CAP V

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO

2

5.1 PROPIEDADES DE ÁCIDOS Y BASES

%

l propósito de este capítulo estimado lector, es enfocar la atención el comportamiento de los ácidos y las bases en soluciones acuosas. Muchos ácidos, bases y sales se encuentran en forma natural y sirven para diversos propósitos. Por ejemplo, los jugos digestivos del ser humano contienen aproximadamente 0. moles de !"l por litro# el hidróxido de sodio una base, se emplea para fabricar jabones# el cloruro sodio sirve para dar sabor a las comidas# podríamos citar muchos ejemplos# sin embargo veamos sus propiedades$ 3cidos 4

en

de

&as soluciones soluciones acuosa acuosass de la mayor mayoría ía de los ácidos protónicos protónicos tienen ciertas propiedades 'ue se deben a los iones hidrógeno hidratados.

. (ienen (ienen sabor sabor ácido, los los limones limones contienen contienen ácido ácido cítrico cítrico 'ue les imparte imparte su sabor sabor ácido ácido característico. ). !ace !acenn ca camb mbia iarr el co colo lorr de mu much chos os in indi dica cado dore res. s. &o &oss ác ácid idos os ha hace cenn 'u 'uee el pa pape pell indicador a*ul se transforme en rojo. +. &os ácidos reaccionan reaccionan con los metales 'ue se encue encuentran ntran por arriba del hidr hidrógeno ógeno en la serie de actividades para liberar hidrógeno gaseoso !). /eacci /eaccionan onan con óxidos óxidos metáli metálicos cos e hidróxidos hidróxidos metáli metálicos cos para formar formar sales sales y agua. . "ondu "onducen cen la corrient corrientee el1ctrica el1ctrica por'ue por'ue están ioni*a ioni*ados dos total total o parcialm parcialmente. ente.

COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


C0 &as se

Aases.4

soluciones acuosas de las bases tambi1n tienen propiedades generales. %stos deben a los iones hidróxido hidratados de bases en soluciones acuosas. . (ie iene nenn sab sabor or am amar argo go..

). (ie ienen nen sen sensac sació iónn re resb sbal alos osa, a, lo loss ja jabo bone ness so sonn ej ejem empl plos os co comu mune nes# s# so sonn le leve veme ment ntee básicos. +. !acen cambiar cambiar de mucho muchoss indicadores indicadores.. %l papel papel de tornasol tornasol cambi cambiaa de rojo a a*ul. . /ea /eacci cciona onann con ácido ácidoss para form formar ar sales sales y agua. agua. . 5us 5us so solu luci cion ones es ac acuo uosa sass co cond nduc ucen en la co corr rrie ient ntee el el1c 1ctr trica ica po por' r'ue ue es está tánn io ioni ni*a *ada dass o disociadas.

5.2 TEORÍA SOBRE ÁCIDOS Y BASES 5.2.2 Teorí Teorí !e Arr"e#$%&

%

n los 6ltimos a7os del siglo 89, el físico:'uímico sueco 5vante ;ugust ;ug ust ;rr ;rrhen henius ius < <2: 2:2) 2)=-, =-, est estudi udióó las car caract acterí erísti sticas cas y el comportamiento de los ácidos y de las bases en disolución acuosa y llegó a la conclusión de 'ue ambos se disociaban siempre de la siguiente manera# los ácidos se disociaban dando como resultado iones ! >, o lo 'ue es igual proto protones nes y un ión negat negativo ivo 'ue denominó radical ácido. ;sí por ejem ej empl plo, o, el ác ácid idoo su sulf lf6r 6ric ico, o, cu cuya ya fó fórm rmul ulaa es !)5?, se di diso soci ciaa en diso di solu luci ción ón acu acuos osa, a, ca cara ract cter erís ísti tica ca 'u 'uee se in indi dica ca po poni nien endo do ju junt ntoo al compuesto la abreviatura aq, seg6n la ecuación$ !)5?

'IGURA 5.1 5vante ;rrhenius

)!>a'- > 5?@a'-

%s decir# produciendo el ión ! > característico de los ácidos, y el ión sulfato 5? @ 'ue es el radical, propio del ácido sulf6rico. Por otra parte, las bases siempre se disocian dando origen a iones ?!- : junto con otro ión metálico positivo. Por ejemplo, ejemplo, el hidróxido de de bario, cuya fórmula es Aa?!- ), se disocia en disolución acuosa seg6n la ecuación$ Aa?!-)

Aa>)a'- > ) ?!:ac-

%ste proceso de disociación de ácidos y bases permite establecer una clasificación del los mismoss en ácido mismo ácidoss y bases fuertes y d1biles. ;sí ;sí el ácido sulf6rico, sulf6rico, es un ácido fuerte, fuerte, ya 'ue > se disocia fácilmente dando iones ! , y los hidróxidos de los metales alcalinos y alcalino: t1rreos son bases fuertes por'ue se disocian con facilidad produciendo iones ?!-:. Bna explicación de 'ue los ácidos y las bases tengan fuer*as diferentes fue uno de los resultados importantes de la teoría de la disociación iónica de ;rrhenius. &a actividad 'uímica y la conductividad el1ctrica de las soluciones de ácidos fueron consideradas como el resultado de su disociación reversible en iones !> para ácidos y ?!: para bases. COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


C &a reacción entre ácidos y bases en los t1rminos establecidos por la teoría de ;rrhenius, da lugar a los proce procesos sos llamados llamados de neutrali*ación neutrali*ación,, en los 'ue los iones característicos característicos de uno y > : otro tipo de sustancia, ! y ?!- , se combinan entre sí para formar mol1culas de agua. &a reacción de neutrali*ación expresada en forma iónica corresponde a la ecuación$ !>ac- > ?!-:a'-

!)?-

%n rigor de verdad al producto de la reacción entre un ácido y una base, ;rrhenius lo llamó sal, por ejemplo en la reacción$ !"l > Da?!

&a sal Da"l es un producto de la reacción entre un ácido y una base, por esta ra*ón, se pensó 'ue las sales eran neutras.

5.2.( Teorí Teorí !e Br)#&*e! + Lor-

&

as consideraciones descritas en el recuadro condujeron en 2)+ a un concepto general mass co ma cons nsis iste tent ntee pa para ra lo loss ác ácid idos os y la lass ba base ses, s, llamado por definición$ (eoría de ArEnsted F &oGry$ %l británico (homas &oGry <=2:2+Cy el da dan1 n1ss Ho Hoha hann nnes es Ar ArEn Enst sted ed  <= <=2: 2:2 2= =- propusieron una teoría 'ue puede considerarse una extensión de ;rrhenius y en la 'ue se afirma 'ue los ácidos son sustancias formadas por iones o mol1culas capaces de ceder protones, y las bases son sustancias 'ue pueden aceptar protones.

Da"l > !)?

%xiste %xis tenn de defi fici cien enci cias as ob obvi vias as en la teoríaa de ;rrhenius entre las cuales hay tres 'ue se teorí destacan$ - &a teoría se limita a las soluciones acuosas. )- !ay sustancias como el amoniaco y otros compuestos compuestos 'ue contienen nitrógeno, nitrógeno, 'ue no poseen grupos hidroxilo pero si forman soluciones básicas en agua, +- &a teoría no puede explicar por 'ue algunas sales no forman soluciones neutras, &a sal de un ácido d1bil, como el acetato de sodio, 'ue no contiene grupo hidroxilo "! +"??Da- forma una solución básica y la sal de una base d1bil, como co mo el cl clor orur uroo de am amon onio io,, D!"l, 'ue no contiene hidrógeno ioni*able, forma una solución ácida, forma una solución ácida.

5eg6n estos científicos, la disociación de los ácidos se produce de tal manera 'ue el ión ! > no existe como tal en la disociación acuosa, sino 'ue se encuentra junto a los iones de la disociación del agua, ?!-: y ! ># es decir, 'ue se encuentra hidratado, lo 'ue significa 'ue en la disociación de los ácidos, en ve* de ! > se encuentra otro ión, llamado hidronio, %ste ión se formaa por transfere form transferencia ncia de un protó protónn !>, desde una mol1cula ácida a otra de agua. ;sí por ejemplo, la disociación del ácido clorhídrico !"l- en medio acuoso se produciría seg6n esta teoría de la siguiente forma$ !"l > !)?

!+?> > "l:

%n el caso de las bases tambi1n se produce la transferencia de un protón ! > desde la mol1cula de agua a la base, de forma 'ue en el caso de una base como el amoniaco D! +-, la reacción de descomposición seg6n la teoría de ArEnsted y &oGry sería$ D!+ac- > !)?-

D! > ?!-:

%n este caso, el ión !> procedente de la descomposición del agua se une a la mol1cula de D!+, formando el ión positivo D! >, denominado en este caso radical amonio, y dejando libre al ión ?!-: 'ue restaba de la descomposición del agua. COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO C) Ie esta manera, seg6n la teoría de ArEnsted y &oGry, se podía explicar el evidente carácter básico de sustancias como el amoniaco, 'ue seg6n la teoría de disociación de ;rrhenius, no eran bases ya 'ue en su disociación nunca podrían dar directamente a un radical ?!- : del 'ue carecían. Por tanto, seg6n esta teoría, el carácter básico de una sustancia se produce, no solo cuando entra a formar parte de su mol1cula el grupo ?!- :, sino cuando al disociarse en el agua se forman iones ?!-:.

"on las definiciones de ArEnsted y &oGry, decimos 'ue el ! )? es el ácido en la reacción ya 'ue dona un ión ! >. %l D!+ es la base poe'ue acepta el ión ! >. 5eg6n la definición de ;rrhenius, decimos 'ue la solución resultante es básica debido a 'ue contiene iones ?! :ac-. ;sí podemos decir 'ue la mol1cula de D! + es básica acepta un protón- y 'ue su solución acuosa tambi1n es básica. tiene un exceso de iones ?! :-. ;lgunas veces los donadores de protones se denominan ácidos á cidos de ArEnsted, en forma semejante, las sustancias 'ue reciben un protón se pueden llamar bases de ArEnsted.

5.2. Pre& !e /0$!o& - &e& 0o#%3!o&

%

n cual'uier e'uilibrio ácido F base, ambas reacciones la reacción directa y la inversa comprenden comp renden transferencia transferencia de prot protones. ones. Por ejemp ejemplo, lo, considere de nuevo la reacci reacción ón del D!+ y el !)?$ D!+ac- > !)?-

D! > ?!-:

%n la dirección directa, el !)? dona un protón al D! +. Por Por consiguiente, el !)? es el ácido y > el D!+ es la base. %n la dirección inversa, el D! dona un protón al ?! :. %n este caso el !)? y el ?!:, 'ue sólo difieren por la presencia o ausencia de un protón, se denominan par ácido F base conjugada. (odo ácido tiene asociado a 1l una base conjugada, formada al a7adir un protón a la base. Por ejemplo, el ?!: es la base conjugada del !)?. %n forma similar, cual'uier base tiene asociada a ella un ácido conjugado, formado al a7adir un protón a la base# el D!> es el ácido conjugado del D!+.

D!+ac- > !)?Aase ácido

D! ac- > ?!-:ac3cido Aase conjugado conjugada

?bserve 'ue un ácido puede ser una especie con carga, como D! > o una especie neutra como el !)?. Iel mismo modo, las bases pueden ser neutras o tener cargas. ?bserve tambi1n 'ue algunas sustancias pueden actuar como un ácido en una situación y como una base en otra. Por ejemplo el !)? es una base de ArEnsted en su reacción con el !"l y un ácido de ArEnsted en su reacción con D!+. %s necesario hacer notar 'ue los t1rminos ácido y base definidos en esta teoría son siempre relativos. %n efecto, ciertas sustancias como el agua act6an como bases frente a ácidos fuertes, y como ácidos frente a bases d1biles como el amoniaco. &as sustancias 'ue presentan este doble comportamiento se denominan anfipróticas o anfóteras.

5.2.5 Teorí Teorí !e Le$& 

&a palabra conjugado c onjugado significa Junidos como un parK LBM8"; &; "8%D"8; "8%D"8; "%D(/;& AroGn:&emay: Aursten COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


C+

%

n 2)+, a7o en el 'ue ArEnsted y &oGry formularon su teoría, el estadounidense Nilbert D. &eGis <=:2C- estableció un sistema conceptual en el 'ue 'uedaban definidos los ácidos y las bases en función de su dotación electrónica. 5eg6n esta teoría, una base es un compuesto 'ue puede ceder una pareja de electrones en la formación de un enlace covalente, y un ácido es un compuesto 'ue puede aceptar una pareja de electrones en la formación de un enlace covalente. (odos los compuestos clasificados como ácidos o bases por medio de las teorías de ;rrhenius y de ArEnsted y &oGry contin6an siendo ácidos y bases, de acuerdo con la teoría de &eGis, sin embargo, la lista de ácidos y bases se amplía con esta teoría más general. %n la teoría de &eGis se trata de una reacción ácido:base por'ue el ácido ! > acepta una pareja de electrones del ?!-: y se forma un enlace covalente. Por ejemplo$ !> >

? !:

! ? ! ! D !- "!+"??: ! ;cetato de amonio

! D ! > "!+"??! ! ;moniaco 3cido ac1tico

!

