Objetivos Operacionales para Examen II Por: Rolando Oyola

Rolando Oyola Martínez, Ph.D. Universidad de Puerto Rico-Humacao Departamento de Química Call Box 860 Humacao PR 00792 Objetivos Operacionales para Examen II Por: Rolando Oyola Martínez@2016-17 1 EFECTO DE FORTALEZA IÓNICA EN EL EQUILIBRIO QUÍMICO (CAP. 10) 1.1 Definir los siguientes términos: a) actividad, b) fortaleza iónica, c) coeficiente de actividad, d) ecuación Debye-Hückel, e) aplicación de ecuación de Debye- Hückel Extended and Limiting laws, f) constante de equilibrio termodinámica (K eq0 ) y g) constante de equilibrio de concentración (K eq ). 1.2 Establecer cualitativamente la relación entre fortaleza iónica, actividad y coeficiente actividad. 1.3 Establecer cuantitativamente la relación entre fortaleza iónica, actividad y coeficiente actividad. 1.4 Conocer el aspecto cualitativo y cuantitativo el efecto de fortaleza iónica en la constante de equilibrio para sistemas ácido-base. 2 EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE ACUOSO PARA ESPECIES POLIFUNCIONALES (CAP 15) 2.1 Dada una reacción ácido-base, identificar el ácido, la base, el ácido conjugado y la base conjugada. 2.2 Conocer y entender las implicaciones de las aproximaciones en las derivaciones matemáticas y químicas para determinar concentraciones en equilibrio para sistemas acuosos de ácido/base. 2.3 Establecer las ecuaciones de balance de carga y masa para los sistemas de ácido/base. 2.4 Calcular el ph de soluciones para especies polifuncionales. 2.5 Calcular ph para soluciones que contienen mezcla de ácido/base fuerte con ácido/base débil. 2.6 Calcular valores de α y determinar concentraciones en equilibrio a determinado ph. 2.7 Interpretar gráficas de α vs. ph. 3 SOLUCIONES AMORTIGUADORAS (BUFFERS) (CAP. 15) 3.1 Explicar la preparación de soluciones amortiguadoras usando especies polifuncionales sin y con la consideración de fortaleza iónica. 3.2 Hacer cálculos de ph: adición de ácidos y bases fuertes a solución amortiguadora 3.3 Definir y/o explicar efecto de la capacidad amortiguadora (β) 3.4 Identificar aplicaciones de amortiguadores en sistemas biológicos. 4 CURVAS DE TITULACIÓN ÁCIDO-BASE (CAP 15 Y 16) 4.1 Construir curvas de titulación para ácido fuerte vs. base fuerte y viceversa mediante cálculos matemáticos de ph. 4.2 Construir curvas de titulación para base débil vs ácido fuerte y viceversa mediante cálculos matemáticos de ph. 4.3 Conocer requisitos para observar punto de equivalencia por titulación de neutralización. 4.4 Determinar el punto final de una titulación ácido-base mediante el uso indicadores y otros. 4.5 Conocer cualitativamente las diferentes regiones en una curva de titulación de ácido-base de sistemas simples. 4.6 Conocer el efecto de la magnitud de K a y K b en la apariencia de la curva de titulación de ácido-base. 4.7 Conocer los aspectos cualitativos y cuantitativos de una curva de titulación de neutralización para mezclas de ácidos en solución. 4.8 Conocer los aspectos cualitativos y cuantitativos de una curva de titulación de neutralización para mezclas de bases en solución. 1

Quim 3025: Objetivos Operacionales y Ejercicios Ex. II Rev. 2 2 Concepto Actividad 1) Determine si la fortaleza iónica de cada solución aumenta, disminuye o se mantiene igual al añadir NaOH: a. MgCl 2 tenga en cuenta que: MgCl2( ac) 2 NaOH(ac) Mg( OH ) 2(s) 2 NaCl(ac) b. HCl c. Ácido acético 2) Calcule la fortaleza iónica de las siguientes soluciones: a. 0.040 M FeSO 4 Respuesta: 0.16 b. 0.10 M en FeCl 3 y 0.20 M en FeCl 2 Respuesta: 1.2 3) Considere la siguiente solución: 0.050 M NH 3 y 0.200 M NH 4 Cl a. Calcule la fortaleza iónica (µ) de la solución b. Calcule el ph de la solución sin considerar la µ c. Calcule el ph de la solución considerando µ d. Identifique si existe alguna diferencia en los valores de ph. Explique 4) Se mezclan volúmenes iguales de una solución 0.30 M en ThCl 4 y 0.18 M en KCl. Asumiendo que todas las especies están totalmente ionizadas, determine la fortaleza iónica (μ), el coeficiente de actividad y la actividad de cada ion en la solución resultante. 5) Calcule el coeficiente de actividad de hidronio (H 3 O ) en una solución que contiene 0.010 M HCl y 0.040 M de KClO 4. Respuesta: γ H = 0.86, ph=2.07. 