7. Equilibrios ácido-base II

Química (1S, Grado Biología) UAM

7. Equilibrio ácido-base II

Contenidos Equilibrios ácido-base II • • • •

Propiedades ácido-base de las sales: hidrólisis. Indicadores ácido-base Reacciones ácido-base. Valoraciones. Disoluciones reguladoras. Capacidad amortiguadora.

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Bibliografía recomendada • Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003). – Secciones 17.7, 18.2, 18.3, 18.4

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Comportamiento ácido-base de los iones: hidrólisis

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Sales de ácidos fuertes y bases fuertes Los iones de la ionización de ácidos o de bases fuertes son estables y no tienen carácter ácido ni básico

HCl  H 2O  Cl   H3O NaOH  H 2O  Na   H 2O  OH  Como consecuencia, las disoluciones de sales de ácidos fuertes y bases fuertes son neutras • Disolución de una sal de ácido fuerte y base fuerte

NaCl  Na  Cl 

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Iones estables, ni ácidos ni básicos.

7. Equilibrio ácido-base II

pH  7

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Iones de ácidos débiles Los iones resultantes de la ionización de un ácido débil tienen comportamiento básico; por lo tanto, establecen su propio equilibrio de ionización de base

(1)

HA  H 2O

ácido

(2)

A  H 2O

(1)  (2) 

CN 

conjugados

2H 2O

es una base

A  H3O

[ A ][ H 3O  ]  Ka [ HA]

HA  OH 

[ HA][OH  ]  Kb  [A ]

H3O  OH 

[ H3O ][OH  ]  K w

base

HCN  H 2O

CN   H 3O

CN   H 2O

HCN  OH 

K a Kb  K w pKa  pKb  14,00

Ka  6, 2 1010 1, 0 1014 5 Kb   1, 6  10 6, 2 1010

[Lectura: Petrucci 17.7] Química (1S, Grado Biología) UAM

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Iones de bases débiles Los iones resultantes de la ionización de una base débil tienen comportamiento ácido; por lo tanto, establecen su propio equilibrio de ionización de ácido

(1)

B  H 2O

base

(2)

HB  H 2O

(1)  (2) 

NH 4

conjugados

2H 2O

es un ácido

HB   OH  ácido

B  H3O

[ HB  ][OH  ]  Kb [ B] [ B][ H 3O  ]  Ka  [ HB ]

K a Kb  K w pKa  pKb  14,00

H3O  OH  NH3  H 2O

NH 4  OH 

NH 4  H 2O

NH3  H3O

Kb  1,8 105 1, 0 1014 10 Ka   5, 6  10 1,8 105

[Lectura: Petrucci 17.7] Química (1S, Grado Biología) UAM

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Hidrólisis (de sales) Las disoluciones de sales de ácidos débiles o de bases débiles no son neutras: se hidrolizan (Como consecuencia de lo anterior)

• Disolución de una sal de ácido débil y base fuerte

pH  7

NaCN  Na  CN  c0

estable

c0



CN  H 2O x

base

c0

HCN  OH x

x



Kw K h  Kb   1, 6 105 K a ( HCN )

Ejemplo: pH de una disolución NaCN(ac) 0,20 M. [pH de una disolución de una base débil]

[CN  ]  c0  x [ HCN ]  x [OH  ]  x  w

c0

x

x2  Kb c0

x  Kb c0

x  1,6 105  0, 20  1,8 103

pOH   log1,8 103  2,75 pH  14,00  pOH  14,00  2,75  11, 25 [Lectura: Petrucci 17.7]

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Hidrólisis (de sales) Las disoluciones de sales de ácidos débiles o de bases débiles no son neutras: se hidrolizan (Como consecuencia de lo anterior)

• Disolución de una sal de base débil y ácido fuerte

pH  7

NH 4Cl  NH 4  Cl  ácido

c0

c0

NH 4  H 2O x

estable

c0

NH3  H3O x

x

Kw  5, 6 1010 Kb ( NH 3 )

Kh  Ka 

Ejemplo: pH de una disolución NH4Cl(ac) 0,20 M. [pH de una disolución de un ácido débil]