(odas las bases seg6n &eGis tienen una propiedad fundamental en com6n, todas tienen una pareja disponible una pareja solitaria, o pareja sin compartir de electrones# asimismo todos los ácidos áci dos tie tienen nen una pro propie piedad dad fun fundam dament ental al en com com6n, 6n, tie tienen nen un orb orbita itall mol molecu ecular lar vac vacío ío dispuesto a aceptar una pareja de electrones.

5.( 'UER4A RELATIA DE ÁCIDOS Y BASES

5

eg6n la teoría de ;rrhenius, un ácido o una base son fuertes cuando, en e n disolución acuosa, se encuentran completamente disociados, y son d1biles cuando su grado de disociación es bajo. 5eg6n la teoría de ArEnsted y &oGry, &oGry, por su parte, un ácido es más o menos es fuerte en función de su mayor o menor tendencia a ceder protones, y una base, análogamente, es más o menos men os fuerte fuerte en función función de su mayor o men menor or tendenci tendenciaa a ace acepta ptarlo rlos. s. %st %staa ten tenden dencia cia es siempre relativa y debe considerarse frente a una sustancia de referencia, 'ue normalmente es el agua. &a fuer*a de un ácido puede constatarse de forma cuantitativa mediante el valor de la constante de e'uilibrio 'ue se obtiene al aplicar la ley de acción de masas a la reacción del ácido considerado y de agua. %n una reacción gen1rica de la forma$ ;: > !+?>

3cido > !)?

Ionde ;: es el ión ácido, ác ido, la constante de e'uilibrio vendrá dada por la expresión$

! +?  ; Oc   3cido   ! )? 



%n el laboratorio suelen utili*arse disoluciones acuosas diluidas en las 'ue la proporción de vol6me vol 6menes nes hac hacee 'ue la con concen centra tració ciónn del agua !)? pueda considerarse constante y, por consiguiente, sea posible incluirla en el valor de una constante num1rica de tal forma 'ue$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


C

Oa  Oc   ! ) ? 

! +?  ;  3cido 



.-

Oa es la llamada constante de disociación o de acidez , expresión cuantitativa de la fuer*a de un ácido. Bn valor elevado de Oa indica una fuer*a notable del ácido considerado y por consiguiente, una fuer*a escasa en su base conjugada. %n los mismos t1rminos se define la constante de basicidad, cuya expresión se deduce de la aplicación de la ley de acción de masas a una reacción tipo de la forma$ A> > ?!-: de donde obtendríamos un valor para la constante de basicidad de la forma$ Aase > !)?

Ob 

A  ?! 

.)-

 Aase

&os valores de Oa y Ob permiten establecer una ordenación de la fuer*a relativa de los pares ácido:base. &a tabla . muestra las fuer*as relativas de pares conjugados ácido:base. TABLA 5.1 uer*as relativas ácido:base

 ! $ 0 /  9 r e % 8  7 e ! o * # e 6 e r 0 # I

;cido !"l? !8 !Ar !"l !D?+

00Q ioni*ado en solución acuosa diluida. Do hay uer*a básica mol1culas de ácido despreciable no ioni*adas. en agua

!+? ! Me*cla en "!+"??! e'uilibrio de !"D mol1culas no > D! ioni*adas de ácido, !)? base conjugada.

Aase "l?: 8: Ar : "l: D?+:

!)? : "!+"? ?: "D: D!+ ?!-:

I# 0 r e

6 e

# *o ! e

7 8% e r 9

 1 / &$ 0



&a tabla .) contiene las constantes de disociación de varios ácidos importantes, muchos ácidos como el sulfuroso y el fosfórico pueden perder mas de un protón y por ello se llaman ácidos polipróticos. ;simismo la tabla .+ nos muestra las constantes de disociación de algunas bases importantes.

TABLA 5.2 "onstantes de ioni*ación para ácidos d1biles a ) R" COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO Dombre ;c1tico Aen*oico órmico "ianhídrico Ditroso luorhídrico hipocloroso 5ulfhídrico

osfórico

/eacción "!+"??! "C!"??! !"??! !"D !D?) ! !"l? !)5 !5: !+P? !)P?: !P?@

Oa

 !> > "!+"??:  !> > "C!"??:  !> > !"??:  !> > "D:  !> > D?):  !> > :  !> > "l?:     

C

!> > !5: !> > 5@ !> > !)P?: !> > !P?@ !> > P?:+

.<  0: C.+  0: .<  0: .0  0:0 .  0: =.)  0: +.  0:< .0  0:= @ O  .+  0:+ @ O ) =.  0:+ @ O  C.)  0:< @ O ) .0  0:) @ O +

TABLA 5.( "onstantes de ioni*ación para bases d1biles a ) R" Dombre ;moniaco

/eacción

Ob

D!+ > !)?



D! > ?!:

.<  0:

;nilina

"C! D!) > !)?



"C! D!+> > ?!:

.0  0 :0

%tilamina

")! D!)>!)?



")! D!+> > ?!:

.  0:2

Piridina

"! D > !)? "!+ D!) > !)?

 

"! D!> > ?!: "!+ D!+> > ?!:

.<  0:

Metilamina

.0  0:

5. 2AUTOIONI4ACIÓN DEL AGUA

!

emos visto 'ue el agua puede aceptar como donador o como aceptor de un protón, dependiendo de las circunstancias. %l agua puede tambi1n actuar como donador y aceptor de un protón entre mol1culas iguales$ !)? > !)?

!+?> > ?!:

%sta transferencia de un protón, llamada autoioni*ación, explica la ioni*ación espontánea del disolvente# la reacción se efect6a sólo en pe'ue7o grado y da lugar a una conductividad el1ctrica muy pe'ue7a. En el caso del agua pura, se ha encontrado que a determinada ambiente solo de cada 10 8 moléculas está ionizado en un instante dado, ninguna molécula permanece en forma iónica durante mucho tiempo, pues el equilibrio es muy rápido.

&a expresión de e'uilibrio para la autoioni*ación del agua se puede escribir$

)

Muchos 'uímicos suelen utili*ar el t1rmino ;B(?P/?(S&8585 COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


CC

O 

!

?!  ! ) ?





! + ?  ?!  ! ) ? 







&a concentración de agua en las soluciones acuosas suele ser muy grande, alrededor de  M, y permanece prácticamente constante en las soluciones diluidas, 'ue en consecuencia, se acostumbra a excluir la concentración del agua de las expresiones de las constantes de e'uilibrio, es decir$ OG  !





?!





! +?





?!



.+-

%sta importante constante de e'uilibrio OG se denomina producto iónico del agua. ; ) R", OG tiene el valor de .00:. "uando !> @ ?!:, la disolución es neutra. ; medida 'ue la concentración de uno de estos aumenta, la concentración del otro disminuye# en soluciones ácidas !> T ?!: y en soluciones básicas !> U ?!:. a concentración está e!presada en moles"litro M-

5.5 ESCALA :;

%

l p! de una disolución es una medida de la concentración de iones hidrógeno. Bna pe'ue7a variación en el p! significa un importante cambio en la concentración de los iones hidrógeno. Por ejemplo, la concentración de iones hidrógeno en los jugos gástricos p! @ - es casi un millón de veces mayor 'ue la del agua pura p! @ =-. Puesto 'ue la concentración de ! > en una solución acuosa suele ser muy pe'ue7a, se puede expresar convenientemente en t1rminos de p!, 'ue se define como el logaritmo negativo en base 0 de la concentración molar de iones hidrógeno, es decir$ .-

p! @ : log V !> W

!ay 'ue observar 'ue se emplea el p! en lugar del ! +?>. "uando se desarrolló el concepto de p!, el ión hidronio !+?> se representaba como !>. %n función de la concentración de ?!-: $ .-

p?! @ : log V ?!: W

Ee6:7o 5.1.< "omo ejemplo del uso de la anterior expresión, calculemos el p! de una solución neutra a ) R", 'ue es a'uella en la 'ue la concentración de los iones V!>W @ .0 0:= M p! @ : logV0:=W @ :  :=.0 - @ =.0 Por tanto podemos concluir 'ue el p! de una solución neutra es =.0, en síntesis$ 5oluciones ácidas$ 5oluciones neutras$ 5oluciones básicas$

p! U =.00 p! @ =.00 p! T =.00

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C=

Ee6:7o 5.2.< "uál es el p! de las siguientes soluciones ácidas cuyas concentraciones en V!>Wson$ a- .  0 :+ M, b- .)  0:) M, c- C.=  0:< M 5olución$ Puesto 'ue ya se tiene las concentraciones molares de estas soluciones ácidas, se puede calcular el p! a partir de su definición$ a- p! @ : log V!>W @ : log V . 0:+ W @ ).<) b- p! @ : log V!>W @ : log V .) 0:) W @ .+< c-

p! @ : log V!>W @ : log V C.= 0:< W @ =.=

Para familiari*arnos mas con las escalas de p! y p?! consideremos la tabla C. TABLA 5. &a escala de p! 5ustancia

p!

3cido de batería 3cido estomacal Hugo de limón ;gua de soda "af1 negro ;gua pura Da!"?+ Habón de tocador Ietergente &impiadores caseros &impiadores de ca7erías

V!>W

0  +   = 2 0 

00 0: 0:+ 0: 0: 0:= 0:2 0:0 0:

+ 

0:+ 0:

V?!:W 0: 0:+ 0: 0:0 0:2 0:= 0: 0: 0:+ 0: 00

p?!  +  0 2 =   +  0

uertemente ácida

3cido d1bil Deutra Aase d1bil uertemente básica

&a relación entre p! y p?! es $ p! > p?! @ 

.C-

5.= :; DE ÁCIDOS Y BASES 5.=.1 Á0$!o& 8%er*e&

5

on electrolitos fuertes, reaccionan con agua para formar ! > y no 'uedan mol1culas de ácido sin reaccionar en la solución. &os seis ácidos fuertes mas comunes son$ !"l, !Ar, !8, !D?+ !"l? y !)5?. Xeamos el siguiente ejemplo para determinar el p! de una solución ácida fuerte y de concentración elevada$

Ee6:7o 5.(.< Y"uál es el p! de una solución 0. M de !"l4 !"l

!> > "l:



!"l > !)?



seg6n ;rrhenius-

!+?> > "l: seg6n ArEnsted y &oGry-

%l lector puede considerar la teoría de ;rrhenius o ArEnsted y &oGry para describir la reacción ácido F base. concentración

!"l > !)?



!+?> > "l:



C< inicial "ambio final

0. M :0. 0

0 >0. 0.

0 >0. 0.

?bserve 'ue la concentración de protones o iones hidronio es$ !> @ !+?> @ 0. M, en consecuencia el p! de la solución ácida es$ p! @ : log!> @ : log0. @ .0

%l lector tiene 'ue considerar 'ue para soluciones de ácidos fuertes y de bajas concentraciones, el cálculo del p! no es de forma directa como en el ejemplo anterior, sino 'ue debe considerar la incidencia de los iones ! > y ?!: provenientes del agua pura, para ilustrar mejor esta observación consideremos el siguiente ejemplo$

Ee6:7o 5..< "alcular el p! de una solución de ácido clorhídrico .0  0:C M. "oncentración !"l inicial .0 0:C "ambio :.0 0:C final 0



!> > "l: .0 0:= >.0 0:C >.0 0:C . 0:C .0 0:C

?bserve 'ue la concentración de protones es$ la suma de los protones de disociación y los protones provenientes del agua pura !> @ . 0:C

M

en consecuencia el p! de la solución ácida es$ p! @ : log!> @ : log.0:C @ .2C

5.=.2 Á0$!o& !>$7e&

&

a mayor parte de las sustancias 'ue son ácidas en agua, son ácidos d1biles. %l grado en el 'ue un ácido se ioni*a en un medio acuoso se puede expresar por la constante de e'uilibrio para la reacción de ioni*ación# en general para cual'uier ácido d1bil !;, el cual se disocia parcialmente en !> y ; :, donde ;: es la fórmula de la base conjugada 'ue se produce cuando se ioni*a el protón. %l e'uilibrio para la ecuación$ ;: > !+?>

!; > !)? es$

Oa



!

;  !; 







&a constante de e'uilibrio se indica con el símbolo Oa y se llama constante de disociación ácida.

Ee6:7o 5.5.< Bn estudiante ha preparado una solución 0. M de ácido fórmico, estableciendo su p! @ ).+<, a- "alcular Oa, b- Lu1 porcentaje de ácido está disociado en está disolución4 COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


C2 5olución$ %l lector puede elegir dos m1todos de solución, 'ue los describimos a continuación$ +

M1todo "oncentración !"??! > !)? !"??: > !+?> inicial "o 0 0 "ambio :"o > "o >"o %'uilibrio "o: "o "o

!aciendo una revisión de los datos del problema, podemos plantear la ecuación para determinar la constante de e'uilibrio$ Oa



$#%%  ! 