6) Calcule la actividad del ión (C 3 H 7 ) 4 N (α = 0.8 nm) en una solución que contiene 5.0 mm (C 3 H 7 ) 4 N Br - y 5.0 mm (CH 3 ) 4 N Cl -. Respuesta: f ì =0.010, A=0.0046 7) Ordene en forma descendente de actividad, los iones monovalentes (Z=1) si se mezclan volúmenes iguales de 0.40 M en KNO 3 y 0.10 M en BaCl 2. Explique su razonamiento. Ácido/Base: titulación, amortiguadores y curvas de titulación 8) Considere la siguiente información para contestar el ejercicio: a) el punto de equivalencia de una titulación de 100.0 ml de cierto ácido débil con 0.09381 M NaOH ocurre al añadir 27.63 ml de base, b) el ph en el punto de equivalencia es 10.99. a. Determine el valor de pka. b. Calcule el ph al añadir solamente 19.47 ml de NaOH. c. Identifique un indicador adecuado para la titulación. Respuesta: ph = 10.07 9) Calcule el ph en el punto de equivalencia para la titulación de 10.00 ml 0.100 M de cierto ácido débil HA (pka = 3.83) con 0.050 M KOH. Identifique un indicador adecuado para detectar el punto final de la titulación. Respuesta: ph = 8.18. 10) Calcule el ph luego de añadir los siguientes volúmenes de 0.1000 M NaOH a una solución inicial de 50.0 ml 0.1000 M ácido láctico. Dibuje la gráfica de manera cualitativa e identifique las distintas regiones de la curva. V Peq se refiere al volumen del punto de equivalencia en la titulación. V = 0.00V peq Respuesta: ph = 2.44 V = 0.10V peq Respuesta: ph = 2.96 V = 0.30V peq Respuesta: ph = 3.50 V = 0.50V peq Respuesta: ph = 3.86 V = 0.90V peq Respuesta: ph = 4.82 V = 0.98V peq Respuesta: ph = 5.55 V = 1.00V peq Respuesta: ph = 8.28 V = 1.02V peq Respuesta: ph = 11.00 V = 1.10V peq Respuesta: ph = 11.68

Quim 3025: Objetivos Operacionales y Ejercicios Ex. II Rev. 2 3 11) Calcule el ph luego de añadir los siguientes volúmenes de 0.1000 M HCl a una solución inicial de 50.0 ml 0.100 M NaCN. Dibuje la gráfica de manera cualitativa e identifique las distintas regiones de la curva. V Peq se refiere al volumen del punto de equivalencia en la titulación. V = 0.00V peq Respuesta: ph = 11.12 V = 0.30V peq Respuesta: ph = 9.61 V = 0.50V peq Respuesta: ph = 9.24 V = 0.90V peq Respuesta: ph = 8.29 V = 0.98V peq Respuesta: ph = 7.55 V = 1.00V peq Respuesta: ph = 5.27 V = 1.02V peq Respuesta: ph = 3.00 V = 1.10V peq Respuesta: ph = 2.32 12) Considere la titulación de 50.0 ml de una mezcla que contiene una concentración analítica de 0.100 M NaOH y de 0.0800 M en H 2 NNH 2 (K a H 2 NNH 3 = 1.05 x 10-8 ) con 0.2000 M HClO 4. a. Dibuje la gráfica de manera cualitativa e identifique las distintas regiones de la curva. b. Identifique dos indicadores que pueden usarse para detectar los puntos finales de la titulación. 13) Una solución de HCl se valora al titular 0.4541 gramos del estándar primario tris(hydroxymethyl)aminometano ((HOCH 2 ) 3 CNH 2, PM = 121.136, pka de (HOCH 2 ) 3 CNH 3 = 8.07). La titulación consume 35.37 ml de HCl. Calcule la molaridad de HCl. Respuesta: 0.1060 M HCl. 14) Una solución de NaOH se valora al titular 0.8592 del estándar primario de KHP (PM = 204.224) consumiendo 32.67 ml de base. Calcule la molaridad de NaOH. Respuesta: 0.1288 M. 15) Discuta sí es posible usar el indicador verde bromocresol en una titulación de un ácido débil con base fuerte. 16) Calcule el volumen de 0.800 M KOH que se deben añadir a 5.02 gramos del ácido C 5 H 8 O 4 (PM = 132.11, pka1 = 4.345, pka2 = 5.422) para que la solución resultante de 250.0 ml posea un ph de 4.40. Respuesta = 25.2 ml. 17) Considere un ácido diprótico H 2 A con pk a1 = 4.0 y pk a2 = 8.0. Calcule el ph y la concentración de [H 2 A], [HA - ] y [A ] en equilibrio para una solución que inicialmente contiene: a. 0.100 M H 2 A b. 0.100 NaHA 0.100 M Na 2 A Respuesta: Ayuda: El primer paso debe ser calcular el ph de la solución para cada caso. a) ph = 2.51 [H 2 A] = 0.0969 M, [HA - ] = 0.00311 M y [A ] = 1.0 x 10-8 M b) ph= 8.00 [H 2 A] = 1.000 x 10-5 M, [HA - ] = 0.099995 M y [A ] = 0.099995 M 18) Calcule el volumen de 0.320 M HNO 3 que se deben añadir a 4.00 gramos de K 2 CO 3 (PM = 138.206) para que la solución resultante de 250.0 ml posea un ph de 10.00. Respuesta = 61.6 ml 19) Calcule el ph de la solución que resulta al mezclar 50.0 ml 0.200 M NaH 2 PO 4 con: a. 50.0 ml 0.120 M HCl: Respuesta: ph = 2.11 b. 50.0 ml 0.120 M NaOH: Respuesta ph = 7.38 20) Describa como preparar 200.0 ml de amortiguador de fosfato con ph = 7.40 y con fortaleza iónica de 0.20 a partir de las sales Na 2 HPO 4 y NaH 2 PO 4.

