Principios de los ácidos-base
CaracterÍsticas de ácidos y bases. Ácidos: ? Tienen sabor agrio. ? Son corrosivos para la piel. ? Enrojecen ciertos colorantes vegetales. ? Disuelven sustancias ? Atacan a los metales desprendiendo H2. ? Pierden sus propiedades al reaccionar con bases. Bases: ? Tiene sabor amargo. ? Suaves al tacto pero corrosivos con la piel. ? Dan color azul a ciertos colorantes vegetales. ? Precipitan sustancias disueltas por ácidos. ? Disuelven grasas. ? Pierden sus propiedades al reaccionar con ácidos. DEFINICIÓN DE ARRHENIUS. Publica en 1887 su teoría de “disociación iónica”, en la que afirma que hay sustancias (electrolitos), que en disolución, se disocian en cationes y aniones. ? ÁCIDO: “Sustancia que en disolución acuosa disocia cationes H+”. AH (en disolución acuosa) ? A– + H+ Ejemplos: – HCl (en disolución acuosa) ? Cl– + H+ – H2SO4 (en disolución acuosa) ? SO42– + 2 H+ ? BASE: “Sustancia que en disolución acuosa disocia aniones OH–“. BOH (en disolución acuosa) ? B+ + OH– Ejemplo: – NaOH (en disolución acuosa) ? Na+ + OH– Neutralización Se produce al reaccionar un ácido con una base por formación de agua: H+ + OH– ? H2O El anión que se disoció del ácido y el catión que se disoció de la base quedan en disolución inalterados (sal disociada): NaOH + HCl ? H2O + NaCl (Na+ + Cl–) TEORÍA DE BRÖNSTED-LOWRY. ? ÁCIDO: “Sustancia que en disolución cede H+”. ? BASE: “Sustancia que en disolución acepta H+”. Par Ácido/base conjugado Siempre que una sustancia se comporta como ácido (cede H+) hay otra que se comporta como base (captu- ra dichos H+). Cuando un ácido pierde H+ se convierte en su “base conjugada” y cuando una base captura H+ se convierte en su “ácido conjugado”. – H+ ÁCIDO (HA) BASE CONJ. (A–) BASE (B) ÁC. CONJ. (HB+) – H+ Ejemplo de disociación de un ácido: ? HCl (g) + H2O (l) ? H3O+(ac) + Cl– (ac) En este caso el H2O actúa como base y el HCl como ácido, que al perder el H+ se transforma en Cl– (base conjugada). + H+
+ H+
ba-
ca- co- Ejemplo de disociación de una base: ? NH3 (g) + H2O (l) ? NH4+ + OH– En este caso el H2O actúa como ácido pues cede H+ a la se NH3 que se transforma en NH4+ (ácido conjugado). TEORÍA DE LEWIS (?) ? ÁCIDO: “Sustancia que contiene al menos un átomo paz de aceptar un par de electrones y formar un enlace valente coordinado”. ? BASE: “Sustancia que contiene al menos un átomo ca- co- paz de aportar un par de electrones para formar un enlace valente coordinado”. Ejemplos: ? HCl (g) + H2O (l) ? H3O+(ac) + Cl– (ac) En este caso el HCl es un ácido porque contiene un átomo (de H) que al disociarse y quedar como H+ va a aceptar un par de electrones del H2O formando un enlace covalente coordinado (H3O+). ? NH3 (g) + H2O (l) ? NH4+(ac) + OH–(ac) En este caso el NH3 es una base porque contiene un átomo (de N) capaz de aportar un par de electrones en la formación del enlace covalente coordinado (NH4+). De esta manera, sustancias que no tienen átomos de hidrógeno, como el AlCl3 pueden actuar como ácidos: AlCl3 + :NH3 ? Cl3Al:NH3 ? Cl H I I Cl? Al + : N?H I I Cl H Cl H I I Cl? Al ?N?H I I Cl H Equilibrio de ionización del agua. CONCEPTO DE pH. La experiencia demuestra que el agua tiene una pequeña conductividad eléctrica lo que indica que está parcialmente disociado en iones: 2 H2O (l) ? H3O+(ac) + OH– (ac) KC ? [H3O?]