[ NH 4 ]  c0  x [ NH 3 ]  x [ H 3O  ]  x  w

c0

x

x2  Ka c0

x  K a c0

x  5,6 1010  0, 20  1,1105

pH   log1,1105  4,96 [Lectura: Petrucci 17.7]

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Hidrólisis (de sales) Las disoluciones de sales de ácidos débiles o de bases débiles no son neutras: se hidrolizan (Como consecuencia de lo anterior)

• Disolución de una sal de ácido débil y base débil

NH 4CN  NH 4  CN  ácido

 4

base

pH ácido o básico dependiendo de la comparación de las fuerzas ácidas y básicas de los dos iones 

NH  H 2O

NH3  H3O

CN   H 2O

HCN  OH 

Kw  5, 6 1010 Kb ( NH 3 ) Kw Kb   1, 6 105 K a ( HCN )

Ka 

pH>7 en este caso

[Lectura: Petrucci 17.7] Química (1S, Grado Biología) UAM

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Indicadores y valoraciones ácidobase

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Indicadores ácido-base • Sustancias cuyo color depende del pH de la disolución en la que están presentes – ácidos débiles cuyas formas ácida y básica conjugadas tienen colores distintos  

HIn  H 2O

color A

[ H 3O  ]  K a

[ H 3O ] 

[ H 3O ] 



In  H3O



color B

[ HIn] [ In ]

[ In ][ H 3O ]  Ka [ HIn]

pH  pK a  log

[ HIn] [ In ]

[ HIn]  [ In ]

color B

pH  pKa

[ HIn]  [ In ]

viraje

pH  pKa

[ HIn]  [ In ]

color A

pH  pKa [Lectura: Petrucci 18.3]

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Indicadores ácido-base HIn  H 2O

In  H3O

5,3

azul de bromotimol 7,3

9,5

11

12,7

azul de timol

rojo de alizarina

azul de bromofenol 4,1

amarillo Clayton

3,5

amarillo de alizarina

1,6

[ HIn] [ In ]

[ HIn]  0,1 pH  pKa  1  [ In ]

fenolftaleína pKa

naranja de metilo

rojo de quinaldina

pH  pK a  log

[ HIn] 1  [ In ]

pH  pKa

[ HIn]  10  [ In ]

pH  pKa  1

9,2 1,7

[Lectura: Petrucci 18.3] Química (1S, Grado Biología) UAM

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Valoración ácido-base •

Determinación de la concentración de un ácido (base) en una disolución por reacción de neutralización con una base (ácido) –

Midiendo un volumen de disolución necesario para alcanzar cantidades estequiométricas de ácido y base • ej. 1: A + B → Sal + H2O nA/nB = 1 nA=nB • ej. 2: 2A + 3B → Sal + H2O nA/nB = 2/3 3nA=2nB

valorante:

[ B] mol B  nB mol B VB ml dsln B 1000 ml dsln B

ej.2: muestra problema:

VA ml dsln A

2 mol A nB mol B  nA mol A 3 mol B n A mol A 1000 ml mol A  [ A] VA ml dsln A 1l l dsln A [Lectura: Petrucci 18.4]

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Valoración ácido-base •

Punto de equivalencia (pde) de una valoración –

Es la disolución alcanzada cuando los reactivos valorante y valorado han reaccionado en cantidades estequiométricas •

•

Punto final de una valoración – –

Es la disolución alcanzada cuando se detiene la valoración Se determina por la observación de un cambio brusco • • •

•

determinado por el reactivo limitante (el reactivo que se agota)

de color de un indicador (viraje) del pH indicado por un pH-metro ...

Se ha de elegir el indicador de modo que el punto final coincida con el punto de equivalencia

[Lectura: Petrucci 18.4] Química (1S, Grado Biología) UAM

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Valoración de un ácido fuerte con una base fuerte Ejemplo: Valoración de 25,00 ml de HCl(ac) 0,100 M con NaOH(ac) 0,100 M Reacción global:

HCl  NaOH  NaCl  H 2O

1) Punto inicial:

Disolución de un ácido fuerte

pH   log 0,100  1,00 [ H3O ]  0,100M n( H3O )  25,00 103  0,100 mol  2,500 103 mol  2,500 mmol 2) Puntos intermedios:

Disolución de un ácido fuerte (Reactivo limitante: la base)

(Y de una sal de a.f. y b.f.)