 !"??!

#o ) )

-

#o    -

&a concentración de !> se puede determinar a partir del p!, la concentración del ión formiato se puede determinar a partir del balance este'uiom1trico la cual nos muestra 'ue es igual a la concentración de ! >, en cambio la concentración del ácido fórmico es 0. M. Ie acuerdo al análisis del problema$ p! @ :log !> !> @ !"??:

"o @ antilog:).+<- @ .C2 0:+ M

%l grado de disociación puede determinarse a partir una anterior expresión$ b-

.C2  0 +

 

0.



.C2  0



)

%l porcentaje de ácido disociado es$  @ .C2x0:)  00Q @ .=Q

/eempla*ando datos en la ecuación -$ a-

Oa



.C2

0

!

+



.C2

0

!

+





0.,   -

&a constante de ioni*ación ácida será$

.C2 !0  .C2 !0  +



Oa



+





0.  .C2  0



)

-



.<  0  

M1todo )"oncentración !"??! > !)? inicial 0. "ambio :x %'uilibrio 0. : x +

!"??: > !+?> 0 0 > x >x x x



Bn tercer m1todo se considera en la sección .2 de la página 22 COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


=0

&a constante de e'uilibrio se puede calcular a partir de su definición. a-

Oa

!"?? 





!

 !"??!



x

)

0.  x

!aciendo una revisión del balance de concentraciones, encontramos 'ue la concentración de iones hidronio es$ V!+?>W @ x

&a concentración de estos iones se puede calcular a partir del concepto de p!, ya 'ue en el problema p! @ ).+<. p! @ : logV!>W

&a concentración de V!>W es$ V!>W @ antilog F p!- @ antilog F ).+W @ .= 0:+

Por tanto$ x @ .= 0:+

&a constante Oa$ Oa



x) 0.  x



 .=

)

0 +  0.  .=  0 





+



.<  0





b- %l porcentaje de ácido disociado es$ Z



x 0.



00Q 

.=  0 + 0.



00



.=Q

5.=.( B&e& 8%er*e&

&

as bases fuertes solubles más comunes son$ &i?!, Da?!, O?!, /b?!, "s?!, "a?!-), 5r?!-), Aa?!-)# normalmente en la solución las bases fuertes son la 6nica fuente importante de ?!:.

Ee6:7o 5.=.< Y"uál es el p! de una solución 0. M de Aa?!-)4 5olución$ %scribimos la ecuación de disociación del hidróxido de bario$ "oncentración 8nicial "ambio final

Aa?!-) 0. : 0. 0.0



Aa>) > ) ?!: 0 0 > 0. > )0.0. 0.)

disociación total-

%l p! de la solución debemos calcular indirectamente, puesto 'ue, de la ecuación balanceada podemos determinar el p?! y por diferencia el p! de la solución, es decir$ p?! @ :log?!: @ : log 0.) @ 0.=0 p! > p?! @  p! @  : 0.= @ +.+



= Ie la misma manera 'ue en las soluciones de ácidos fuertes, cuando 1stas son diluidas, es decir de bajas concentraciones en ?! :, se debe considerar la concentración de los ?! : provenientes del agua pura, para ello veamos el siguiente ejemplo$

Ee6:7o 5.?.< Ieterminar el p! de una solución de hidróxido de bario . 0:< M 5olución$ %l planteamiento del problema es similar al caso de los ácido fuertes, %l hidróxido de bario es una base fuerte, por tanto, la disociación es total, a demás se debe considerar la concentración de los iones ?! : correspondientes al agua, y 'ue no se lo puede despreciar. /eali*ando un balance en función a las concentraciones se tiene$ "oncentración Aa?!-) inicial . 0:< "ambio : . 0:< final 0.0

Aa>) > ) ?!: 0 0:= > . 0:< > ) . 0:<>. 0:< .+ 0:= disociación total-



; partir de la ecuación establecida determinamos en principio el p?! de la solución$ p?! @ :log?!: p?!@ : log .+ 0:= @ C.<2 p! > p?! @  p! @  F C.<2 @ =.

5.=. B&e& !>$7e&

M

uchas sustancias se comportan en agua como bases d1biles. %stas sustancias reaccionan con el agua removiendo protones de ! )?, formando así el ácido conjugado de la base e iones ?!:. &a base d1bil mas com6n es el amoniaco 'ue se disocia seg6n$ D!> > ?!:

D!+ > !)?

&a expresión de la constante de e'uilibrio para esta reacción es$

D $   ?! Ob   D!+  



&a constante Ob se llama constante de disociación básica y se refiere siempre al e'uilibrio en el cual una base reacciona con !)? para formar el ácido conjugado e iones hidróxido ?!:. &as bases d1biles se disocian parcialmente 'uedando en solución mol1culas sin disociar, el grado de disociación puede evaluarse seg6n la cantidad de mol1culas disociadas, como se estudiará en los siguientes ejemplos.

Ee6:7o 5.@.< "alcular el p! en una solución 0.) M de D!+ si Ob @ .< 0:5 5olución$ %l problema se puede resolver considerando dos m1todos$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

=) M1todo -


Planteamos la ecuación de disociación del amoniaco y efectuamos el balance de concentraciones$ D!> > ?!: 0 0 > "o > "o "o "o

"oncentración D!+ > !)? 8nicial "o "ambio :"o e'uilibrio "o:-

/eempla*ando datos en la expresión de la constante de e'uilibrio y el p?! : en función a la concentración del grado de disociación  y a la concentración inicial del amoniaco$

D $   ?! Ob   D!+  



"o)Z)  .<  0  "o,  Z



?!: @ "o

-

)-

%sto implica 'ue debemos evaluar el grado de disociación a partir de la ecuación -. "onsiderando las recomendaciones del recuadro, puesto 'ue el exponente de la constante de e'uilibrio es :-, en el denominador se tiene una diferencia, en el cual puede despreciarse el grado de disociación 'ue constituye una variable lineal puede despreciarse, de manera 'ue llegamos a la siguiente ecuación$ .<  0







"o ) Z ) "o



"oZ )

Iespejando $  

.< !0  0.)



2.< !0 +

Q @ 0.2Q  Q&a concentración de ?!: se puede evaluar a partir de la ecuación )?!: @ "o @ 0.) 2,
y el p!$

P! @  F ).=) @ .)<

S$6:7$8$00$# !e e0%0$o#e& 0%!r/*$0& #on frecuencia se encuentran ecuaciones cuadráticas o de orden mayor en los cálculos de equilibrio. #on las calculadoras programables modernas es posible resol&er estos tipos de problemas por medio de métodos de iteración. 'ero con frecuencia pueden simplificarse aplicando el sentido com(n matemático. #uando la &ariable lineal )!* de una ecuación cuadrática se suma o se resta de un n(mero considerablemente mayor, con frecuencia puede despreciarse si es suficientemente peque+a. na regla general razonable para determinar si la &ariable es despreciable en los cálculos de equilibrio es la siguiente- i el e!ponente de 10 en el &alor de / es  o menor )23, 24, 25, etc*, la &ariable será suficiente mente peque+a despreciarla DE al sumarla o restarla de un COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA para ESTUDIANTES CIENCIAS E INGENIERÍA n(mero mayor de 0.03. i ! es mayor del 36 de ese n(mero, la suposición no es 7ustificada hay que resol&er la ecuación aplicando la fórmula cuadrática. )9hitten2:ailey2;a&is*


=+

M1todo )"oncentración 8nicial "ambio e'uilibrio

D!> > ?!: 0 0 >x >x x x

D!+ > !)? 0.) :x 0.) : x

&a constante de e'uilibrio seg6n la ley de acción de masas es$ Ob

es decir$

.<  0  





x) 0.)

x 0.)



x

) 

x

Puesto 'ue la constante de ioni*ación es pe'ue7a, se puede despreciar x en el denominador, de manera 'ue$ x) @ .< 0:  0.) @ +.C 0:C x @ .<2=  0:+

!aciendo una revisión del balance de concentraciones encontramos 'ue$ V?!:W @ x @ .<2=  0:+

%l p?! será$ p?! @ : log V .<2=  0:+W @ ).=)

Por tanto el p! de la solución es$ p! > p?! @  p! @  F ).=) @ .)<

5.=.5 D$&o0$0$# !e /0$!o& :o7$:r*$0o&

M

uchas sustancias son capaces de donar mas de un protón al agua. &as sustancias de este tipo se llaman ácidos polipróticos, se disocian en forma escalonada, por ejemplo, en el caso del ácido diprótico ! )5?+, cada grado de ioni*ación tiene su propia constante de e'uilibrio$

!5?+  !+?  !)5?+  

!)5?+ > !)?

!5?+:> !)?

:

>

!5?+ > !+?

5?+@ > !+?>

O   O )



5? +





! +?





!5?  

+


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO = Ee6:7o 5..< "alcular el p! de una solución de !)5 0.0 M. &os valores de O  y O ) para esta especie son$ 0:= y .) 0:+ respectivamente.

5olución$ Planteamos la ecuación de la primera disociación del ácido sulfhídrico$ !+?> > !5: 0 0 > "o > "o "o "o

"oncentración !)5 > !)? inicial "o "ambio :"o %'uilibrio "o: -

!+?  !5  

O  

 "oZ )

"oZ )      0 "o,  Z- ,  Z-





 ! )5



=

5e puede despreciar  puesto en el denominador por 'ue la constante de ioni*ación es muy pe'ue7a, de modo 'ue se puede calcular  =

Z



=

  0

  0



"o



0.

  0

+

%n consecuencia la concentración del ión hidronio será$ ! +?





"o  Z  0.    0



+



  0





V!+?>W @ V!5:W @  0: M

Por tanto$ p! @ : log V!+?>W @ : log V 0:W @ 

%l p! de la solución es .0, por'ue la segunda constante es muy pe'ue7a, una millon1sima parte de la primera constante de ioni*ación, de manera 'ue los iones hidrógeno son proveniente básicamente de la primera disociación. %l lector debe considerar tambi1n la siguiente opción para resolver el problema en esta primera etapa. !+?> > !5: 0 0 >x >x x x

"oncentración !)5 > !)? inicial 0. "ambio :x %'uilibrio 0. : x

! +?  !5  !+? ) 

Oa 







 ! )5 Oa





 ! )5

x) 0.  x

Puesto 'ue la constante de disociación del ácido sulfhídrico es pe'ue7a, se puede despreciar x en el denominador. x



[a



0.



  0=



0.



  0 

&a concentración de iones hidrógeno es$ V!>W @ x @   0:


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO Por consiguiente el p! de la solución es$ p! @ : log V  0:W @ .0

=

5.? E'ECTO DEL IÓN COMN

E

l efecto del ión com(n es un cambio en un equilibrio iónico causado por la adición de un soluto que proporciona un ión que toma parte en el equilibrio.

Ee6:7o =.1 .< "onsideremos una solución de ácido ac1tico 0.00 M y una solución de ácido nítrico 0.00 M. a- "uál es el efecto sobre el e'uilibrio de la ioni*ación ácida de ácido ac1tico al ser me*clado con la solución de ácido nítrico4, b- calcule la concentración del ión acetato y el p! de la solución de ácido ac1tico, c- determine la concentración del ión acetato y el p! de la me*cla ácido fuerte F ácido d1bil y compare con el inciso a-. 5olución$ a- Iebido a 'ue el ácido nítrico constituye un ácido fuerte, 1ste proporciona iones !+?>, a la solución de ácido ac1tico. "!+"??: > !+?>

"!+"??! > !)?

%l ión !+?>, está presente en el segundo miembro de la ecuación# de acuerdo con el principio de &e "hatelier, L T O, esto es, el e'uilibrio se despla*a de derecha a i*'uierda. %sto implica 'ue el grado de disociación del ácido ac1tico es disminuido por la adición de un ácido fuerte, esta disminución del grado de ioni*ación por efecto del ácido nítrico es un ejemplo del ión com6n. b"!+"??: > !+?> 0 0 >x >x x x

"!+"??! > !)? 8nicio 0.0 "ambio :x final 0.0 F x Oa



x) 0.0  x

.<  0  



x) 0.0  x

x) > .< 0: x : 2 0:= @ 0

/esolviendo la ecuación de segundo grado$ x



.<  0 : 



.<

0 :   )



)



  2  0



= 

2.0  0





Por consiguiente la concentración de los iones hidronio es$ V!>W @ 2.00: p! @ : logV 2.00: W @ +.0+

&a concentración del ión acetato es$ V"!+"??:W @ @ 2.0 0:



=C c-

"!+"??! > !)? 8nicio 0.0 "ambio :x final 0.0 F x

"!+"??: > !+?> 0 0. >x 0. > x x 0. > x

.<  0







x  0.  x  0.0  x

x) > 0. x : 2 0:= @ 0 x





 0. )

0. 



  2  0



=

)



2.0  0



C

Por consiguiente la concentración de los iones hidronio es$ V!>W @ 2.0 0:C > 0. @ 0. p! @ : logV 0. W p! @ .00

&a concentración del ión acetato es$ V"!+"??:W @ 2.0 0:C

&a concentración del ión acetato a disminuido, esto muestra 'ue al introducir un ácido fuerte, el e'uilibrio se despla*a de derecha a i*'uierda, y 'ue coincide con el principio de &e "hatelier.