?[OH?] [H2O]2 Como [H2O] es constante por tratarse de un líquido, llamaremos: Kw = KC x[H2O]2 Kw ?[H3O?]×[OH-] conocido como “producto iónico del agua” El valor de dicho producto iónico del agua es: KW (25ºC) = 10–14 M2.En el caso del agua pura: [H3O+] = [OH–] = (10–14 M2)½ = 10–7 M. Se denomina pH: pH ? ?log[H3O?] Y para el caso de agua pura, como [H3O+]=10–7 M, pH = –log 10–7 = 7 Tipos de disoluciones ? Ácidas: [H3O+] > 10–7 ? Básicas: [H3O+] < 10–7 ? Neutras: [H3O+] = 10–7 En todos los casos: Kw = [H3O+] x [OH–] Luego si [H3O+] aumenta (disociación de un ácido), entonces [OH–] debe disminuir y así el producto de am- bas concentraciones continúa valiendo 10–14 M2. Peachímetro
? ? 0,04 Como Kw = [H3O+]x[OH–] = 10–14 M2, entonces: pOH = – log [OH–] = – log 0,04 M = 1,4 Comprobamos como pH + pOH = 12,6 + 1,4 = 14 Ejercicio A (Selectividad. Madrid Previo 1997): Una disolución de ácido sulfúrico tiene una densidad de 1,2 g/ml y una riqueza del 20 % en peso. a) Calcule su concentración expresada en moles/litro y en gramos/litro. b) Calcule el pH de una disolución preparada diluyendo mil veces la anterior. ?
Electrolitos fuertes y débiles. Electrolitos fuertes: Están totalmente disociados. (?) Ejemplos: ? HCl (ac) ? Cl– + H+ ? NaOH (ac) ? Na+ + OH– Electrolitos débiles: Están disociados parcialmente (?)
Ejemplos: ? CH3–COOH (ac) ? CH3–COO– + H+ ? NH3 (ac)+ H2O ? NH4+ + OH– ÁCIDO BÁSICO 1 44 1 2 3 4 6 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 5 7 Zumo de Cerveza LecheSangre Agua mar Amoniaco limón Agua destilada Gráfica de pH en sustancias comunes
Concepto de pOH. A veces se usa este otro concepto, casi idéntico al de pH: pOH ? ?log[OH?] Como Kw = [H3O+]x[OH–] = 10-14 M2 Aplicando logaritmos y cambiando el signo tendríamos: pH + pOH = 14, para una temperatura de 25ºC. Ejemplo: El pH de una disolución acuosa es 12,6. ¿Cual será la [H3O+] y el pOH a la temperatura de 25ºC? pH = –log [H3O+] = 12,6, de donde se deduce que: [H3O+] = 10-pH = 10-12,6 M = 2,5×10-13 M [OH-] ? KW 10-14 M2 [H3O?] 5?10-13 M
[HCO3 3O?] ]?[H [CO3 3O?] ]?[H [H2PO4 ]?[H3O?] x2 Ka1 ? ? ? 7,5?10?3M ? x ? 0,021 Ejemplo: Justifica porqué el ión HCO3–actúa como ácido frente al NaOH y como base frente al HCl. El NaOH proporciona OH– a la disolución: NaOH (ac) ? Na+ + OH–, por lo que HCO3– + OH– ? CO32– + H2O, es decir, el ión HCO3– actúa como ácido. Asimismo, el HCl proporciona H+ a la disolución: HCl (ac) ? H+ + Cl–. por lo que HCO3– + H+ ? H2CO3 (CO2 + H2O), es decir, el ión HCO3– actúa como base. Fuerza de ácidos. En disoluciones acuosas diluidas ([H2O] ? constante) la fuerza de un ácido HA depende de la constante de equilibrio: HA + H2O ? A– + H3O+ KC ? ? KC ?[H2O] ? ? Ka
A Ka se le llama constante de disociación o constante de acidez. Según su valor hablaremos de ácidos fuer- tes o débiles: Si Ka > 100 ? El ácido es fuerte y estará disociado casi en su totalidad. Si Ka < 1 ? El ácido es débil y estará sólo parcialmente disociado. Ejemplo: El ácido acético (CH3–COOH) es un ácido débil ya que su Ka = 1,8 x10-5M. Ácidos polipróticos Son aquellos que pueden ceder más de un H+. Por ejemplo el H2CO3 es diprótico. Existen pues, tantos equilibrios como H+ disocie: Ejemplo: ? H2CO3 + H2O?HCO3– + H3O+ ? HCO3– + H2O?CO32– + H3O+ ; 2?