(2,500  10, 00  0,100) mmol  0, 0429M ; pH  1,37 (25, 00  10, 00) ml 2,500  24, 00  0,100  M  2, 04 103 M ; pH  2,69 24,00 ml NaOH (ac) [ H 3O ]  25, 00  24, 00 2,500  24,90  0,100  M  2, 00 104 M ; pH  3,70 24,90 ml NaOH (ac) [ H 3O ]  25, 00  24,90 [Lectura: Petrucci 18.4]

 10,00 ml NaOH (ac) [ H 3O ] 

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Valoración de un ácido fuerte con una base fuerte Ejemplo: Valoración de 25,00 ml de HCl(ac) 0,100 M con NaOH(ac) 0,100 M Disolución de una sal de ácido fuerte y base fuerte (Proporciones estequiométricas)

3) Punto de equivalencia:

pH  7,00 4) Puntos posteriores al pde:

Disolución de una base fuerte (Reactivo limitante: el ácido)

25,10  0,100  2,500 M  2, 00 104 M ; 25,10 ml NaOH (ac) [OH ]  25, 00  25,10 26, 00  0,100  2,500  [ OH ]  M  1,96 103 M ; 26,00 ml NaOH (ac) 25, 00  26, 00 40, 00  0,100  2,500 M  0, 0231M ; 40,00 ml NaOH (ac) [OH  ]  25, 00  40, 00 

pH  10,30 pH  11, 29 pH  12,36

[Lectura: Petrucci 18.4] Química (1S, Grado Biología) UAM

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Valoración de un ácido fuerte con una base fuerte: curva de valoración Ejemplo: Valoración de 25,00 ml de HCl(ac) 0,100 M con NaOH(ac) 0,100 M

Punto de equivalencia

[disolución de una sal de ácido fuerte y base fuerte: pH=7]

Punto final

de la valoración con fenolftaleína

Punto final

de la valoración con rojo de quinaldina

[Lectura: Petrucci 18.4] Química (1S, Grado Biología) UAM

7. Equilibrio ácido-base II

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Disoluciones resultantes durante las valoraciones

Inicio

AF con BF

AD con BF

BD con AF

HCl con NaOH

HAc con NaOH

R-NH2 con HCl

HCl a.fuerte

Antes del pde

NaCl y HCl a.fuerte

Punto de equivalencia

Después del pde

NaCl

HAc a.débil

NaAc y HAc reguladora

NaAc

neutra

hidrólisis pH>7

NaCl y NaOH

NaAc y NaOH

b.fuerte Química (1S, Grado Biología) UAM

~b.fuerte

RNH2

b.débil

RNH3Cl y RNH2 reguladora

RNH3Cl

hidrólisis pH7]

Punto final

de la valoración con fenolftaleína

Punto final

de la valoración con azul de bromofenol

[Lectura: Petrucci 18.4] Química (1S, Grado Biología) UAM

7. Equilibrio ácido-base II

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Disoluciones resultantes durante las valoraciones

Inicio

AF con BF

AD con BF

BD con AF

HCl con NaOH

HAc con NaOH

R-NH2 con HCl

HCl a.fuerte

Antes del pde

NaCl y HCl a.fuerte

Punto de equivalencia

Después del pde

NaCl

HAc a.débil

NaAc y HAc reguladora

NaAc

neutra

hidrólisis pH>7

NaCl y NaOH

NaAc y NaOH

b.fuerte Química (1S, Grado Biología) UAM

~b.fuerte

RNH2

b.débil

RNH3Cl y RNH2 reguladora

RNH3Cl

hidrólisis pH7

NaCl y NaOH

NaAc y NaOH

b.fuerte Química (1S, Grado Biología) UAM

~b.fuerte

RNH2

b.débil

RNH3Cl y RNH2 reguladora

RNH3Cl

hidrólisis pH