5.@ SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

M

uchas soluciones acuosas resisten un cambio en el p! despu1s de la adición de pe'ue7as cantidades de un ácido o de una base. %stas soluciones se llaman soluciones amortiguadoras o soluciones buffer. %stas soluciones contienen$ 

Bn ácido d1bil y la sal iónica soluble del ácido d1bil.



Bna base d1bil y la sal iónica soluble de la base d1bil.

&as soluciones amortiguadoras contienen pares conjugados ácido F base en concentraciones ra*onables. 

%l componente más ácido reacciona con las bases fuertes 'ue se adicionan.



%l componente más básico reacciona con los ácidos 'ue se adicionan.

[email protected] So7%0$o#e& !e /0$!o !>$7 - &7 !e7 /0$!o !>$7

B

na solución 'ue contenga ácido fórmico y formiato de sodio constituye una solución amortiguadora, el componente más ácido es el ácido fórmico y el componente más básico es el formiato de sodio tal como describe la teoría de ArEnsted y &oGry !"??! > !)?

!"??: > !+?



==

5i adicionamos un ácido fuerte, 1ste reaccionará con la base de la solución amortiguadora, es decir si por ejemplo a7adimos una solución de ácido clorhídrico se escribirá la siguiente reacción$ !> > !"??:

!"??!

? en forma molecular$ !"l > !"??Da

!"??! > Da"l

5i adicionamos una base fuerte, 1ste reaccionará con el ácido de la solución tampón, por ejemplo una solución de Da?! a7adida a la solución amortiguadora$ ?!: > !"??!

!"??: > !)?

Da?! > !"??!

!"??Da > !)?

o en forma molecular$

Ee6:7o 5.11.< Bn litro de una solución amortiguadora contiene 0.) moles de ácido ac1tico y 0.0 moles de acetato de sodio. a- Y"uál es el p! de este amortiguador4, b- Y"uál es el p! despu1s de a7adir 0.00 moles de ácido nítrico4, c- Ycuál es el p! despu1s de a7adir 0.00 moles de Da?!4 5olución$ a- Ieterminación del p! de la solución amortiguadora. &as concentraciones del ácido ac1tico y acetato de sodio son respectivamente$ V "!+"??! W @ 0. M V "!+"??Da W @ 0.0 M

&a ecuación para la solución amortiguadora es$ "!+"??: > !+?>

"!+"??! > !)?

&a concentración del ión acetato puede ser evaluada a partir de ioni*ación completa del acetato de sodio, vale decir$ "!+"??Da



"!+"??: > Da>

&as sales de los ácidos d1biles en general suelen disociarse por completo en solución acuosa, esto implica 'ue la concentración del ión acetato es igual a la concentración del acetato de sodio, por consiguiente$ V "!+"??Da W @ "!+"??: @ 0.0 M "!+"??! > !)?

"!+"??: > !+?>

;l escribir la expresión de la constante de e'uilibrio$ V"! +"?? W  V! W Oa  V"! +"??!W Puesto 'ue la 6nica incógnita es V! >W, 





=<

Oa  V"! + "??!W .<  0   0.  0.0 V"! +"?? W 

V! W  





).=0  0





p! @ : log V ).=0  0:W @ .=

b- p! de la solución resultante despu1s de a7adir 0.0 mol de ácido nítrico. Puesto 'ue se está agregando a un litro de solución, la concentración del ácido nítrico es$ V !D?+ W @ 0.0 M >

y la concentración de iones ! es$ V !> W @ 0.0 M

debido a 'ue el ácido nítrico es un ácido fuerte y su ioni*ación es total. &a ecuación válida para este proceso y su correspondiente balance es$ moles 8niciales "ambio inal

"!+"??: > !> 0.0 0.0 : 0.0 : 0.0 0.02 0

"!+"??! 0. > 0.0 0.C

Puesto 'ue se tiene los moles finales de las especies en solución se puede determinar sus concentraciones molares y se puede escribir la ecuación de e'uilibrio$ V"!+"??: W @ 0.02 y "!+"??! > !)?

V"!+"??! W @ 0.C "!+"??: > !+?>

;l escribir la expresión de la constante de e'uilibrio$ V"! +"?? W  V! W Oa  V"! +"??!W Puesto 'ue la 6nica incógnita es V!>W, 



Oa  V"! +"??!W .<  0   0.C  0.02 V"! +"?? W 

V! W  





+.)0  0





p! @ : log V +.)0  0:W @ .2

%l p! de la solución se ve disminuida como era de esperarse, sin embargo no se ve afectada por un cambio brusco, la variación de p! es$  p! @ .= F .2 @ 0.0<

c- "uando se a7aden 0.0 mol de Da?! a la solución amortiguadora la concentración del Da?! es$ V Da?! W @ 0.0 M

y la concentración del ión ?!: es$ V ?!: W @ 0.0 M



=2 ;l introducir una base a una solución amortiguadora, 1ste reaccionará con el ácido, 'ue, en este caso es el ácido ac1tico, por consiguiente se tiene el siguiente balance$ "!+"??! > ?!: 8nicio 0. 0.00 "ambio : 0.00 : 0.00 inal 0. 0

"!+"??: > !)? 0.0 > 0.00 0.

Puesto 'ue se tiene los moles finales de las especies en solución se puede determinar sus concentraciones molares y se puede escribir la ecuación de e'uilibrio$ V"!+"??: W @ 0. y

V"!+"??! W @ 0.

"!+"??! > ?!:

"!+"??: > !)?

;l escribir la expresión de la constante de e'uilibrio$ V"! +"?? W  V! W Oa  V"! +"??!W Puesto 'ue la 6nica incógnita es V! >W, 



Oa  V"! +"??!W .<  0   0.  0. V"! +"?? W 

V! W  





).)2  0





p! @ : log V ).)2  0:W @ .C

%l p! de la solución resultante se incrementa en$  p! @ .C F .= @ 0.0=

[email protected] So7%0$o#e& !e B&e D>$7 - &7 !e 7 &e !>$7

B

na solución 'ue contenga amoniaco y cloruro de amonio constituye una solución amortiguadora, el componente más básico es el amoniaco y el componente más ácido es el cloruro de amonio tal como describe la teoría de ArEnsted y &oGry. D!+ > !)?

D!> > ?!

5i adicionamos un ácido fuerte, 1ste reaccionará con la base de la solución amortiguadora, es decir si por ejemplo a7adimos una solución de ácido clorhídrico se escribirá la siguiente reacción$ !> > D!+

D!>

!"l > D!+

D!"l

? en forma molecular$ 5i adicionamos una base fuerte, 1ste reaccionará con el ácido de la solución tampón, por ejemplo una solución de Da?! a7adida a la solución amortiguadora$ ?!: > D!>

D!+ > !)?

? en forma molecular$ Da?! > D!"l

D!+ > Da"l > !)?



<0

Ee6:7o 5.12.< a- Y"uál es el p! de una solución tampón 'ue es D! + 0.0 M y D! "l 0.0 M4, b- "uál es el p! si se adicionan ) ml de ácido clorhídrico 0.)0 M a ) ml de la solución amortiguadora4 5olución$ a- Para calcular el p! de la solución tampón escribimos la ecuación correspondiente a esta solución y sus respectivas concentraciones. D!> > ?!

D!+ > !)?

&as concentraciones son$ V D!+ W @ 0.0 M V D!> W @ 0.0 M

la expresión de la constante de e'uilibrio es$ Ob



D! .





?!



 D!  +

&a 6nica incógnita es la concentración de ?!:. Ob  VD!+ W V?! W  VD!  W 





V?! W 

.<  0 



0 .

0.



.<  0 



%l p?! de la solución es$ p?! @ : log V.< 0:W @ .=

y el p! será$ p! @  F p?! @  F .= @ 2.)C

b- Para determinar el p! despu1s de agregar una solución de !"l se calcula los moles 'ue reaccionan, luego las nuevas concentraciones. 0.) milimoles !"l  ). milimoles!"l ml 0. milimol D! + ) ml D! +   ). milimol D! +  ml D! + ) ml !"l 

0. milimol D!   ). milimol D!  ) ml D!    ml D!  Puesto 'ue se esta adicionando un ácido fuerte, 1ste reacciona con la base de la solución tampón, vale decir$ 







!"l > D!+ 8nicio ). mmol ). mmol "ambio F ). mmol : ). mmol inal 0 0. mmol

D!"l ). mmol > ). mmol .2 mmol

&as nuevas concentraciones son$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


<

0. mmol D! +  0.0=+=M += ml .2 mmol D! +  0.02M W += ml

VD! + W  VD! 



Por tanto considerando la ecuación correspondiente y la expresión de la constante de e'uilibrio se tiene$ D!> > ?!

D!+ > !)? Ob

D! .







?!



 D!  +

&a 6nica incógnita es la concentración de ?!:.

V?! W  





V?! W 

.<  0 

Ob  VD!+ W VD!  W 



0.0=+=

0.02



.))  0 



%l p?! de la solución es$ p?! @ : log V.)) 0:W @ .2

y el p! será$ p! @  F p?! @  F .2 @ 2.02

5.@.( Re&%6e# !e E0%0$o#e& !e re00$# NETA %n las secciones anteriores se dedujeron varias ecuaciones para resolver problemas de ácidos y bases d1biles. %n esta sección se presentan esas ecuaciones en forma compacta y se mostrará su relación con la reacción neta en cada situación.

1. Á0$!o !>$7 ;A 0o# 0o#0e#*r0$# $#$0$7 C.< &a reacción neta es$ ;: > !+?>

!; > !)?

V !; W @ "a : V ! +?> W V ;: W @ V !+?> W Oa



 ) V! ? W +

"a





V! +? W

.=-

5e calcula V !+?> W

Ee6:7o 5.1(.< Bn estudiante ha preparado una solución 0. M de ácido fórmico, estableciendo su p! @ ).+<, a- "alcular Oa, b- Lu1 porcentaje de ácido está disociado en está disolución4 5olución$ a- 5abiendo 'ue "a @ 0. y V !+?> W @ antilog F p! @ antilog F ).+< @ .= 0:+ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

<)


/eempla*ando en la expresión .=-$ Oa

V  .=





0

0 .  V  .=

:+ ) W



0

:+



 .<  0





W

b- %l porcentaje de ácido disociado es$ Z

;

:





00Q

.=  0

+







"a

00



.=Q

0.

2. B&e !>$7 B 0o# 0o#0e#*r0$# $#$0$7 C.< &a reacción neta es !A> > ?!:

A > !)?

V A W @ "b : V ?!: W V !A> W @ V ?!: W Ob

: ) V?! W 

"b



.<-

: V?! W

5e calcula V ?!: W y luego V !+?> W Bna solución amortiguadora con concentraciones iniciales de ácido d1bil V "a W y de base conjugada "b a- soluciones amortiguadoras ácidas Oa TT 0:= -. &a reacción neta es$ ;: > !+?>

!; > !)?

V !; W @ "a : V ! +?> W  "a V ;: W @ "b > V !+?> W  "b 

V! ? W +

"a 

Oa

"b

.2-

b- 5oluciones amortiguadoras básicas Oa UU 0:=-.: &a reacción neta es ;: > !)?

!; > ?!:

V ;: W @ "b : V?!: W  "b V !; W @ "a > V?!: W  "a 

V! ? W +

"a 

"b

Oa

.0-

Ee6:7o 5.1.< Bn litro de una solución amortiguadora contiene 0. moles de ácido ac1tico y 0.0 moles de acetato de sodio. a- Y"uál es el p! de este amortiguador4 5olución$ %stamos con un problema relacionado al inciso a-, donde "a @ 0. M, "b @ 0.0 M y Oa @ .< 0:. considerando la expresión .2-$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO 

V!+? W



V $ +% W 

0. 0.0



"a 

<+

Oa

"b

.<  0







).=  0





p! @ .=

5. T$*%70$o#e& Á0$!o < &e

&

as soluciones de concentración exactamente conocida, se denominan soluciones estándar. 5e pueden preparar soluciones estándar de algunas sustancias disolviendo una muestra cuidadosamente pesada de sólido en suficiente agua para obtener un volumen conocido de solución. "uando las sustancias no pueden pesarse con exactitud y convenientemente por'ue reaccionan con la atmósfera, se preparan soluciones de las mismas y se procede a determinar sus concentraciones por titulación 'IGURA 5.2 Pre:r0$# !e 7 &o7%0$# *$*%7#*e. &a figura con una solución estándar. muestra la preparación de la solución primaria, la misma 'ue se halla en la bureta.