[HCO3 ] ? ? Ka1 ? [H2CO3] Ka1= 4,5×10–7M Ka2 ? Ka2= 5,7×10–11M La constantes sucesivas siempre van disminuyendo. Ejemplo: Sabiendo que las constantes de acidez del ácido fosfórico son: Ka1 = 7,5 x 10–3, Ka2= 6,2 x 10–8 y Ka3 = 2,2 x 10–13, calcular las concentraciones de los iones H3O+, H2PO4–, HPO42– y PO43– en una disolución de H3PO4 0,08 M. Equilibrio 1: H3PO4 + H2O ? H2PO4– + H3O+ ; 0,08 0 0 conc. in.(mol/l): conc. eq.(mol/l): 0,08 – x x x [H3PO4] 0,08? x Equilibrio 2: H2PO4– + H2O ? HPO42– + H3O+ ; conc. in.(mol/l): 0,021 0 0,021 conc. eq.(mol/l): 0,021 – y y 0,021 + y [HA] [HA] [A–] [H+] [H+] [A–] [HA] Ácido fuerte Ácido débil
[HPO4 3O?] ]?[H Ka2 ? ? [H2 4 ] PO , PO ]?[H z?(0,021? z) [H3 4 3O ] 0,021z Ka2 ? ? ? 2,2?10?13M ? z [HPO4 ] 6,2?10 ?z 6,2?10 ? KC ?[H2O] ? ? Kb [A?]?[H3O?] c? ?c? Ka ? ? ? 2? ? Equilibrio 3: HPO42– + y ?(0,021? y) 0,021? y H2O 0,021y 0,021 ? ? 6,2?10?8M ? y PO43– + 6,2?10?8
H3O+ ; conc. in.(mol/l): ?8 6 ? 2 1 0 0,021 conc. eq.(mol/l): 6,2?10?8 – z z 0,021 + z 6,5?10?19 ? 2? ?8 ?8 [H3O+] = [H2PO4–] = 0,021 M ; [HPO42–] = 6,2 x 10–8M ; [PO43–] = 6,5 x 10–19M Fuerza de bases. En disoluciones acuosas diluidas ([H2 de equilibrio: B + H2O ? BH+ + OH–. KC ? [BH?]?[OH?] [BH?]?[OH?] [B]?[H2O] [B] A Kb se le llama constante de basicididad. pK Al igual que el pH se denomina pK a: pKa= –log Ka ; pKb= –logKb Cuanto mayor es el valor de Ka o Kb mayor es la fuerza del ácido o de la base. Igualmente, cuanto mayor es el valor de pKa o pKb menor es la fuerza del ácido o de la base. Ejemplo: Determinar el pH y el pOH de una disolución 0,2 M de NH3 sabiendo que Kb (25ºC) = 1,8 · 10–5 M Equilibrio: NH3+ H2O ? NH4++ OH– 0,2 0 0 conc. in.(mol/l): conc. eq.(mol/l): 0,2 – x x x Kb ? ? ?1,8?10-5M De donde se deduce que x = [OH–] = 1,9 · 10–3 M pOH = – log [OH–] = – log 1,9 · 10–3 = 2,72 pH = 14 – pOH = 14 – 2,72 = 11,28 Relación entre Ka y Kb conjugada. Equilibrio de disociación de un ácido: HA + H2O ? A– + H3O+ Reacción de la base conjugada con el agua: A– + H2O ? AH + OH– ; Ka ? Kb ? [A?]?[H3O?] [HA] [HA]?[OH?] [A?] [HA]?[A?] En la práctica, esta relación (Kax Kb= KW) significa que si un ácido es fuerte su base conjugada es débil y si un ácido es débil su base conjugada es fuerte. A la constante del ácido o base conjugada en la reacción con el agua se le suele llamar constante de hidrólisis (Kh). Ejemplo: Calcular la Kbdel KCN si sabemos que la Ka del HCN vale 4,9×10–10M. El HCN es un ácido débil (constante muy pequeña). Por tanto, su base conjugada, el CN–, será una base relativamente fuerte. Su reacción con el agua será: CN– + H2O ? HCN + OH– KW 10-14M2 Ka 4,9?10?10 M Relación entre la constante y el grado de disociación (ionización) “?” En la disociación de un ácido o una base: [HA] c (1-?) c?2 1??