Quim 3025: Objetivos Operacionales y Ejercicios Ex. II Rev. 2 4 21) Calcule el peso de Na 2 HPO 4 y de NaH 2 PO 4 que se requiere para preparar un litro de solución amortiguadora con ph de 7.45 y una fortaleza iónica de 0.10 M. 22) Calcule los gramos de K 2 C 2 O 4 (PM = 166.22, K a1 = 0.056, K a2 = 5.42 x 10-5 ) que se requieren de tal formar que al mezclarlos con 20.0 ml de 0.800 M HClO 4 y diluir hasta 500.0 ml resulte en un amortiguador con ph de 4.40. Respuesta: 6.28 g 23) Una muestra de sangre se somete a un análisis espectrofotométrico para determinar la concentración total de fosfato ([H 2 PO 4- ][HPO 4 ]) obteniendose una concentración de 3.0 mm. Calcule la concentración de H 2 PO 4 - y de HPO 4-2 en la sangre si el ph es de 7.45. Respuesta: [HPO 4- ] = 1.92 mm y [H 2 PO 4- ] = 1.08 mm 24) Describa como preparar 500.0 ml de un amortiguador con una concentración total de fosfato de 0.30 M y ph de 7.40 a partir de soluciones comerciales de NaOH 20 M y H 3 PO 4 al 86% w/w (gravedad específica = 1.689) 25) Considere la titulación de 100.0 ml de 0.100 M H 2 A (K a1 = 1.0 x 10-3, K a2 = 1.0 x 10-7 ) con 0.100 M NaOH. Calcule el ph luego de añadir los siguientes volúmenes (en ml) de la base. El valor de V Peq corresponde a la neutralización total del ácido, convertir todo H 2 A a A. Para cada punto, identifique las especies químicas que predominan en solución mediante uso valores alfa (α). V= 0.25V peq V= 0.50V peq V= 0.75V peq V= 1.00V peq V= 1.10V peq 26) Calcule el volumen de 0.06122 M HCl que se requiere para titular: a. 15.00 ml de 0.0550 M Na 3 PO 4 hasta punto final dado por thymolphthalein. Respuesta: 13.48 ml b. 15.00 ml de 0.0550 M Na 3 PO 4 hasta punto final dado por verde bromocresol. Respuesta: 26.95 ml c. 20.00 ml de 0.0550 M Na 2 HPO 4 hasta punto final dado por verde bromocresol. Respuesta: 17.97 ml d. 15.00 ml de 0.02102 M Na 3 PO 4 y 0.01655 M NaOH hasta punto final dado por thymolphthalein. Respuesta: 9.21 ml 27) Considere la titulación de 50.0 ml de una mezcla que contiene una concentración analítica de 0.100 M NaOH y de 0.0800 M en H 2 NNH 2 (K a H 2 NNH 3 = 1.05 x 10-8 ) con 0.2000 M HClO 4. a. Dibuje la gráfica de manera cualitativa e identifique las distintas regiones de la curva. Identifique dos indicadores que pueden usarse para detectar los puntos finales de la titulación. b. Una solución de NaOH se valora al titular 0.8592 del estándar primario de KHP (PM = 204.224) consumiendo 32.67 ml de base. Calcule la molaridad de NaOH. Respuesta: 0.1288 M. 28) Calcule el ph en el punto de equivalencia para la titulación de 10.00 ml 0.100 M de cierto ácido débil HA (pka = 3.83) con 0.050 M KOH. Identifique un indicador adecuado para detectar el punto final de la titulación. Respuesta: ph = 8.18. 29) Considere la siguiente información para contestar el ejercicio: a) el punto de equivalencia de una titulación de 100.0 ml de cierto ácido débil con 0.09381 M NaOH ocurre al añadir 27.63 ml de base, b) el ph en el punto de equivalencia es 10.99. a. Determine el valor de pka. b. Calcule el ph al añadir solamente 19.47 ml de NaOH. c. Identifique un indicador adecuado para la titulación. Respuesta: ph = 10.07.