L *$*%70$# , es el proceso en el cual un reactivo de la solución, el titulante, se a7ade cuidadosamente a la solución de otro reactivo y se determina el volumen del titulante necesario para 'ue la reacción se complete. E&*#!r$90$#, es el proceso por el cuál se determina la concentración de una solución midiendo con exactitud el volumen necesario de la misma para reaccionar con una cantidad perfectamente conocida de un estándar primario. &a solución estandari*ada recibe el nombre de estándar secundario y se emplea para anali*ar problemas. &as propiedades de las soluciones estándar primarios son$    

'IGURA 5.(



Do deben reaccionar o absorber componentes de la atmósfera, como vapor de agua, oxígeno o dióxido de carbono. Ieben tener alto porcentaje de pure*a. Ieben tener peso molecular alto para minimi*ar el efecto de errores al pesar. Ieben ser solubles en el disolvente de inter1s. Do deben ser tóxicos.

M*r9 Er7e#6e-er. &os <#ómo se sabe cuándo detener la titulación= matraces erlenmeyer son recipientes de vidrio de forma troncocónica 'ue se utili*an en el laboratorio para titulaciones DE ácido F COMPENDIOS QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA base.

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO < Para esto se agregan unas cuantas gotas de solución de indicador a la solución 'ue se va a titular. Un indicador es un colorante que se utiliza para distinguir entre las soluciones ácidas y básicas por medio del cambio de color que e!perimentan estas soluciones.

(ales colorantes son comunes en materiales naturales. %l color ámbar del t1, por ejemplo, es aclarado por adición de jugo de limón ácido cítrico-# Bn indicador es una sustancia 'ue adopta colores diferentes dependiendo de la concentración de ! > en la solución. %s preciso 'ue por lo menos una de estas formas tenga color intenso para 'ue puedan observarse cantidades muy pe'ue7as de la misma. 5upóngase 'ue se titula una solución ácida de concentración desconocida a7adiendo solución estandari*ada de hidróxido de sodio gota a gota mediante una %re* v1ase fig. .-. &as buretas comunes están graduadas a intervalos de  ml de manera 'ue permiten estimar el volumen de solución empleado. %l analista debe elegir un indicador 'ue cambie claramente el color en el punto en 'ue reaccionan cantidades este'uiom1tricamente e'uivalentes de ácido y base, es decir, el punto de e'uivalencia. %l punto en el cuál el indicador cambia de color y se detiene la titulación se llama :%#*o 8$#7. &o ideal es 'ue el punto final coincida con el punto de e'uivalencia. &a fenoftaleina es incolora en solución ácida y color rojo F violáceo en solución básica. 5i en la titulación se a7ade una base a un ácido, suele emplearse fenoftaleina como indicador. %l punto final se observa cuando aparece una coloración rosa d1bil 'ue persiste por lo menos  segundos al agitar la solución. 5.1 CÁLCULOS DE ESTANDARI4ACIÓN DE SOLUCIONES Y CURAS DE TITULACION ÁCIDO< BASE

B

na curva de titulación es una gráfica de p! contra cantidad de ácido o base a7adida por lo general, en volumen-. 8ndica de manera gráfica el cambio de p! al a7adir ácido o base a la solución y muestra con claridad cómo cambia el p! cerca del punto de e'uivalencia.

Ee6:7o 5.15.< 5e titulan 0.0 ml de !"l 0.00 M con Da?! 0.00 M. a- "alcular el p! cuando se han agregado los siguientes vol6menes de la base$ i- 0 ml, ii- )0 ml, iii0 ml, iv- 2 ml, v- 0 ml, vi-  ml, vii- C0 ml, viii- <0 ml. b- graficar la curva de titulación p! vs volumen de base a7adido. a- 5olución$ &a figura . nos muestra el proceso de titulación. &a determinación de p! de la me*cla resultante ser efect6a de acuerdo a los siguientes criterios. i- "uando no se ha agregado solución de Da?!, se tiene$ !"l



!> > "l:

%l ácido clorhídrico se disocia al 00Q por tanto la concentración de !"l es igual a la concentración de los iones !>. V!"lW @ V!>W @ 0.00 COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


<

p! @ : log V 0.0 W @ .00

ii- "uando se adicionan )0 ml de solución básica, los milimoles de Da?! y milimoles de !"l respectivamente son$ )0 ml sol. 

0. milimol

0 ml sol. 



 ml sol. 0. milimol  ml sol.

) milimoles Da?! 

 milimoles !"l

5e reali*a el siguiente balance$ !"l > Da?! inicio  ) cambio :) :) final + 0



!)? > Da"l 0 >) )

%l volumen total de la solución es$

NO; B%re*

X( @ 0 > )0 @ =0 ml

Por tanto, la nueva concentración de la solución es$  !"l  + milimol  0.0)< M =0 ml

V!"lW @ V!>W @ 0.0)< M

M*r9 Er7e#6e-er

p! @ : log V 0.0)< W @ .+=

;C7

iii- "uando se adicionan 0 ml de solución básica se a7aden  milimoles de Da?! y se reali*a el siguiente balance$ !"l > Da?! inicio   cambio : : final  0



!)? > Da"l > 

%l volumen total de la solución es$

'IGURA 5. Pro0e&o !e *$*%70$#. ; 0.0 ml de solución de ácido clorhídrico se a7aden una solución de hidróxido de sodio, diferentes vol6menes mediante el uso de una bureta. en el proceso se utili*a como indicador fenoftaleina de manera 'ue cuando se llega al punto final, este cambia de color incoloro a rosa- .

X( @ 0 > 0 @ 20 ml

Por tanto, la nueva concentración de la solución es$  !"l   milimol 20 ml



0.0 M

V!"lW @ V!>W @ 0.0 M p! @ : log V 0.0 W @ .2C

iv- "uando se adicionan 2 ml de solución básica se a7aden 2  0. @ .2 milimoles-, .2 milimoles de Da?! y se reali*a el siguiente balance$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO !"l > Da?!  !)? > Da"l inicio  .2 0 cambio :.2 : .2 > .2 0. 0 .2

%l volumen total de la solución es$ X( @ 0 > 2 @ 22 ml

Por tanto, la nueva concentración de la solución es$  !"l  

0. milimol 22 ml



0.000 M

V!"lW @ V!>W @ 0.000 M p! @ : log V 0.000 W @ +.00

v- "uando se adicionan 0 ml de solución básica se a7aden  milimoles de Da?! y se reali*a el siguiente balance$ !"l > Da?! inicio   cambio : : final 0 0



!)? > Da"l 0 > 

%l volumen total de la solución es$ X( @ 0 > 0 @ 00 ml

Por tanto, la nueva concentración de la solución es$

 !"l  0 milimol  0 M 00 ml 0 milimol

 Da?! 

00 ml



0M

&a solución resultante es neutra, es decir, la concentración de los iones hidrógeno es 0:= M. p! @ : log V 0:= W @ =.00

vi- "uando se adicionan  ml de solución básica se a7aden . milimoles de Da?! y se reali*a el siguiente balance$ !"l > Da?! inicio  . cambio : : final 0 0.



!)? > Da"l 0 > 

%l volumen total de la solución es$ X( @ 0 >  @ 0 ml

Por tanto, la nueva concentración de la solución es$  Da?! 

0. milimol 0 ml



2.2  0

:

M

5e determina el p?! de la solución p?! @ : log V 2.20: W @ +.00



<=

puesto 'ue$ p! > p?! @  p! @  F + @ .00

vii- "uando se adicionan C0 ml de solución básica se a7aden C.0 milimoles de Da?! y se reali*a el siguiente balance$ !"l > Da?! inicio  C cambio : : final 0



!)? > Da"l 0 >  

%l volumen total de la solución es$ X( @ 0 > C0 @  ml


 milimol 0 ml



2.02  0 :+ M

5e determina el p?! de la solución p?! @ : log V 2.02 0:+ W @ ).0

puesto 'ue$

p! > p?! @  p! @  F ).0 @ .2C

viii- "uando se adicionan <0 ml de solución básica se a7aden <.0 milimoles de Da?! y se reali*a el siguiente balance$ !"l > Da?! inicio  < cambio : : final 0 +



!)? > Da"l 0 > 

%l volumen total de la solución es$ X( @ 0 > <0 @ +0 ml


+ milimol +0 ml



0.0)+ M

5e determina el p?! de la solución p?! @ : log V 0.0)+ W @ .C

puesto 'ue$ p! > p?! @  p! @  F .C @ ).+C

b- &a curva de titulación se muestra en la figura .

).0 0.0 <.0 =.0 ! pC.0 .0 ).0

COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA 0 0 C0 <0 )0 Mililitros de Da?! a7adidos

<<


'$3%r 5.5 C%r !e T$*%70$# P! vs volumen de solución titulante VDa?!W

Ee6:7o 5.1=.< "alcule el p! de una solución 'ue se obtiene me*clando 00 ml de D! + 0.M con )00 ml de !"l 0. M 5olución$ 5e determina en principio, los moles de las especies reaccionantes y se escribe la ecuación correspondiente a la reacción base d1bil con ácido fuerte y se reali*a el balance de moles  en este problema consideraremos molilmoles00 ml sol  )00 ml sol 

0. milimol D!+



 ml sol 0. milimol !"l  ml sol

0 milimol D!+



+0 milimol !"l

D!+ > !"l  D!> > "l: 8nicio 0 mmol +0 mmol 0 "ambio F+0 mmol :+0 mmol > +0 mmol inal )0 mmol 0 +0 mmol

&as nuevas concentraciones son$ VD! + W  

)0 mmol

VD!  W 

0.0)


=00 ml +0 mmol =00 ml



0.0)< M

inalmente se escribe la ecuación de disociación del amoniaco y la expresión de la constante de e'uilibrio para determinar la concentración del ión hidróxido. D!> > ?!

D!+ > !)? Ob



D! .





?!



 D!  +

&a 6nica incógnita es la concentración de ?!:.

V?! W  

Ob  VD!+ W VD!  W 


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO 

V?! W 

.<  0







0.0)
0.0)<



.)0  0



<2 

%l p?! de la solución es$ p?! @ : log V.)0 0:W @ .2)

y el p! será$ p! @  F p?! @  F .2) @ 2.0<

5.11 ;IDRÓLISIS DE SALES

!

idrólisis significa la reacción 'uímica de cual'uier especie con el agua. 5e ha encontrado 'ue cuando ciertas sales se hacen reaccionar con el agua, la disolución puede se ácida o básica. Neneralmente se aplica a la reacción entre el agua y las bases conjugadas iones negativos- de los ácidos d1biles o en cambio los ácidos conjugados iones positivos- de las bases d1biles. &a base conjugada de un ácido es el ión negativo 'ue se produce por transferencia de un protón del ácido !;- al agua. !; > !)?

;: > !+?>

Por ejemplo$ "!+"??: > !+?>

"!+"??! > !)?

%l ión acetato es la base conjugada del ácido ac1tico. %n la reacción de hidrólisis, el anión la base conjugada- reacciona con el agua, se transfiere un protón del agua a la base para producir iones hidróxido ?! :-, de manera 'ue la solución se hace básica. ;: > !)?

!; > ?!:

%n el caso del ión acetato se tiene$ "!+"??: > !)?

"!+"??! > ?!:

a constante de hidrólisis para estas sales es una constante de ionización básica.

V"! +"??!W  V?! W Ob  V"! +"?? W 



%s evidente 'ue las constantes de hidrólisis no hay en tablas de manera 'ue 1sta se eval6a del modo siguiente$ "!+"??: > !)?

"!+"??! > ?!:

V"! +"?? W  V! W Oa  )V"! +"??!W 



Multiplicando las constantes de las ecuaciones - y )- se tiene$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


20

V"! +"??!WV?! WV"! +"?? WV! W Ob  Oa  V"! +"?? WV"! +"??!W 







5implificando$ .=-

ObOa @ V!>WV?!:W

Puesto 'ue el producto iónico del agua es$ OG @ V!>WV?!:W

%l producto de las constantes ácido F base es$ .<-

Ob  Oa @ OG

&a constante de hidrólisis puede determinarse a partir de la ecuación .<-

Ee6:7o 5.1?.< "alcular el p! y el grado de hidrólisis 'ue ocurre en una solución de acetato de sodio 0.00 M# Oa @ .< 0: 5olución$ C;(COON

V"!+"??DaW @ 0.00 M

;l entrar en contacto el acetato de sodio con el agua, 1ste se hidroli*a y el ión acetato reacciona con el agua. "!+"??: > !)?

;2O

"!+"??! > ?!:

%l balance general de concentraciones es$ VcW 8nicial "ambio final

"!+"??: > !)? "o : "o "o : -

"!+"??! > ?!: > "o "o

> "o "o

&a constante de hidrólisis puede determinarse a partir de la expresión .
OG Oa

Ob 

  0   .<  0  





.  0

0





.  0



0

"o ) Z ) "o  Z-

simplificando$ .  0 0



"o  Z )   Z-

Puesto 'ue el valor de la constante de hidrólisis es pe'ue7a se puede despreciar  en el denominador, por consiguiente se tiene 'ue el grado de hidrólisis es$ Z



.  0 0 0.00



=.  0 





2 %l p! de la solución se puede determinar considerando las concentraciones resultantes del balance reali*ado, vale decir$ V?!:W @ "o @ 0.  =.0: @ =. 0:C p?! @ : logV=. 0:CW @.+

%l p! de la solución es$ p! @  F p?! p! @  F .+ @ <.<=

YLu1 sucede si el ión D! >, 'ue es el ácido conjugado del amoniaco, se introduce en el agua4. Duevamente ocurre una reacción de hidrólisis, esta ve* el agua reacciona con el ión amonio el cual tiene un carácter ácido# la solución se hace ácida por la presencia del ión hidronio. D!> > !)?

