Soluciones reguladoras Química General e Inorgánica 18 de abril de 2016 Prof. Dra. Marisa Repetto Primer cuatrimestre 2016
Neutralización ácido-base 17 ml HNO 2 0,25 M Ka= 4,6 x 10-4 20 ml NaOH 0,18 M HNO 2 4,3 x 10-3 moles = eq ácido HNO 2 + NaOH NaOH 3,6 x 10-3 moles = eq base NaNO 2 + H 2 O 4,3 x 10-3 eq ac - 3,6 x 10-3 eq base = 0,7 x 10-3 eq acido remanente 3,6 x 10-3 eq NaNO 2 volumen final: 37 ml [sal]= 0,097 M [ácido] = 0,019 [sal] ph = pk a + log = 4,00 [acido]
Curvas de titulación de ácido débil con una base fuerte Volumen de NaOH (ml) ph Punto de equivalencia Volumen de NaOH agregado (ml)
Buffer ph antes de la neutralización:
ph antes de la neutralización: depende de la constante de disociación del ácido débil. ph = pka Buffer con capacidad reguladora máxima
Curvas de titulación de base débil con un ácido fuerte Volumen de HCl (ml) ph Punto de equivalencia Volumen de HCl agregado (ml)
Curvas de titulación de base débil con un ácido fuerte Buffer
Efecto del agregado de un ácido o una base al agua Equilibrio Equilibrio
Agregado de un ion común a la solución acuosa de un ácido débil Agregado de un ion común Aumenta Equilibrio
Agregado de un ion común a la solución acuosa de una base débil Agregado de un ion común Aumenta Equilibrio
Soluciones amortiguadoras ó reguladoras (buffer) Resiste los cambios de ph cuando se agregan pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. Soluciones en las que están presentes dos electrolitos o soluciones de electrolitos Ácido débil y su base conjugada Base débil y su ácido conjugado
Formado por: Ácido débil (suministra protones a una base fuerte) y su base conjugada (aceptará protones de un ácido fuerte) Base débil (acepta protones de un ácido fuerte) y su ácido conjugado (cede protones a una base fuerte)
Efecto de ion común
Tipos de Soluciones amortiguadoras 1. Sistema Ácido - Sal: ácido débil y una sal de ese ácido y una base fuerte. Ejemplo: HAc / NaAc; HCN / NaCN. 2. Sistema Base - Sal: base débil y una sal de esa base con un ácido fuerte. Ej.: NH 3 / NH 4 Cl. 3. Sistema Salino: * una sal monosustituida y otra disustituida de un ácido poliprótico débil (por ej. H 3 PO 4 ) con una base fuerte. Ej.: NaH 2 PO 4 / K 2 HPO 4. * una sal disustituida y otra trisustituida del mismo ácido. Ej.: K 2 HPO 4 / Na 3 PO 4. 4. Anfolitos: son sustancias que tienen en su molécula grupos ácidos y básicos.
Cálculo de ph de una solución amortuguadora Ecuación de Henderson-Hasselbach Utilizando el concepto de ácido y base conjugada de Bronsted Acido: sustancia que puede donar un protón Base conjugada: sustancia que puede aceptar un protón HA (ac) Ácido de Bronsted A - (ac) + H + ( ac) Base conjugada de Bronsted Par conjugado protón
Sistema ácido débil- sal NaAc Na + + Ac - H 2 O + HAc H 3 O + + Ac - Despejando la [H 3 O + ] : [H 3 O + ]. [Ac - ] Ka = [ HAc ] [H 3 O + ] = Ka. [HAc] / [Ac - ]
Aplicando logaritmos y multiplicando por (-1), resulta: - log [H 3 O + ] = - log Ka - log [HAc] + log [Ac - ] ph = pk a [Ac - ] + log [HAc] Ecuación de Henderson- Hasselbalch [HA] >ó = a 0,1 M se desprecia la ionización y la hidrólisis de la sal
[A - ] ph = pk a + log [AH] [base conjugada] ph = pk a + log [Ácido de Bronsted] [base conjugada] ph = pk + log [Ácido]
NaAc Na + + Ac - O,15 M H 2 O + HAc H 3 O + + Ac - 0,1 M [H 3 O + ]. [Ac - ] [H 3 O + ] = Ka [ HAc ] Ka = [ HAc ] [H 3 O + ] = 1,8 10 5 x 0,1 ph= - log [H 3 O + ] [H 3 O + ] = 1,34 10 3 M ph= 2,87 ph = pka + log [A- ] [HA] ph= 4,92 ph = 4,74 + log 0,15 0,1
