyright 011 Pearson Education, Inc. álculo de ph al añadir OH Equilibrio en el amortiguador HA + H O A + H 3 O + Adición de base: neutralización HA + OH A + H O Moles inicial [HA] 0 [A - ] 0 Moles que rx [-y] rx [+y] rx [+y] rx Moles después de rx [HA] 0 -y [A - ] 0 +y Equilibrio nuevo después HA + H O A + H 3 O de la nuetralización + [HA] 0 -y [A - ] 0 +y 14 opyright 011 Pearson Education, Inc. 7

álculo de ph al añadir H 3 O + Equilibrio del amortiguador Adición de ácido: B + H 3 O + HB + + H O neutralización Moles inicial Moles que rx [B] 0 [-y] rx [+y] rx [HB + ] 0 [+y] rx Moles después de rx B + H O HB + + OH [B] 0 -y [HB + ] 0 +y Equilibrio nuevo nuevo después de la nuetralización B + H O HB + + OH [B] 0 -y [HB + ] 0 +y 15 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ejemplo 16.3: alcule el ph de un amortiguador con 0.100 moles H H 3 O y 0.100 moles de Na H 3 O en 1.00 L al que se le añade 0.010 moles NaOH neutralización Moles inicial Moles que rx Moles después de rx H H 3 O + OH H 3 O + H O 0.100 0.100 -y = 0.010 0.010 +y = +0.010 0.090 0.110 Si lo que se añade es una base, escriba la reacción de OH con HA. Si añade ácido, escriba la reacción para H 3 O + con A. 16 opyright 011 Pearson Education, Inc. 8

ontinuación del Ejemplo 16.3: alcule el ph de un amortiguador con 0.100 moles H H 3 O y 0.100 moles de Na H 3 O en 1.00 L al que se le añade 0.010 moles NaOH Base añadida con amortiguador H H 3 O + H O H 3 O + H 3 O + Base añadida sin amortiguador pk a for H H 3 O = 4.745 17 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ecuación de Henderson-Hasselbalch para amortiguadores básicos B: + H O H:B + + OH Para aplicar Henderson- Hasselbalch en forma básica Para aplicar Henderson- Hasselbalch la reacción se escribe en forma ácida H:B + + H O B: + H 3 O + Esto no afecta las concentraciones 18 opyright 011 Pearson Education, Inc. 9

Amortiguadores Básicos B: (ac) + H O (l) H:B + (ac) + OH (ac) Se pueden preparar mezclando una base débil, (B:), con una sal que contenga su ácido cojugado, H:B + l base débil ácido conjugado H O (l) + NH 3(ac) NH 4 + (ac) + OH (ac) Sol n amortiguadora Amoniaco NH 3 loruro de amonio NH 4 l 19 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ejemplo 16.4: alcule el ph de un amortiguador [NH 3 ] = 0.50 M y [NH 4 l] = 0.0 M (pk b = 4.75) NH 3 + H O NH 4+ + OH pk a + pk b = 14 Procedimiento # 1: Procedimiento # : 0 opyright 011 Pearson Education, Inc. 10

Intervalo efectivo para el amortiguador 0.1 < [base]:[ácido] < 10 ph más bajo ph más alto Por lo tanto el intervalo efectivo es pk a ± 1 Al escojer amortiguador, debe tener el pk a más cercano al ph requerido. 1 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ejemplo 16.5a: uál de los ácidos a continuación será la mejor elección para combinar con su sal de sodio para hacer un amortiguador con ph 4.5? Ácido loroso, HlO pk a = 1.95 Ácido Nitroso, HNO pk a = 3.34 Ácido Fórmico, HHO pk a = 3.74 Ácido Hipocloroso, HlO pk a = 7.54 Respuesta: Ácido Fórmico, HHO pk a = 3.74 El pk a de HHO es el más cercano al ph del amortiguador deseado y junto con su par conjugado será el amortiguador más efectivo. opyright 011 Pearson Education, Inc. 11