D!+ > !+?>

&a constante de hidrólisis puede ser evaluada de la siguiente manera$ VD!+ W  V!+? W Oa  VD!  W 

-



D!> > ?!:

D!+ > !)?

VD!  W  V?! W Ob  VD!+ W 



)-

Multiplicando las constantes de las ecuaciones - y )- se tiene$

VD!+ WV!+? WVD! WV?! W Ob  Oa  VD! WVD!+ W 







5implificando$ Ob  Oa @ V!+?>WV?!:W

Puesto 'ue el producto iónico del agua es$ OG @ V!>WV?!:W

%l producto de las constantes ácido F base es$ Ob  Oa @ OG

Ee6:7o 5.1@.< "alcular el p! y el porcentaje de hidrólisis 'ue ocurre en una solución D! "l 0.00) M, la constante de ioni*ación básica para el amoniaco es .<0: 5olución

N;C7

VD!"lW @ 0.00) M

COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA ;2O

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO 2) ;l entrar en contacto el cloruro de amonio con el agua, 1ste se hidroli*a y el ión amonio reacciona con el agua. D!> > !)?

D!+ > !+?>

%l balance general de concentraciones es$ VcW 8nicial "ambio final

D!> > !)? "o : "o "o : -

D!+

!+?>

>

> "o "o

> "o "o

&a constante de hidrólisis puede determinarse a partir de la expresión .
Oa

OG Oa



  0   .<  0  





.  0

0





.  0

0



"o ) Z ) "o  Z-

simplificando$ .  0 0



"o  Z )   Z-

Puesto 'ue el valor de la constante de hidrólisis es pe'ue7a se puede despreciar  en el denominador, por consiguiente se tiene 'ue el grado de hidrólisis es$ Z



.  0 0 0.00



=.  0  

%l p! de la solución se puede determinar considerando las concentraciones resultantes del balance reali*ado, vale decir$ V!+?>W @ "o @ 0.00)  =.0: @ .2 0:= p! @ : logV.2 0:=W @C.<+

5.12 PRODUCTO DE SOLUBILIDAD

!

emos considerado hasta la anterior sección compuestos 'ue son bastante solubles en agua. Muchos compuestos son poco solubles en agua a los cuales se los conoce con el nombre de Jcompuestos insolubles K# sin embargo la mayoría de los compuestos se disuelven hasta cierto grado en agua. ; continuación se consideran los 'ue son levemente solubles. "omo regla general los compuestos 'ue se disuelven en el agua hasta 0.0)0 moles\litro o más se clasifican como solubles. Por lo general, la expresión del producto de solubilidad de un compuesto, es el producto de las concentraciones de los iones 'ue lo constituyen, elevadas cada una a la potencia 'ue corresponde al n6mero de iones en un unidad de la fórmula del compuesto. &a cantidad es COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


2+ constante a temperatura constante para una solución saturada del compuestos, esto constituye el producto de solubilidad. Para 'ue haya un e'uilibrio entre una sustancia sólida y su solución, 1sta debe estar saturada y en contacto con el sólido no disuelto. Por ejemplo, considere una solución saturada de Aa5?  'ue está en contacto con Aa5? sólido. &a ecuación 'uímica para el e'uilibrio se puede escribir$ Aa5?s-

Aa>) > 5?:)

&a expresión de la constante de e'uilibrio para la disolución del Aa5? puede escribirse$ O @ VAa>)W V5?:)W

Ee6:7o 5.1.< %l análisis de una prueba analítica, en una solución en e'uilibrio, dio como resultado un precipitado de cloruro de plata y 'ue contiene . 0: moles de ;g> por litro y .) 0:C moles de "l: por litro. !allar el producto de solubilidad del ;g"l. 5olución$ %l producto de solubilidad es el producto de las concentraciones de los iones 'ue están en e'uilibrio con un precipitado de una sustancia escasamente soluble. Por consiguiente$ ;g"l @ ;g> > "l: Ops @ V;g>W V"l:W Ops @ V. 0:W V.) 0:CW @ .< 0:0 M)

Ee6:7o 5.2.< 5e ha calculado por medio de análisis, 'ue una disolución en e'uilibrio con un precipitdo de ;g+P? contiene .C 0: moles por litro de P? :+ y .< 0: moles de ;g> por litro. "alcular el producto de solubilidad del ;g+P?. 5olución$ ;l plantear la ecuación de ioni*ación$ ;g+P? @ + ;g> > P?:+ Ops @ V;g>W+ V P?:+W @ V.< 0:W+ V .C 0:W @ .== 0:< M

Ee6:7o 5.21.< Ieterminar a ) ]"$ a- la concentración del ión ;g> en una solución acuosa saturado de bromuro de plata, para el cual Ops @ .+ 0:+, b- &a concentración del ión ;g>, cuando suficiente DaAr se ha agregado a la solución anterior, para hacer VAr :W @ 0.M. 5olución$ a- la ecuación de ioni*ación es$ ;gAr @ ;g> > Ar : Ops @ V;g>W V"l:W Ops @ V;g>W VAr :W @ x)

Ionde

V;g>W @ VAr :W @ x


2

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO ! )



+

.+  0 

x @ =.)<0:=

b- &a concentración de ;g> cuando VAr :W @ 0. Ops @ V;g>W V"l:W .+ 0:+ @ V;g>W V0.W

la concentración del ión plata es

V;g>W @ .+  0:)

PROBLEMAS RESUELTOS

5.1 Iefina ácido y base en t1rminos de a- la teoría de ;rrhenius, b- la teoría de Aronsted F &oGry y c- la teoría de &eGis 5olución a- (eoría de ;rrhenius 3cido$ compuesto de hidrógeno 'ue forma iones ! >, en soluciones acuosas. Aase$ "ompuesto 'ue contiene hidróxido y forma iones hidróxido ?! : en solución acuosa. b- (eoría de Aronsted F &oGry 3cido$ Bna mol1cula o ión 'ue dona un protón. Aase$ Bna mol1cula o ión 'ue acepta un protón. c- (eoría de &eGis 3cido$ %s un compuesto 'ue puede aceptar un par de electrones en la formación de un enlace covalente. Aase$ %s un compuesto 'ue puede ceder un par de electrones en la solución de un enlace covalente.



2 5.2 Iemuestre cómo la reacción de Da?! y !"l en una solución acuosa es una reacción ácido base por a- la teoría de ;rrhenius, b- la teoría de Aronsted F &oGry. 5olución$ a- (eoría de ;rrhenius Da> > ?!: !> > "l:

Da?! tiene !"l tiene !>

>

?!:



!)?

b- (eoría de Aronsted F &oGry !"l > !)?

!+?> > "l:



Da?!  Da> > ) ?!: !"l > Da?!  Da"l > !)?

5.( Y"uál es el efecto del ión com6n4 %mplee una ecuación 'uímica de un caso concreto para explicarlo. 5olución$ "uando se tiene una solución en e'uilibrio y se le agrega una sal 'ue contenga un ión en com6n con el de la solución, la reacción tenderá hacia el lado donde desapare*ca el ión com6n agregado. Por ejemplo, si yo tengo una solución de D! + 0. M, se tendrá la siguiente ecuación en e'uilibrio$ D!+ > !)?

D!> > ?!:



5i la reacción está en e'uilibrio se le agrega, D! "l el ión com6n es D!>, la reacción entonces tenderá de derecha a i*'uierda, disminuyendo la concentración de ?! : en todo el sistema.

5. &a constante de ioni*ación del amoniaco en agua es .<0 0:. "alc6lese$ a- %l grado de ioni*ación y b- la concentración de ?! : de una solución 0.0< M de D!+ 5olución$ a- %scribimos la ecuación de ioni*ación del amoniaco. D!+ > !)?

D!> > ?!:



&a constante de ioni*ación básica es$

VD! W  V?! W Ob  VD!+ W 



Puesto 'ue$ VD!W @ V?!:W 

[b 

V?! W

V?!  W  

V%$ W



.<0  0

)

VD!+ W [b  VD! + W 





V0.0


+



.)  0


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO 2C b- %l grado de disociación se puede determinar$

V%$ W 

 

#o

00Q 



.)  0 0.0<

+





. Q

5.5 5i en .0 litro de solución hay +.0 0:) moles de ácido d1bil disueltas y el p! es ).0, Ycuál es le valor de la constante de disociación Oa del ácido d1bil4 5olución$ Por datos del problema la concentración molar del ácido d1bil 'ue denotaremos por V!;W @ "a @ 0.0+ y considerado el siguiente balance$ "oncentración !; > !)? 8nicial "a "ambio :x %'uilibrio "a : x

;: > !+? :.: :.: >x >x x x



Puesto 'ue el p! es ).0# la concentración de los iones hidronio será V!+?>W @ antilog : ).0- @ 0.0 x @ 0.0

&a expresión de la constante de e'uilibrio y su correspondiente valor es$ /a

0.0- )



0.0+  0.0



  0



+

5.=YLu1 es una solución amortiguadora4 %xpli'ue cómo funciona una solución amortiguadora empleando un ejemplo concreto. 5olución$ &a solución amortiguadora es una solución 'ue contiene una base d1bil y su sal ó un ácido d1bil y su sal# se le llama así por'ue resisten cambiar el p! de la solución. Por ejemplo, consideremos una solución de ácido ac1tico 0.)00 M y 0.)00 M de acetato de sodio. %l p! de la solución amortiguadora se determina$ "oncentración "!+"??!  "!+"??: > !> 8nicial 0.)0 0.)0 0 "ambio :0.)0  >0.)0  > 0.)0  %'uilibrio 0.)0: 0.)0>0.)0 

&a constante de e'uilibrio es$ V"! +"?? W  V! W Oa  V"! +"??!W 

 0.)0Z  0.)0  Z  5implificando y despreciando  en el denominador$ .<  0





0.)0    Z 



.<  0 





  Z   0.)0Z

)

0.)  > 0.)0  : .< 0: @ 0



2=

/esolviendo la ecuación de segundo grado$  @ 2 0:

%l p! de la solución se determina a partir de la concentración de !>$ V!>W @ 0.)0  V!>W @ 0.)0  2 0: @ .< 0: p! @ : logV.< 0:W @ .=

;hora bien, agreguemos ahora 0 ml de Da?! 0.)0 M a 0 ml de la solución amortiguadora. &a reacción 'ue ocurre es$ "!+"??! > Da?!



"!+"??Da > !)?

5e efect6a un balance de moles, entre la sustancia hidróxido de sodio 'ue reaccionará con el ácido ac1tico. n Da?! n "! + "??!





0ml 

0 ml 

0.) milimol

 ml 0.) milimol  ml





) milimol Da?!

0 milimol "!+"??!

%l volumen total de la nueva solución es de C0 ml. mmoles "!+"??! >Da?! 8niciales 0 ) "ambio :) :) %'uilibrio < 0 V"! +"??!W 



"!+"??Da > !)? 0 0 >) >) ) )

< mmol

V"! +"??DaW 



C0 ml ) mmol C0 ml

0.++ M 

0.)0 M

;hora escribamos la reacción ácido F base del ácido y su sal$ "!+"??!



"!+"??: > !>

&a constante de e'uilibrio será$ V"! +"?? W  V! W Oa  V"! +"??!W Puesto 'ue la 6nica incógnita es V! >W, 



Oa  V"! +"??!W .<  0   0.++    . 2=  0 0.) V"! +"?? W 

V! W  







p! @ : log V .2=  0:W @ .2)


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO 2< %s evidente 'ue el p! de la solución se incrementa en .2) F .= @ 0.<, una variación relativamente pe'ue7a. "omo era de esperarse, una solución amortiguadora como su nombre lo indica amortigua a soluciones básicas fuertes.

5.? "alcule el p! a- antes y b- despu1s de agregar 0.0 mol de !"l a  litro de solución amortiguadora 0.0 M en D! + y 0.)00 M en D!"l. Iesprecie el cambio en volumen debido a la adición del !"l5olución$ a- p! antes de agregar !"l "oncentración D!+ > !)? %'uilibrio 0.0

D!> > ?!: 0.)00 :.:



Planteado la expresión de la constante de ioni*ación, despejando la concentración de iones hidróxido y reempla*ando datos$ VD! W  V?! W Ob  VD!+ W 



V?! W 

.< 0 





0.0

0.)00



.00  0  C

p?! @ : log  .00 0:C- @ .+< p! @  F .+< @ <.C0

b- p! despu1s de agregar !"l$ D!+ > !"l 0.0 0.0 : 0.00 : 0.0 0.00 0

D!> > "l: 0.) > 0.00 0.)