10?14 Igualmente: c?2 1?? En el caso de ácidos o bases muy débiles (Ka/c o Kb/c < 10–4), a se desprecia frente a 1 con lo que: Ka = c 2 2 De donde: Ka c ? ? Igualmente Kb c ? ? Ejemplo (Selectividad. Madrid Previo 1998). Una disolución de HBO2 en concentración 10-2 M tiene un valor de pH de 5,6. a) Razone si el ácido y su base conjugada serán fuertes o débiles. b) Calcule la constante de disociación del ácido (Ka). c) Calcule, si es posible, la constante de basicidad del ion borato (Kb). d) Si 100 ml de esta disolución de HBO2 se mez- clan con 100 ml de una disolución 10-2 M de hidróxido sódico, ¿qué concentración de la base conjugada se obtendrá? a) [H3O+] = 10–pH = 10–5,6 = 2,51×10–6 M ? ? ? ? 2,51×10?4 c 10?2 M lo que significa que está disociado en un 0,025 % luego se trata de un ácido débil. Su base conjugada, BO2– , será pues, relativamente fuerte. b) Ka = c?2 = 10–2 M ·(2,51×10–4)2 = 6,3×10–10 c) Kw Ka Kb ? ? ?1,58×10-5 6,3?10?10 d) Se neutralizan exactamente: [BO2–] = 0,1 M Ejercicio B (Selectividad. Madrid Junio 1998). En un laboratorio se tienen dos matraces, uno conteniendo 15 ml de HCl cuya concentración es 0,05 M y el otro 15 ml de ácido etanoico (acético) de concentración 0,05 M a) Calcule el pH de cada una de ellas. b) ¿Qué cantidad de agua se deberá añadir a la más ácida para que el pH de las dos disoluciones sea el mis- mo? Dato: Ka(ácido etanoico) = 1,8 ·10-5 ?