Ejemplo 16.5b: Determine la razón NaHO : HHO necesaria para preparar un amortiguador con ph 4.5 Ácido Fórmico, HHO, pk a = 3.74 Para preparar el amortiguador de ph 4.5, usará 3.4 veces más cantidad de NaHO que de HHO 3 opyright 011 Pearson Education, Inc. Práctica Determine la masa de Na H 3 O que se debe disolver en 300 ml de una solución H H 3 O 0.5 M para preparar un amortiguador de ph 5.09. (Ka = 1.8 x 10-5 ) HHO 3 HO HO 3 HO 3 ph HH3O 0.5M 10 0 H3O? 1.8x10 5 Ka 10 5 1.8x10 0.5 8.1x10 6 H O 3 H O 3 1.8x10 5 HH3O 6 H 3O 8.1x10 H O 0.5 0.5 5.09 H 3O 0.56M moles 8.0 g NaH3O g( masa) 0.56 x 0.300L x g( masa) 14g de Na H O L 3 3 mol Tro: hemistry: A Molecular Approach 4 opyright 011 Pearson Education, Inc. 1

Titulación En titiulación ácido-base, agente titulante solución que se añade lentamente desde una bureta La solución añadida - concentración desconocida Se añade a solución - cocentración conocida Punto final cuando visiblemente se completa la reacción (detectado con indicador) Indicador especie química que cambia en color en función de ph y se añade para detectar el punto final Punto de equivalencia moles H 3 O + = moles OH 5 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación monitoreo de ph omienzo de la titulación Punto de equivalencia Medida de conductividad por [H 3 O + ] con sensor específico El punto final punto de equivalencia punto de inflección de la curva se monitorea con un indicador 6 opyright 011 Pearson Education, Inc. 13

Indicadores Son ácidos débiles en equilbrio: HInd (ac) + H O (l) Ind (ac) + H 3 O + (ac) ambian de color con ph. Depende de la conentración relativa de [Ind ] : [HInd] o [Ind ] : [HInd] 1, el color mezcla de los colores de [Ind ] y [HInd] o [Ind ] : [HInd] > 10, el color será el color de Ind o [Ind ] : [HInd] < 0.1, el color será de HInd Intervalo Efectivo para el indicador: ph = pk a (indicador) ± 1 7 opyright 011 Pearson Education, Inc. Fenoftaleína Ácido - incoloro básico - rosa 8 opyright 011 Pearson Education, Inc. 14

Rojo de Metilo ambio en color de rojo de metilo H H H H (H 3 ) N N N N H H H H H 3 O+ OH- NaOO H H H H H (H 3 ) N N N N H H H NaOO H 9 opyright 011 Pearson Education, Inc. Monitoreo de Titulación con indicador pk a de HInd ph en el punto de equivalencia Indicadores ácido-base 30 opyright 011 Pearson Education, Inc. 15

urva de Titulación Gráfica de ph vs. cantidad de agente titulante El punto de inflección es el punto de equivalencia Puntos importantes en la curvas Antes del punto de equivalencia o La solución en el matraz cónico está en exceso, (ph observado es cercano al de la solución en el matraz) En el punto de equivalencia o El ph depende del ph de la sal en solución» Sal neutral, ph = 7» Sal acídica, ph < 7» Sal básica, ph > 7 Después del punto de equivalencia o La solución de la bureta está en exceso dentro del matraz cónico (ph se aproxima al ph de la solución en la bureta) 31 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación de 5 ml de 0.100 M Hl con 0.100 M NaOH urva de titulación de ácido fuerte con NaOH (base fuerte) La concentración de ambas soluciones es igual con estequiometría de 1:1, el volumen consumido en el punto de equivalencia es igual al de la solución original. Antes pto. equivalencia (exceso de ácido Después del pto.equivalencia (base en exceso) En Punto de Equivalencia moles Hl = moles NaOH ph = 7.00 Volumen de NaOH añadidos, (ml) 3 opyright 011 Pearson Education, Inc. 16

Titulación de 5 ml de 0.100 M Hl con 0.100 M NaOH Inicial: moles H + = moles Hl moles iniciales Hl = M 1 V 1 = 0.050 Lx0.100 mol/l =.50 x 10 3 Punto de equivalencia Hl (ac) + NaOH (ac) Nal (ac) + H O (ac) M V V 1 1 M V MV M 1 1 neutralización 33 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación de 5 ml de 0.100 M Hl con 0.100 M NaOH Hl (ac) + NaOH (ac) Nal (ac) + H O (ac) punto de equivalencia moles NaOH añadidos = moles iniciales Hl* 0.00 moles Hl y 0.00 moles NaOH (todo reacciona) omo Nal es una sal neutral, el ph en el punto de equivalencia es 7.00 Después punto de equivalencia: ph NaOH en exceso 34 opyright 011 Pearson Education, Inc. 17