"oncentración D!+ > !)? %'uilibrio 0.00



D!> > ?!: 0.) :.:

VD! W  V?! W Ob  VD!+ W 



V?! W 

.<  0 



0.)

0.00





+.+=  0 

=

p?! @ : log +.+= 0:=- @ C.= p! @  F C.= @ =.+

5.@ a- Ieterminar la concentración molar de una solución amoniacal cuyo p! es , b- 5i a la solución amoniacal se a7ade + 0:) moles de ácido clorhídrico, Ycuál es el p! de la solución resultante4 &a constante de ioni*ación ácido : base del D!+ es .< 0:. "oncentración D!+ > !)? inicial "o "ambio :"o %'uilibrio "o: -



D!> > ?!: 0 0 > "o > "o "o "o


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO )

Oa



"o Z

)

"o  Z-



22

"oZ )

.< 0: @ "o)

-

p! @  

p?! @ +

?! @ 0:+ @ "o

)-

/esolviendo el sistema de ecuaciones encontramos 'ue$ "o @ 0,0C M

"uando adicionamos ácido clorhídrico, planteamos la siguiente ecuación$ "oncentración D!+ > !"l inicial 0.0C + 0:) "ambio :+ 0:) :+ 0:) %'uilibrio 0.0)C 0

D!"l 0 > + 0::) + 0:)



Planteando la ecuación$ D!+ > !)? Ob 

D!> > ?!:



D! .





%$



 D!  +

despejando la concentración de ?! !0  ! 0.0)C

 %$   .<

+ !0



)



.C !0  

p?! @ .< p! @ 2.2

5. a- "uál es la concentración de D!> en una solución 'ue contiene 0.0)0 M de D! + y 0.00 M de O?!4, b- Ycuál es el p! de la solución resultante4 5olución$ a- 5e determina la concentración del hidróxido de potasio, puesto 'ue es una base fuerte, 1sta se disocia totalmente$ O?!  O > > ?!:

%n este caso la concentración del hidróxido es igual a la concentración del ?!:. VO?!W @ V?!:W @ 0.0

&uego se escribe la ecuación correspondiente a la disociación del amoniaco y se efect6a el balance de concentraciones$ "oncentración D!+ > !)?  D!> > ?!: 8nicial 0.0) 0 0.0 "ambio :0.0) >0.0) > 0.0) inal 0.0):0.0) 00>0.0)-


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO )00 &a constante de ioni*ación básica es$ VD! W  V?! W Ob  VD!+ W 

Ob





0.0)Z  0.0  0.0) Z0.0)  Z-

Puesto 'ue la constante Ob @ .< 0: se puede despreciar  en el denominador, simplificando se tiene$ .<  0 



Z

,0.0  0.0)Z.



0.0)) > 0.0 : .< 0: @ 0

/esolviendo la ecuación de segundo grado$ Z





0.0 

0.0)



  0.0)  .<  0 

0.0 Z





.=2  0  +

Iel balance de concentraciones, la concentración final del D!> es$ D!> @ 0.0)   VD!>W @ 0.0) .=2 0:+ @ +.<< 0: M

b- &a concentración de iones hidróxido resultante puede determinarse tambi1n a partir del balance de concentraciones$ V?!:W @ 0.0 > 0.0)  V?!:W @ 0.0 > 0.0)  +.<< 0: V?!:W @ 0.0 p?! @ :log V 0.0 W @ ) p! @  F p?! @  F ) @ )

5.1 %l p! de 00 ml de una solución de amoniaco es .00. Ietermine el p! de la solución resultante cuando se adiciona 0 ml de solución de !"l 0.00 molar, la constante de ioni*ación del D!+ es .< 0: 5olución.: %n principio determinaremos la concentración de la solución de amoniaco, luego plantearemos la reacción ácido F base, para luego nuevamente calcular el p! de la solución. D!+ > !)?  D!> > ?!:

D!  ?!  D! +  

Ob 



&a concentración de ?!:, es igual a la concentración del D!># por tanto$ p?! @  :  @ +# V?!:W @ 0:+ molar.

 D! +  

?!  )  

Ob



0 +  .<  0  

)







0.0C M

VD!>W @ 0:+ M

&a reacción ácido base es$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO !"l > D!+  D!> > "l:

)0

&os molimoles 'ue reaccionan son$ D!+ @ 00 ml  0.C @ .C milimoles D!> @ 00  0.00 @ 0. milimoles !"l @ 0  0.0 @ ).0 milimoles D!> > 0. > ).0 ).C0

!"l > D!+  ).0 .C : ).0 : ).0 0.00 +.0C

"l:

&as nuevas concentraciones son$  D! +  



D! 





+.0C



0 ).C



0.0)0M



0.0=+M

0

D!+ > !)?  D!> > ?!:

 D!   ?!  D! +  

Ob 

?!   Ob   D!+  D! 











.<  0   0.0)0  0.0=+ 



).)  0





p?! @ .C= p! @ 2.++

5.11 %n laboratorio se prepara una solución amortiguadora de p! C.=0, empleando soluciones de ácido ac1tico y acetato de sodio. 5i se pesan . g de acetato de sodio, Ycuántos gramos de ácido ac1tico debe emplearse para preparar 00 ml de solución amortiguadora4 Da @ )+# ! @ # " @ )# ? @ C- Oa @ .<  0: 5olución.: 5e plantea la reacción "!+"??! > !)?  "!+"??: > !+?>, a partir de esta ecuación, la expresión de la constante de e'uilibrio ácido F base$

"!+"??  ! +?  "!+"??! 

Oa 



&a concentración del ión hidronio es$ V!+?>W @ antilog  : C.= - @ ) 0:= M

&a concentración del acetato$ .gDa"!+"?? molDa"!+"??   0.M 0. <)gDa"!+"?? &a concentración del ácido ac1tico será$  "! +"??   !+?  0.  )  0 = +  "!+"??!    .  0 M  Oa .<  0

 Da"! +"??  












ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO )0) &os gramos de ácido ac1tico en 00 ml será$

.  0



+

mol "! +"??! 



C0 g "! +"??!  0.   0.0++ g "! + "??!  mol "! +"??!

5.12 Y"uál es el p! de una solución tampón preparada me*clando 0 g de Da! )P? y =.+ g de Da)!P?, en + litros de agua4 5olución$ &as concentraciones de los solutos son respectivamente

 Da! ) P?     Da ) !P?   

0 g Da! ) P?   mol Da! ) P?    0. M + solución )0 g =.+ g Da ) !P?   mol Da ) !P?    0. M +solución ) g

&a ecuación iónica correspondiente a esta solución tampón es$ !)P?: > !)?

!P?@ > !+?> O ) @ C.) 0:<



&a expresión de la constante de ioni*ación ácida, considerando$ V! )P?: W @ "a y V!P?@ W @ "b  "b  ! +? Oa   "a  Puesto 'ue "a @ "b# la concentración de iones hidronio será$ 

V!+?>W @ Oa @ C.) 0:< p! @ : log C.) 0:<- @ =.)0

5.1( Y"ómo se debe cambiar la concentración de los iones hidrógeno en una solución para 'ue el p! de la misma incremente en una unidad4 5olución$ "onsiderando la ecuación de disociación ácida$ !; > !)?



;: > !+?>

5i el p! @ )  V!>W @ 0.0 5i el p!) @ +  V!>W) @ 0.00

! !





)





0.00  0. 0.0

V!>W) @ 0.V!>W

5e debe disminuir la concentración de los iones hidrógeno 0 veces.

5.1 "alcular el n6mero de moles de Da+P? 'ue deberán a7adirse a  litro de disolución 0.) M de Da)!P?, para obtener una disolución tampón cuyo p! sea .= 5olución$ 5e considera la siguiente ecuación de disociación$ COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO !P?@ > !)?

P?@ + > !+?>



)0+

O + @ .< 0 :+

&a expresión de la constante de ioni*ación ácida, considerando$ VDa )!P?: W @ "a y V!P?@W @ "b.  "b  ! +? Oa   "a  &a concentración de iones hidronio es$ V! >W @ antilog : .=- @ ) 0 :) 

"b 

Oa  "a ! +?  

.<  0 )  0.) )  0 ) 





"b





0.<

n X

n @ "b X @ 0.<   

5.15 %n una disolución preparada, disolviendo Da"! +"?? y "!+"??! en agua pura, la suma de las formalidades de los dos solutos es 0.2. %l p! de la solución es C.0. a- "alcular la formalidad de cada uno de los solutos, b- "alcular la molaridad de cada una de las especies disueltas. 5olución$ "!+"??! > !)?



"!+"??: > !+?> O i @ .< 0:

a- &a expresión de la constante de ioni*ación ácida, considerando$ V"!+"??! W @ "a @  y V"!+"??:W @ "b @ ) y V!>W @ antilog : C- @  0 :C .<  0  

"b "a





"b "a



.< 0   0 C

! +?  

<

"b @ <"a "a > <"a @ 0.2 "a @ 0.0 "b @ 0.2

&a formalidad es igual a la concentración molar, por consiguiente$  @ 0.0 y ) @ 0.2 b- las concentraciones molares son$ "a @ 0.0 M V"!+"??! W "b @ 0.20 M V"!+"??:W V!>W @ antilog : C- @  0 FC M

5.1= YLu1 volumen de dos soluciones de Da?!   y "!+"??! .00 , deben me*clarse para obtener un litro de disolución 'ue tenga un p! @ .004 5olución$ 5e reali*ará un balance de moles en la reacción ácido:base donde el n6mero de moles es$ nDa?! @  X y n "!+"??! @  X) COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


)0

Moles "!+"??! > ?!: 8niciales X X) "ambio : X) : X) X F X) 0

"!+"??: > !)? :.: > X)



X)

&as concentraciones son$ X  X) 

V"!+"??! W @



X  X)

V"!+"??:W @ X)  "!+"??: > !+?> O i @ .< 0:

"!+"??! > !)?

a- &a expresión de la constante de ioni*ación ácida, considerando$ V"!+"??! W @ "a y V"!+"??:W @ "b y V!>W @ antilog : - @  0 : .<  0 

.<  0







"b



"a

> )



>   > )

! +? 





  0





-

Puesto 'ue$ X  > X) @ 

Iespejando X de )- y reempla*ando en X)   )X ) /eempla*ando y efectuando cálculos$

)-



0.<

X) @ +) ml X @
5.1? Bna me*cla de Da!"?? y !"??! pesa 0 g. &a me*cla se disuelve en el agua suficiente para formar + litros de solución. 5i el p! resultante es .0. !allar la composición centesimal en masa de la me*cla. !"??! > !)?

!"??: > !+?> O i @ .= 0:



a- &a expresión de la constante de ioni*ación ácida, considerando$ V!"??! W @ "a y V!"??W @ "b y V!>W @ antilog : C.- @ +.C 0 := .=  0 

"b 



"b



.=  0

"a







"a .0  0  x g !"??!  mol 

+ y g !"?? : + 0,00=) x +





! +? 



C

 mol 



0.00= y +



.= "a

0.00=) x M

0.00= y M



C.< +



).)=

"a > "b @ ).)= "a > .+<"a @ ).)=



)0

"a @ 0.+C molar "b @ .2 molar

&as masas respectivas son$ 0.00=) x @ 0.+C x @ 2. g !"??! @ +

0.+C mol C g   mol



2.) g

5.1@ Y"uántos mililitros de Da?! 0.)0 M se deben agregar a 00 ml de D! "l 0.)0 M para obtener una solución amortiguadora de p! @ 2.004 5olución$ 5e reali*ará un balance de moles en la reacción ácido:base donde el n6mero de moles es$ nDa?! @ x y n "!+"??! @ )0 Moles Da?! > D!: 8niciales x )0 "ambio :x :x

0

D!+ > !)? :.: >x



)0 F x

x

&as concentraciones son$ VD!+W @ VD!:W @

x 00  X )0  x 00  X

5e plantea la ecuación de disociación$ D!+ > !)?



D!> > ?!:

D!  ?!  Ob @  D!+  si el p! es 2# entonces el p?! @ # y la concentración de ?! @ 0: 



/eempla*ando datos$ .<  0





5implificando y efectuando cálculos$



)0  x    0 00  X x 00  X





x @ =. D @ "bX,

X



n "b



=. 0.)



+.= ml Da?!

PROBLEMAS PROPUESTOS


ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO )0C 5.1. "ompare la solución de !"l con agua, con una solución de Da?! en agua. Y%n 'ue aspectos difieren4, Yen cuales son similares4.