Hidrólisis de sales Es la reacción de los iones de una sal con el agua. Así, las sales pueden producir que una disolución de las mismas sea ácida, básca o neutra. Sólo es apreciable cuando estos iones proceden de un ácido o una base débil: Ejemplo de hidrólisis ácida (de un catión): NH4+ + H2O ? NH3 + H3O+ Ejemplo de hidrólisis básica (de un anión): CH3–COO– + H2O ? CH3–COOH + OH– Tipos de hidrólisis. Según procedan el catión y el anión de un ácido o una base fuerte o débil, las sales se clasifican en: ? ? ? ? Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. Sales procedentes de ácido débil y base fuerte (Hidrólisis Básica) Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. (Hidrólisis Ácida). Sales procedentes de ácido débil y base débil. Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. Ejemplo: NaCl NO SE PRODUCE HIDRÓLISIS ya que tanto el Na+ que es un ácido muy débil como el Cl– que es una base muy débil apenas reaccionan con agua. Es decir los equilibrios: Na+ + 2 H2 + H3O+ – están muy desplazado hacia la izquierda, y por tanto, su reacción con el agua es insignificante. HIDRÓLISIS BÁSICA: Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. Ejemplo: Na+CH3–COO–
? ? ? 2,5?10?5 M [HCN]?[OH?] (0,01?)2 M2 0,01(1??) M Se produce HIDRÓLISIS BÁSICA ya que el Na+ es un ácido muy débil y apenas reacciona con agua, pero el CH3–COO– es una base relativamente fuerte y si reacciona con ésta de forma significativa: CH3–COO– + H2O ? CH3–COOH+ OH– lo que provoca que el pH > 7 (disolución básica). HIDRÓLISIS ÁCIDA: Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. Ejemplo: NH4Cl Se produce HIDRÓLISIS ÁCIDA ya que el NH4+ es un ácido relativamente fuerte y reacciona con agua mientras que el Cl– es una base débil y no lo hace de forma significativa: NH4+ + H2O ? NH3 + H3O+ lo que provoca que el pH < 7 (disolución ácida). Sales procedentes de ácido débil y base débil. Ejemplo: NH4CN En este caso tanto el catión NH4+ como el anión CN– se hidrolizan y la disolución será ácida o básica según qué ión se hidrolice en mayor grado. Como Kb(CN–) = 2 x10–5 M y Ka(NH4+) = 5,6 x 10–10 M , en este caso, la disolución es básica ya que Kb(CN–) es mayor que Ka(NH4+) Ejemplo: Sabiendo que Ka (HCN) = 4,0 · 10–10 M, calcular el pH y el grado de hidrólisis de una disolución acuosa de NaCN 0,01 M. ? Se producirá hidrólisis básica por ser el CN– un anión procedente de un ácido débil. La reacción de hidrólisis será: CN– + H2O ? HCN+ OH– KH(CN?) ?
Hidrólisis: [HCN]?[OH?] KW 1?10?14 M2 [CN-] 4,0?10?10M 4,0?10?10 M CN– + H2O ? HCN + OH– Conc inin. (M) 0,01 0 0 Conc equil. (M) 0,01(1– ) 0,01 0,01 ?5 2,5?10 M ? ? [CN?] Despreciando a frente a 1, se obtiene que = 0,05 Caso de no despreciar, puesto que se encuentra bastante al límite, resolveríamos la ecuación de segundo grado que nos daría un = 0,0488. KW 10-14 M2 [OH?] 0,01M?0,05 pH = –log [H3O+] = –log 2,0 x 10–11 M = 10,7 Ejercicio C (Selectividad. Madrid Junio 1998). Razone utilizando los equilibrios correspondientes, si los pH de las disoluciones que se relacionan seguida- mente son ácidos, básicos o neutros. a) Acetato potásico 0,01 M; b) Nitrato sódico 0,01 M; c) Sul- fato amónico 0,01 M; d) Hidróxido de bario 0,01 M. ?
Disoluciones amortiguadoras (tampón) ? Son capaces de mantener el pH después de añadir pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. Están formadas por:
Ka ? ? [H3O?]? Ka ? Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido débil con catión neutro: Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio. Disoluciones de base débil + sal de dicha base débil con anión neutro: Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio.