Sistema Base débil - Sal Mezcla de amoníaco / cloruro de amonio en agua; el equilibrio iónico será: NH 4 Cl NH 4 + + Cl - NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH -
NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH - [HO - ]. [NH 4+ ] Kb = [NH 3 ] Despejando [HO - ], aplicando logaritmo y multiplicando por (-1), resulta [NH 4+ ] poh = pkb + log [NH 3 ] [Sal] poh = pkb + log [Base ]
NH 4 + + H 2 O NH 3 + H 3 O + ph = pk NH4 + + log [NH 3 ] [NH 4 + ] [base conjugada] ph = pk + log [Ácido]
1-Sistema ácido débil / sal : NaAc Na + + Ac - HAc H + + Ac - [Ac - ] ph = pk a + log [HAc] Si aumenta [H + ] aumentan los moles de ácido disminuyen los moles de sal disminuye ph Si aumenta [OH - ] disminuyen los moles ácido aumentan los moles de sal aumenta el ph
2-Sistema base débil / sal : NH 4 Cl NH + 4 + Cl - NH 3 + H 2 O NH + 4 + OH - Si aumenta [H + ] [NH 4+ ] poh = pkb + log [NH 3 ] aumentan los moles de sal disminuyen los moles de base disminuye ph, aumenta el poh Si aumenta [OH - ] disminuyen los moles sal aumentan los moles de base aumenta el ph, disminuye el poh
3. Sistema Salino Están constituidos por dos sales de un ácido poliprótico (por ejemplo H 3 PO 4 ), con distinto grado de sustitución. Se considera a la sal: más sustituida como sal menos sustituida como ácido Ejemplo: Sea el sistema NaH 2 PO 4 / K 2 HPO 4. NaH 2 PO 4 será el ácido K 2 HPO 4 será la sal
[H + ]. [H 2 PO 4- ] H 3 PO 4 H + + H 2 PO - 4 Ka 1 = [H 3 PO 4 ] [H + ]. [HPO 2-4 ] H 2 PO - 4 H + + HPO 2-4 Ka 2 = [H 2 PO 4- ] [H + ]. [PO 3-4 ] HPO 2-4 H + + PO 3-4 Ka 3 = [HPO 2-4 ] cuyos valores son : Ka 1 1.10-2, Ka 2 1.10-7, Ka 3 1.10-12 Cuál es el valor de Ka que se deberá seleccionar para calcular el ph del buffer?
Para responder esta pregunta debemos plantear las ecuaciones de ionización de las sales que forman el sistema buffer: En el ejemplo mencionado: NaH 2 PO 4 Na + + H 2 PO - 4 K 2 HPO 4 2K + + HPO 2-4 iones derivados del H 3 PO 4 y ver cuál de las reacciones de equilibrio del ácido débil poliprótico, contiene las especies derivadas de él.
Capacidad reguladora máxima Cuando la capacidad reguladora es máxima la relación [sal] / [ácido] o [sal] / [base] es igual a la unidad y en este caso: ph = pka + log 1 = pka o poh = pkb + log 1 = pkb
Rango útil de un buffer - Cuando la razón [sal] / [ácido] o [sal] / [base] es igual a 10, el ph y o el poh será: ph = pka + log 10 = pka + 1 poh = pkb + log 10 = pkb + 1 - Cuando la razón [sal] / [ácido] o [sal] / [base] es igual a 0,1 el ph y o el poh será: ph = pka + log 0,1 = pka - 1 poh = pkb + log 0,1 = pkb - 1
Rango útil de un buffer ph = pka 1 poh = pkb 1
Preparación de buffer A partir de drogas sólidas: A partir de soluciones: + Por neutralización ácido débil-base fuerte ó base débil con ácido fuerte
Drogas sólidas ph conocido Soluciones < 7 > 7 Buscar ácido débil con pka cercano a ese ph Buscar base débil con pkb cercano poh conocido Ecuación de Henderson-Hasselbach [Ac - ] ph = pk a + log ó poh = pk b [Hac] [NH 4+ ] + log [NH 3 ] [Ac - ] [Hac] Buscar relación ó [NH 4+ ] [NH 3 ]
BIBLIOGRAFÍA Chang R. Química. 6 ta edición. Ed Mc. Graw Hill. 1999. Umland J.B.; Bellama J.M. Química General. 3 ra edición. Ed. International Thomson. 2000. Atkins P.W, Jones L. Química. 3 ra edición. Ed Omega. 1999. Maham B,; Myers R. Química Universitaria. 4 ta edición. Ed Addison Wesley. 1990. Whitten K.W.; Davis R.E.; Peck M.L. Química General. 5 ta edición. Ed. Mc. Graw Hill. 1998. mrepetto@ffyb.uba.ar