5.2 8ndi'ue cual es el ácido conjugado de cada una de las siguientes especies de ArEnsted$ a D!+, b- !"?+:, c- "?+@, d- ?!:, e- !)P?:. 5.( 8ndi'ue el ácido, la base, el ácido conjugado y la base conjugada en cada una de las siguientes ecuaciones$ a!)5?+ > !)?  !5?+: > !+?> b!)")? > !)?  !")?: > !+?> c!")?: > "?+@  ")?@ > !"?+: dP!> > !)? P!+ > !+?>  eD!> > "D:  D!+ > !"D 5. &a sangre generalmente tiene un p! @ =.# cual es su concentración de iones ! > e iones ?!:4 5.5 "alcular el p! y el p?! de soluciones de !"l en las siguientes concentraciones$ a- 0.) M, b- 0.00+ M, c- 0.0) M, d- )x0:= M, e- .=x0:< M. 5.= "uál es el p! de una disolución de Da?! 0. M4 5.? "alcular la concentración de !> y ?!:, el p! y tambi1n el grado de ioni*ación de las siguientes soluciones$ a- ácido ac1tico 0. M, b- hidróxido de sodio 0.) M, c- amoniaco 0.0)0 M, d- ácido fluorhídrico 0.=0 M, e- ácido nítrico 0.0 M, f- ácido sulf6rico 0.) M, gácido fosfórico 0. M, h- ácido fórmico 0.)0 M, i- ácido bórico 0.)0 M, j- ácido perclórico 0.0) M 5.@ Y; 'ue es igual la concentración de los iones hidroxilo en una disolución cuyo p! es igual a 0.<04 /pta. C.+ 0: M 5. Bna solución .0 M de una base d1bil metilamina "! + D!), tiene un p! de ).+). "alcular la constante de disociación básica Ob. 5.1 Ieterminar el p! de  litro de disolución de la cual contiene 0. g de Da?!. "onsiderar 'ie la disociación del alcalí es completa. /pta. . 5.11 %ncuentre el p! de un litro de solución en el cual se ha disuelto 0.0< moles de "!+"??! y 0. moles de Da"!+"??. Oa @ .= 0:. 5.12 Y"uántas veces la concentración de los iones hidrógeno en la sangre p! @ =.+C- es mayor 'ue en el lí'uido cerebroespinal p! @ =.+-4 /pta. . veces 5.1( Ieterminar el p! de una solución 'ue contiene 0.0 M de !"??! y 0.0)0 M de !"l, Oa @ .< 0:. COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


)0=

5.1 Y; 'u1 es igual la concentración de una disolución de ácido ac1tico cuyo p! es igual a .)4 /pta. ).) 0::C M 5.15 "alcule el p! 'ue ofrece una me*cla formada por ) ml de Da?! 0. M y ) ml de ácido ac1tico 0. molar. 5.1= %l grado de disociación de un ácido monobásico d1bil en la disolución 0.) D es igua ; 0.0+. "alcular &os valores de V!>W, V?!:W y p?! para esta disolución. /pta. C.0 0:+M# .= 0::) M y .=< 5.1? Bn recipiente contiene  litros de amoniaco 0. M y se agrega 00 ml de soda ca6stica 0.00 molar. "uál es el p! y el p?! del sistema4 5.1@ Y"ómo cambiará el p! si se diluye al doble con agua$ a- una disolución 0.) M de !"l# bBna disolución 0.) M de "! +"??!4 /pta. aumentará en 0.+# aumentará en 0. 5.1 5e agrega  gramo de hidróxido de bario sólido a un recipiente 'ue contiene +00 ml de ácido clorhídrico 0.) M. Y"uál es el p! de la solución resultante4 5.2 Y"ómo cambiará el p! del agua si a 0 litros de esta sustancia se a7aden 0.0 mol de Da?!4 /pta. ;umentará en  5.21 &as constantes de ioni*ación del ácido ac1tico, del ácido fórmico y del amoniaco son$ .==0:, .=< 0: y .=0:. !allar el grado de hidrólisis y el p! de una solución de aacetato amónico  M y b- formiato amónico 0. M. 5.22 "alcular el p! de una disolución 'ue se obtiene al diluir 00 cc de una me*cla formada por 0 cc de ácido ac1tico 0. M y $ a- )0 cc de soda cáustica 0. molar# b- +0 cc de soda cáustica 0. M. &a constante de ioni*ación del amoniaco es .=0:. /pta. 0.)0# <.2 5.2( "alcule la normalidad de una solución de O?!, si .+ ml llegan aun punto final con fenoftaleina con C.CC ml de !"l 0.00+ D. 5.2 Y"uántas veces disminuirá la concentración de los iones hidrógeno si se a7aden a  litro de disolución 0.00 M de ácido ac1tico 0.0 moles de acetato de sodio4 /pta. C= veces 5.25 Bna solución contiene 0.0 mol\l de un ácido monoprótico completamente ioni*ado. Ietermine V!+?>W# V?!:W y el p! 5.2= YLu1 cantidad de agua se debe a7adir a +00 ml de una disolución 0.) M de ácido ac1tico para 'ue el grado de disociación del ácido se dupli'ue4 /pta. 200 ml COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

ACIDOS, BASES Y EQUILIBRIO IÓNICO )0< 5.2? %l p! de ácido monoprótico d1bil e solución 0.00 M es .=+. "alcule la constante de ioni*ación.

5.2@ "alcular el p! de una disolución 'ue es 0.)  en Da y 0.00)  en !"l, la constante Oa para el ! @ .C 0:. /pta. = 0:C M 5.2 "alcule el p! de las siguientes soluciones a ) R"$ a- Da"l 0.00 M, b- Da"D 0.) M y c- D!"l 0.00 M 5.( "alcular el p! de una disolución 0.0 D de ácido ac1tico en 'ue el grado de disociación del ácido es igual a 0.0). /pta. +.+< 5.(1 ; 0 ml de Da?! 0.00 M se a7ade ácido ac1tico 0.00 M. "alcular el p! despu1s de la adición de ) ml del ácido. 5.(2 YLu1 concentraciones de Da" )!+?) y de !")!+?) deben ser usadas para preparar una disolución con un p! de C.04 /pta  de Da")!+?) @ <  de !" )!+?) 5.(( 5e titulan 0 ml de !"l 0.00 M con O?! 0.00 M. "alcular el p! cuando se ha agregado los siguientes vol6menes de la base a- 2.0 ml# b- .0 ml 5.( Y"uál es el p! de una disolución tampón preparada men*clando 0 g de Da! )P? y Da!P? en + litros de agua4 Bsese la O ) del ácido fosfórico-. /pta. =.) 5.(5 Bna muestra de )0 ml de solución 0.)00 M de !Ar se titula con una solución 0.)00 M de Da?!. "alcular el p! de la solución despu1s de haber adicionado los vol6menes siguientes de base$ a- .0 ml, b- 2.2 ml, c- )0.0 ml, d- )0. ml, e- + ml. 5.(= "alcular el n6mero de moles de Da +P?, 'ue debería a7adirse a  litro de disolución 0.) M de Da)!P?, para obtener una solución tampón cuyo p! sea .=. /pta. 0. moles 5.(? Bna muestra de +0 ml de O?! 0.)00 M se titula con solución 0. M de !"l? . "alcule el p! despu1s de a7adir los siguientes vol6menes de ácidos$ a- +2.0 ml, b- +2. ml, c- +2.2 ml, d- 0 ml, e- 0.0 ml, f-  ml. 5.(@ a- Y"uántos moles de !"l gaseoso deben a7adirse a  litro de disolución tampón 'ue es ) M en ácido ac1tico y ) M de acetato sódico para obtener una solución cuyo p! sea .04, bY"uál será el p! si esta cantidad de !"l hubiese sido disuelta en  litro de agua pura4 /pta. .+<# 0. 5.( &a base d1bil, D!+, tiene una constante de ioni*ación cuyo valor es .< 0:. Y"uál es la concentración de ?!: de una disolución preparada disolviendo 0.) moles de D! + y 0.= moles de D!"l en el agua necesaria para obtener  litro de disolución4 /pta. C.0 0:C. COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA


)02

5. Y"uántos moles de Da"D deben disolverse en un litro de !"D 0.)  para dar una disolución con una concentración de iones hidrógeno  0:C M4 /pta. < 0:. 5.1 &a concentración de iones hidrógeno de una disolución 0.0+  de "?) en !"l diluido es 0.0 M. "alcular la concentración molar de "?+@. /pta. C.=0:= M. 5.2 %n una disolución preparada disolviendo Da")!+?) y de !")!+?) en agua puira, la suma de las formalidades de los dos solutos es .0. %l p! de la solución es .0. a- "alcular la formalidad de cada uno de los solutos, b- "alcular la molaridad de cada una de las especies disueltas. /pta. 0.C y 0.+C  respectivamente. 5.( Bna me*cla de Da)"?+ y Da!"?+ pesa 2.) g. &a me*cla se disuelve en suficiente agua para formar ) litros de disolución. %l p! de esta disolución es 0.C). Y"uántos gramos de Da)"?+ había en la me*cla4 /pta. ). g 5. Bn litro de una solución amortiguadora contiene 0.)0 moles de ácido ac1tico 0.0 moles de acetato de sodio. a- "uál es el p! despu1s de a7adir 0.0 moles de !"l. b- "ual es p! despu1s de a7adir 0.0 moles de Da?!4 5.5 Bna solución de 0.)00 M de ácido ac1tico y 0.)00 M de acetato de sodio. a- Y"uál es el p!4, b- Y "ual será el nuevo valor del p! al agregar a un litro de esta solución 0.0 mol de !"l4 /pta. .=# .. 5.= a- Y"uál es el p! de una solución 0.00 M de D! + y .0 M de D! "l4. b- Y"uál será el nuevo valor del p! si se agrega 0.00 M de O?!4 /pta. <.0<# <. 5.? "alcule el p!. P?!, V!5:W y V5:)W en una solución saturada con !)5 con un p! @ .00. &a concentración de saturación de !)5 es 0.0 M. 5.@ "alcular el p! de una disolución 0. molar de un ácido d1bil monobásico, cuya constante de ioni*ación es 0:0. (ener en cuenta la ioni*ación del agua, la cual es algo menor 'ue para el disolvente puro debido a la presencia del ácido/pta. .0 5. !allar el p! de la disolución 'ue resulta de me*clar# a- 20 cm + de amoniaco 0. molar y 0 cm+ de ácido clorhídrico 0. molar# b- +0 cm + de sosa cáustica 0. molar. &a constante de ioni*ación del ácido ac1tico es .== 0:. 5.5 Bn volumen de .0 ml de Da"D 0.0  ha sido me*clado con ).0 ml de ácido clorhídrico y .0 ml de agua para dar 0.0 ml de una disolución con una concentración en iones hidrógeno 0.0 M. Y"uál es la formalidad del ácido clorhídrico4 COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

)0 /pta. 0.=0 


5.51 Y; 'ue volumen debe ser diluido  litro de una disolución de un ácido d1bil monoprótico, en agua, a fin de obtener una concentración en iones hidrógeno 'ue sea la mitad de la disolución original4. /pta.  litros 5.52 &as constantes de ioni*ación O  y O ) para el ácido tartárico, !0"!?C, son 2.C 0: y ).20:, respectivamente. "alcular$ a- el p! de una disolución 0. molar de ácido tartárico y b- las concentraciones de los iones bitartrato, !"!?C:, y tartrato, "!?C@ en dicha solución. /pta. ).0+# 2.+ 0:C y ).<2 0: respectivamente. 5.5( &a constante de ioni*ación del ácido ben*oico, "C!"??!. %s C.+ 0:. Ieterminar el grado de hidrólisis del ben*oato de sodio en una disolución 'ue contiene  g por litro y calcular el p! de la disolución. /pta.  @ C.)+ 0:, p! @ <. 5.5 !allar el p! de la disolución 'ue resulta al me*clar# a- 20 ml de amoniaco 0. molar y 0 ml de ácido clorhídrico 0. molar# b-  ml de amoniaco 0. molar y . ml de ácido clorhídrico 0. molar.  considere Ob @ .= 0:5.55 %n un litro de agua pura a ) R" se disuelven 0.0 g de sulfato de plomo. "alcular el producto de solubilidad del sulfato de plomo a esta temperatura. /pta. ).)  0:<.

5.5= ; ) R", C00 cc de agua pura disuelven 0.00 g de fluoruro cálcico. !allar a esta temperatura el producto de solubilidad del fluoruro cálcico. /pta. +.2 0:. 5.5? ; temperatura ambiente, una disolución saturada de cloruro de plomo contiene 0.20 g de la sal en )00 cc. "alcular el producto de solubilidad del cloruro de plomo /pta. .= 0:. 5.5@ %l producto de solubilidad del cromato de plata. ;g )"r?, a ) R" es .) 0:). !allar la solubilidad en moles por litro. /pta. C.C2 0: moles\litro 5.5 %l producto de solubilidad del perclorato potásico, !"l? , es .0= 0:). !allar el volumen de disolución 'ue contiene disuelto .00 g de O"l? . 5.= Bna disolución contiene ).0 0: moles de Ar : por litro y 0.0 moles de cl: por litro. %l Ops del ;g"l es .C 0:0 y el del abr +.) 0:+. a- Y"uál de estos iones comen*ará a precipitar primero cuando se a7aden iones ;g> a la disolución anterior4, b- "ual será su concentración cuando el otro ión empiece a precipitar4 /pta. "l:# 0.02C COMPENDIOS DE QUÍMICA GENERAL PARA ESTUDIANTES DE CIENCIAS E INGENIERÍA

CAP V

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