Indicadores de pH (ácido- base). Son sustancias orgánicas que cambian de color al pasar de la forma ácida a la básica: HIn + H2O ? In– + H3O+ forma ácida forma básica Uno de los indicadores más utilizados e la fenolftaelína cuya forma ácida es incolora y la forma básica rosa fucsia, y cuyo intervalo de viraje se encuentra entre 8 y 10 de pH. Igualmente, para medir el pH de una diso- lución de manera aproximada en el laboratorio se utiliza habitualmente el papel de tornasol que da una to- nalidad diferente según el pH, por contener una mezcla de distintos indicadores. Algunos i ndicadores de los más utilizados son: Indicador Violeta de metilo Rojo Congo Rojo de metilo Tornasol Fenolftaleína Color forma ácida Amarillo Azul Rojo Rojo Incoloro Color forma básica Violeta Rojo Amarillo Azul Rosa Zona de viraje (pH) 0-2 3-5 4-6 6-8 8-10 base 10, el cambio de color se Para facilidad en el cálculo y dado que el pH es una escala logarítmica en considera apreciable cuando: [HIn] > 10 [In–] o [HIn] < 1/10 [In–] [In?]?[H3O?] [HIn] [HIn] [In?] Aplicando logaritmos decimales y cambiando de signo: pH(viraje) ? pKa ? log ? pKa ?1 [In?] [HIn] Valoraciones ácido-base Valorar es medir la concentración de un determinado ácido o base a partir del análisis volumétrico de la base o ácido utilizado en la reacción de neutralización. La neutralización de un ácido/base con una base/ácido de concentración conocida se consigue cuando n(OH–) = n(H3O+). © Ed. Santillana. Química 2º Bachillerato
? ? 0,75M [H2SO4]? 3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 2– 4 +2Al3++ 6 H2O n(H2SO4) x 2 = n[Al(OH)3] x 3 25 ml x 2 Mx 3 = 100 ml x Mácidox 2, de donde: [H2SO4] ? 25 ml ?2 M 100 ml ?2 ? 0,75M Vácido x Nácido= Vbase x Nbase (Nbase= 3 x Mbase) 100 ml x Nácido= 25 ml x 6 N Nácido = 1,5 N Nácido 2 Mácido ? ? 0,75M Podríamos haber calculado n(H2SO4) a partir del cálculo estequiométrico, pues conocemos: n(Al(OH)3 = V x M = 25 ml x 2 M = 50 mmoles: 2– 4
SO n(H2SO4) 50 mmoles [H2SO4]= n(H2SO4) 75 mmol V(H2SO4) 100 ml Ejercicio D (Selectividad. Madrid Septiembre 1997). Si 10,1 ml de vinagre han necesitado 50,5 ml de una base 0,2 N para su neutralización. a) Cuál será la normalidad del ácido en el vinagre b) Suponiendo que su acidez se debe al ácido acético (ácido etanoico). ¿Cuál es el porcentaje en peso del ácido acético si la densidad del vinagre es de 1,06 g/ml? ? 20 40 60 V NaOH(ml) 12 10 8 6 4 2 Zona de viraje fenolftaleína Gráfica de valoración de vinagre con NaOH
La reacción de neutralización puede escribirse: b HaA + a B(OH)b ? BaAb + axb H2O En realidad, la sal BaAb se encuentra disociada (a Bb+ + b Aa–), por lo que la única reacción es: H3O+ + OH– ? 2 H2O, en donde: “a” = nº de H+ del ácido y “b” = nº de OH– de la base. Para que n(H3O+) se igual que n(OH–) debe cumplirse que: n(ácido) x a = n(base) x b Vácido x [ácido] x a = Vbase x [base] x b Todavía se usa mucho la concentración expresada como Normalidad: Normalidad = Molaridad x n (H u OH) Vácido x Nácido = Vbase x Nbase En el caso de sales procedentes de ácido o base débiles debe utilizarse un indicador que vire al pH de la sal resultante de la neutralización. Ver vídeo (mpeg) (12,5 MB) (wmv) (376 Kb) Simulaciones de neutralización puede encontrarse en: http://quim.iqi.etsii.upm.es/titrator/titrator.html y en http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/quimica/neutralizacion/neutraliz.htm. Ejemplo de valoraciones ácido-base. 100 ml de una disolución de H2SO4se neutralizan con 25 ml de una disolución 2 M de Al(OH)3¿Cuál será la
Algunos enlaces interesantes: ? http://www.cmark-gip.es/jano/quimica/acidosbases/acidosbases1.htm ? http://quim.iqi.etsii.upm.es/titrator/titrator.html ? http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/quimica/neutralizacion/neutraliz.htm ? http://www.pallotti.edu.uy/repartidos/quimica/equilibrio_acido_base.htm (ejercicios).