Titulación de 5 ml de 0.100 M Hl con 0.100 M NaOH ph inicial = log(0.100) = 1.00 Neutralización: Inicial: rx: final: Hl ac NaOH ac Nal ac H O M Hl moles 0100. x005. L L 5. x10 xv 3 Hl moles 5. x10 50. x10 3 4 Antes pto. Equivalencia: + 5.00 ml NaOH 0.100 M M xv NaOH moles 0. 100 x 0. 005L L 50. x10 0 0 NaOH 0. x10 0 50. x10 4 3 4 35 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación de 5 ml de 0.100 M Hl con 0.100 M NaOH neutralización : Hl ac NaOH ac Nal ac H O 3 inicial : 5. x10 0 0 En pto. Equivalencia : + 5.00 ml NaOH 0.100 M moles rx : 0. 100 L x 0. 50L final. 5x10. 5x10 final 3 3 5. x10 3 0 0. 5x10 3 agua 36 opyright 011 Pearson Education, Inc. 18

Titulación de 5 ml de 0.100 M Hl con 0.100 M NaOH neutralización Hl ac NaOH ac Nal ac H O 3 inicial 5. x10 0 0 Después pto. equivalencia: + 30.00 ml NaOH 0.100 M 0. 100 x 0. 300 rx : 3 30. x10 final 5. x10 5. x10 3 3 final 0 5. 0x10. 5x10 4 3 37 opyright 011 Pearson Education, Inc. Añadir 0.100 M NaOH a 0.100 M Hl +5.0 ml 0.100 M Hl 0.0050 mol Hl ph = 1.00 Volumen de NaOH añadidos (ml) + 5.0 ml NaOH 0.0000 moles Hl ph = 1.18 +10.0 ml NaOH 0.00150 mol Hl ph = 1.37 + 15.0 ml NaOH 0.00100 mol Hl ph = 1.60 + 0.0 ml NaOH 0.00050 mol Hl ph = 1.95 + 5.0 ml NaOH Punto de equivalencia ph = 7.00 + 30.0 ml NaOH 0.00050 mol NaOH ph = 11.96 + 35.0 ml NaOH 0.00100 mol NaOH ph = 1. + 40.0 ml NaOH 0.00150 mol NaOH ph = 1.36 + 50.0 ml NaOH 0.0050 mol NaOH ph = 1.5 38 opyright 011 Pearson Education, Inc. 19

Añadir 0.100 M NaOH a 0.100 M Hl +5.0 ml 0.100 M Hl 0.0050 mol Hl ph = 1.00 Volumen de NaOH añadidos (ml) + 5.0 ml NaOH 0.0000 moles Hl ph = 1.18 +10.0 ml NaOH 0.00150 mol Hl ph = 1.37 + 15.0 ml NaOH 0.00100 mol Hl ph = 1.60 + 0.0 ml NaOH 0.00050 mol Hl ph = 1.95 + 5.0 ml NaOH Punto de equivalencia ph = 7.00 + 30.0 ml NaOH 0.00050 mol NaOH ph = 11.96 + 35.0 ml NaOH 0.00100 mol NaOH ph = 1. + 40.0 ml NaOH 0.00150 mol NaOH ph = 1.36 + 50.0 ml NaOH 0.0050 mol NaOH ph = 1.5 39 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación de 5 ml de 0.100 M HHO con 0.100 M NaOH HA ac H O ac A ac H O Ka = 1.8 x 10 4 4 3 HO 3 KaHA 1 8x10 x0 100 4 4x10 0 ph inicial = log(0.0044) =.37 Neutralización: Inicial: rx: final: 3... HA ac NaOH ac NaA ac H O MHAxVHA 0 0 moles 0. 100 Antes pto. Equivalencia: L x0. 05 L 3 + 5.00 ml NaOH 0.100 M 5. x10 moles moles 0. 100 L x 0. 005L 4 50. x10. 5x10 5. 0x10 5. 0x10 3 4 4 0. x10 0 50. x10 3 4 ph pka log 4 log ph 3.74 A 40 HA 5x10 4 0.030.0 x10 3 0.030 opyright 011 Pearson Education, Inc. 0