Quim 3025: Objetivos Operacionales y Ejercicios Ex. II Rev. 2 5 30) Considere la valoración de HCl con el estándar primariona 2 CO 3. Una muestra de 0.2329 gramos de Na 2 CO 3 se titula con HCl hasta el punto final dado por el cambio en color de rojo de metilo lo que corresponde a 42.87 ml del ácido. Calcule la molaridad de HCl. Respuesta: 0.1025 M 31) Una alícuota de 100.0 ml que contiene HCl y H 3 PO 4 se titula con 0.200 M NaOH. El punto final determinado por cambio en color de rojo de metilo ocurre al añadir 25.00 ml de la base, mientras que otro punto final determinado por azul de bromotimol se observa a 35.00 ml. Calcule la concentración de HCl y de H 3 PO 4 en la alícuota. Respuesta: C HCl = 0.03000 M, [H 3 PO 4 ] = 0.0200 M 32) Una muestra de 0.150 gramos que contiene solamente BaCO 3 y Li 2 CO 3 requiere 25.00 ml de 0.120 M HCl para la neutralización completa de todo el CO 3 a H 2 CO 3. Calcule el porciento de BaCO 3 en la muestra. Respuesta: 42% BaCO 3 33) Una muestra que contiene NaOH y Na 2 CO 3 se titula con 0.250 M HCl. Una alícuota de la muestra se titula usando fenolftaleína como indicador dando lugar un cambio en color luego de añadir 26.20 ml de HCl. Una segunda alícuota de igual volumen que la anterior se titula usando anaranjado de metilo como indicador obteniendose un cambio en color en los 41.40 ml de HCl. Calcule la masa en gramos de NaOH y de Na 2 CO 3 en la muestra original. Respuesta: 0.110 g NaOH, 0.403 g de Na 2 CO 3 34) Considere una muestra binaria que puede consistir de NaOH y Na 2 CO 3 o Na 2 CO 3 y NaHCO 3. La muestra se titula con HCl el cual fue valorado con Na 2 CO 3 como estándar primario. La valoración se llevó a cabo titulando 0.477 gramos del estándar primario consumiendo 30.00 ml para llegar al punto final usando anaranjado de metilo como indicador. La mezcla compatible binaria se tituló con el HCl observándose dos puntos finales a 15.00 y 50.00 ml de HCl usando fenolftaleína y anaranjado de metilo como indicadores, respectivamente. Identifique la composición de la mezcla binaria y la cantidad en gramos de cada componente. 35) Discuta sí es posible usar el indicador verde bromocresol en una titulación de un ácido débil con base fuerte. 36) Una muestra comercial de 1.2170 gramos que solo contiene KOH, K 2 CO 3 y humedad se disuelven en agua hasta un volumen de 500.0 ml. Una alícuota de 50.00 ml se trata con 40.00 ml de 0.05304 M HCl y se calienta hasta ebullición para remover el CO 2. El exceso de ácido se titula usando fenolftaleína como indicador consumiendo 4.74 ml de 0.04983 M NaOH. Una segunda alícuota de 50.00 ml se trata con 50.00 ml de BaCl 2 para precipitar el CO 3 como BaCO 3. La solución se titula con ácido consumiendo 28.56 ml de 0.05304 M de HCl. Calcule el %w/w de KOH, K 2 CO 3 y de humedad en la muestra original. Respuesta: KOH = 69.84%, K 2 CO 3 =21.04 y Humedad = 9.12% 37) Una muestra de 0.492 g que contiene KH 2 PO 4 se titula con 0.112 M NaOH consumiendo 25.60 ml. Calcule la pureza de KH 2 PO 4 en la muestra. 38) Una muestra de 0.527 gramos contiene Na 2 CO 3, NaHCO 3 e impurezas. La muestra se disuelve y procede titular con 0.109 M HCl. Se observa un punto final de fenolftaleína al añadir 15.70 ml de HCl. Además se observa el punto final al usar anaranjado de metilo como indicador cuando se añaden 43.80 ml de HCl. Calcule el porciento de Na 2 CO 3 y de NaHCO 3 en la muestra.