Titulación de 5 ml de 0.100 M HHO con 0.100 M NaOH neutralización : HA ac NaOH ac NaA ac H O 3 inicial : 5. x10 0 0 En pto. Equivalencia : + 5.00 ml NaOH 0.100 M moles rx : 0. 100 L x 0. 50L final. 5x10. 5x10 final 5. x10 3 3 3 0 0. 5x10 A ac H O ac HA ac OH OH Kb A x 167. x10 14 3 10. x10 5. x10 6 4 0 18. x10 0050. 14 10. x10 9 HO 3 6 60. x10 ph8. 167. x10 3 41 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación de 5 ml de 0.100 M HHO con 0.100 M NaOH neutralización HA ac NaOH ac NaA ac H O 3 inicial 5. x10 0 0 Después pto. equivalencia: + 30.00 ml NaOH 0.100 M 0. 100 x 0. 300 rx : 3 30. x10 final 5. x10 5. x10 3 3 final 0 5. 0x10. 5x10 4 3 4 opyright 011 Pearson Education, Inc. 1

Adición de NaOH a HHO Mitad del punto de equivalencia (ph = pka Volumen de NaOH (ml) [HHO ] 0 = 0.0050 mol HHO ph =.37 +5.0 ml NaOH +30.0 ml NaOH 0.0000 mol HHO 0.00050 mol NaOH ph = 3.14 ph = 11.96 + 10.0 ml NaOH 0.00150 mol HHO ph = 3.56 + 1.5 ml NaOH 0.0015 mol HHO ph = 3.74 = pk a ½ pto. Eq. + 15.0 ml NaOH 0.00100 mol HHO ph = 3.9 + 0.0 ml NaOH +50.0 ml NaOH 0.00050 mol HHO 0.0050 mol NaOH ph = 4.34 ph = 1.5 + 5.0 ml NaOH Pto. Eq: 0.0050 mol HO [HO ] init = 0.0500 M [OH ] eq = 1.7 x 10 6 ph = 8.3 + 35.0 ml NaOH 0.00100 mol NaOH ph = 1. + 40.0 ml NaOH 0.00150 mol NaOH ph = 1.36 43 opyright 011 Pearson Education, Inc. Titulación de base fuerte con ácido fuerte Si el ácido está en la bureta y se descarga a una base en el matraz cónico, la curva de titulación será la parecida a la figura. Base fuerte y ácido fuertes punto de equivalencia (ph = 7) Volumen de Hl añadidos, (ml) 44 opyright 011 Pearson Education, Inc.

Equilibrio de Solubilidad Los compuestos iónicos se disuelven en agua. Solubles = alta solubilidad (s) Poco solubles = solubilidad intermedia (ps) Insolubles = baja solubilidad (i) Equilibrio de las sales, Keq Útil para medir la solubilidad relativa en agua. Para sólido iónico M n X m, la disociación es: M n X m (s) nm m+ (ac) + mx n (ac) El producto de solubilidad es: K sp = [M m+ ] n [X n ] m Ejemplo: Pbl : Pbl (s) Pb + (ac) + l (ac) K sp = [Pb + ][l ] 45 opyright 011 Pearson Education, Inc. 46 opyright 011 Pearson Education, Inc. 3

Solubilidad Molar Solubilidad - es la cantidad de soluto que se disuelve en una cantidad dada de solución a una T dada. La solubilidad molar es el # de moles de soluto que se disuelven en 1 L de solución Es la M del soluto disuelto en una solución saturada. Para la reacción general M n X m (s) nm m+ (ac) + mx n (ac) Solubilidad molar, s M 47 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ejemplo 16.8: alcule la solubilidad molar de Pbl en agua pura a 5, Kps = 1.17 x 10-5 [Pb + ] [l ] Inicial 0 0 ambio +S +S Equilibrio S S Pbl s Pb ac l ac x s x s 3 K ps Pb l s s 4s 48 opyright 011 Pearson Education, Inc. 4

Práctica Determine el K ps de PbBr si la solubilidad molar en agua a 5 es 1.05 x 10 M PbBr s Pb ac Br ac x s x s 3 K ps Pb Br s s 4s K s. x 3 4 4 1 05 10 4. 63x10 ps Otra alternativa : ps ps 3 6 1. 05 10 1. 05 10 6 105. 10 10. 10 463. 10 K s s x x K x x x 49 opyright 011 Pearson Education, Inc. K sp y Solubilidad Relativa Tomar en consideración la estequiometría El efecto de ión común sobre la solubilidad, (Le hatelier) Ejemplo Añadir Nal a Pbl disminuye la solubilidad de Pbl Pbl (s) Pb + (ac) + l (ac) Añadir l desplaza el equilibrio hacia la izquierda 50 opyright 011 Pearson Education, Inc. 5

Ejemplo 16.10: alcule la solubilidad molar de af en 0.100 M NaF a 5 [a + ] [F ] Inicial 0 0.100 cambio +S +S equilibrio S 0.100 + S s s K ps a F s 0. 1 s K ps 0. 1 10 1. 4 6 x1 0 0. 1 1. 4 6 x 1 0 0. 1 10 af s a ac F ac 0 0. 1 s 01. s s 1. 4 6 x1 0 8 51 opyright 011 Pearson Education, Inc. Práctica Determine la concentración de los iones de Ag + en agua de mar donde [l ] = 0.55 M Agl(s) Ag + (ac) + l (ac) K sp = [Ag + ][l ] s K sp = [Ag + ][l ] K sp = (s)(0.55 + s) K sp = (s)(0.55) 0.55 + s [Ag + ] [l ] Inicial 0 0.55 ambio +s +s equilibrio s 0.55 + s 5 opyright 011 Pearson Education, Inc. 6

El Efecto de ph en la Solubilidad Para hidróxidos iónicos insolubles, M(OH) n (s) M n+ (ac) + noh (ac) A mayor ph, [OH ] aumenta, solubilidad menor M(OH) n (s) M n+ (ac) + noh (ac) OH A menor ph, [OH ] disminuye, solubilidad mayor M(OH) n (s) M n+ (ac) + noh (ac) OH 53 opyright 011 Pearson Education, Inc. El Efecto de ph en la Solubilidad Para sólidos iónicos insolubles con aniones de ácidos débiles, a menor ph, mayor la solubilidad M (O 3 ) n (s) M n+ (ac) + no 3 (ac) H 3 O + H 3 O + (ac) + O 3 (ac) HO 3 (ac) + H O(l) 54 opyright 011 Pearson Education, Inc. 7

Precipitación Ocurre cuando la concentración de los iones excede la solubilidad del compuesto iónico. omparar Q con K ps, se determina si hay precipitación Q = K ps, solución saturada, no-precipita Q < K ps, solución insaturada, no-precipita Q > K ps, solución por encima de saturación, precipita Algunas soluciones con Q > K sp no precipitan a menos que se perturben solución sobresaturada 55 opyright 011 Pearson Education, Inc. Ocure precipitación si Q > K sp Solución sobresaturada se precipita si se añade un cristal semilla 56 opyright 011 Pearson Education, Inc. 8

Ejemplo 16.1: Se formará precipitado cuando se mezclan Pb(NO 3 ) (ac) con NaBr (ac) si la concentración al mezclar es 0.0150 M y 0.0350 M respectivamente? Pb(NO 3 ) (ac) + NaBr (ac) PbBr (s) + NaNO 3(ac) Pb(NO 3 ) = 0.0150 M Pb + = 0.0150 M, NO 3 = (0.0150 M) NaBr = 0.0350 M Na + = 0.0350 M, Br = 0.0350 M K sp de PbBr = 4.67 x 10 6 PbBr (s) Pb + (ac) + Br (ac) Q < K sp, no hay precipitación 57 opyright 011 Pearson Education, Inc. Práctica Se formará precipitado cuando a(no 3 ) (ac) se mezcla con NaOH (ac) si las concentraciones después de mezclar son iguales a 0.0175 M para ambas especies? a(no 3 ) (ac) + NaOH (ac) a(oh) (s) + NaNO 3(ac) a(no 3 ) = 0.0175 M a + = 0.0175 M, NO 3 = (0.0175 M) K sp de a(oh) = 4.68 x 10 6 a(oh) (s) a + (ac) + OH (ac) NaOH = 0.0175 M Na + = 0.0175 M, OH = 0.0175 M Q > K sp, se precipita 58 opyright 011 Pearson Education, Inc. 9