6-Equilibrios Acido Base I
-
Upload
israel-alamos -
Category
Documents
-
view
226 -
download
0
description
Transcript of 6-Equilibrios Acido Base I
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
6. Equilibrios ácido-base I6. Equilibrios ácido-base I
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 2
ContenidosContenidos
Equilibrios ácido-base IEquilibrios ácido-base I
• Ácidos y basesÁcidos y bases• Producto iónico del agua.Producto iónico del agua.• Disoluciones neutras, ácidas y básicas. Disoluciones neutras, ácidas y básicas. • Concepto de pH. Concepto de pH. • Ácidos y bases fuertes y débiles: KÁcidos y bases fuertes y débiles: Kaa y K y Kbb. . • Grado de ionización. Grado de ionización. • Ácidos polipróticos. Ácidos polipróticos.
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 3
Bibliografía recomendadaBibliografía recomendada
• Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003).
– Secciones 17.1, 17.2, 17.3, 17.4, 17.5, 17.6, 17.9
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y basesÁcidos y bases
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 5
Ácidos y basesÁcidos y bases
• Teoría de Arrhenius: (punto de partida, superada) – Ácido: sustancia que produce protones (H+) en agua
– Base o álcali: sustancia que produce iones hidroxilo (OH-) en agua
– ¿Por qué es alcalino el amoniaco, NH3?• “Porque en disolución acuosa forma NH4OH, que cede OH-.”• ¡Pero nunca se ha detectado la especie química NH4OH en agua!• Necesitamos otra teoría
2( ) ( ) ( )H Og ac acHCl H Cl
2( ) ( ) ( )H Os ac acNaOH Na OH
[Lectura: Petrucci 17.1]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 6
Ácidos y basesÁcidos y bases
• Teoría de Brønsted y Lowry: (aceptada hoy para ácidos y bases en disolución acuosa)– Ácido: dador de protones– Base o álcali: aceptor de protones– Reacción ácido-base: reacción de intercambio de protones
[Lectura: Petrucci 17.2]
2 2NaOH H O Na H O OH ácidobase
3 2 4NH H O NH OH ácidobase
3 2 4NH H O NH OH 3 2 4NH H O NH OH
ácido base
ácidobase ácido base
2 3HCl H O Cl H O ácido base
conjugadosconjugados
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 7
Ácidos y basesÁcidos y bases
• Teoría de Lewis: (aceptada hoy para ácidos y bases en general)– Ácido: aceptor de pares de electrones– Base o álcali: dador de pares de electrones– Reacción ácido-base: reacción de intercambio de pares de electrones
[Lectura: Petrucci 17.9]
ácido de Lewis
base de Lewis
aducto
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases en Ácidos y bases en disolucióndisolución
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 9
Equilibrio de autoionización. Producto iónico del aguaEquilibrio de autoionización. Producto iónico del agua
2 2 3H O H O H O OH 14,298 1,0 10wK
Agua pura:
3[ ][ ] wH O OH K (Aunque no escribimos el subíndice eq, nos referirnos a concentraciones de equilibrio de aquí en adelante)
14 73[ ] [ ] 1,0 10 1,0 10H O OH M a 25ºC:
3[ ] [ ]H O OH wK
ácidobase ácido basedébil débil fuerte fuerte
H H
Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base
14 73[ ] [ ] 9,6 10 3,1 10H O OH M a 60ºC:
3[ ] [ ]H O OH 3[ ] [ ]H O OH 3[ ] [ ]H O OH
[Lectura: Petrucci 17.3]
Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 10
pH, pOH y pKpH, pOH y pK
Def.:
43[ ] 3,7 10H O M
3log[ ]pH H O
Las concentraciones molares de H3O+ y de OH- en disolución suelen ser mucho menores que 1 M; p.ej:
11[ ] 2,7 10OH M 3,43
3[ ] 10H O M 10,57[ ] 10OH M
log[ ]pOH OH
3,43pH 10,57pH
14,0010wK
logw wpK K
14,00wpK
141,0 10wK
25ºC
3[ ][ ] wH O OH K
3log[ ] log[ ] log wH O OH K
wpH pOH pK
25º ;C 14,00pH pOH [Lectura: Petrucci 17.3]
3[ ] 10 pHH O M [ ] 10 pOHOH M 10 wpKwK
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 11
pH, pOH y pKpH, pOH y pK
3[ ] /H O M [ ] /OH MpH pOH
11,00111,0 10
9,0091,0 10
7,0071,0 10
5,0051,0 10
3,0031,0 10
121,0 10 12,00
101,0 10 10,00
81,0 10 8,00
61,0 10 6,00
41,0 10 4,00
2,0021,0 10
3,00
5,00
7,00
9,00
11,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
31,0 10
51,0 10
71,0 10
91,0 10
111,0 10
21,0 10
41,0 10
61,0 10
81,0 10
101,0 10
121,0 10
Acid
ezBasicidad
[Lectura: Petrucci 17.3]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 12
pH y pOHpH y pOHUna muestra de agua de lluvia tiene pH=4,35. ¿Cuánto vale [H3O+]?
34,35 log[ ]H O 3log[ ] 4,35H O 4,35 53[ ] 10 4,5 10H O M
Una muestra de un amoniaco de uso doméstico tiene pH=11,28. ¿Cuánto vale [OH-]?
14,00 14,00 11,28 2,72pOH pH
2,72 log[ ]OH 2,72 3[ ] 10 1,9 10OH M
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 13
Ácidos y bases fuertesÁcidos y bases fuertes
Tienen el equilibrio de ionización muy desplazado a la derecha
2 3HCl H O Cl H O NaOH Na OH
- puede considerarse totalmente desplazado, salvo en disoluciones muy concentradas
- el aporte de la autoionización del agua a la concentración de H3O+ en las disoluciones de ácidos fuertes y de OH- en las de bases fuertes es despreciable
2 32H O H O OH
Ácidos fuertes más frecuentes Bases fuertes más frecuentes
HCl HBr HI
4HClO3HNO
2 4H SO (sólo la 1ª ionización)
LiOH NaOH KOHRbOH CsOH
2Mg OH 2Ca OH
2Sr OH 2Ba OH[Lectura: Petrucci 17.4]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 14
Ácidos y bases fuertesÁcidos y bases fuertesEjemplo: Disolución HCl(ac) 0,015 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH?
2 3HCl H O Cl H O 0c 0c0( )c
2 32H O H O OH w w
[ ]Cl
3[ ]H O
[ ]OH
0c
0c ww
0c
0,015M
0,015M
3[ ] [ ]wOH K H O 141,0 10 0,015 136,7 10 M
136,7 10 M
1
3[ ][ ] wH O OH K
2
3
3
~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido
• los OH- proceden de la ionización del agua
• los Cl- proceden de la ionización del ácido
• [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw
log0,015 1,82pH 4
[Lectura: Petrucci 17.4]
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 15
Ácidos y bases fuertesÁcidos y bases fuertesEjemplo: Disolución saturada de Ca(OH)2(ac). ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [Ca(OH)2: solubilidad a 25ºC 0,16 g/100 ml.]
22 2( ) ( )( ) ( ) 2s acCa OH Ca OH Ca OH
s 2s( )s
2 32H O H O OH w w
2[ ]Ca
3[ ]H O
[ ]OH
sw
2s w
0,022M132,3 10 M
3[ ] [ ]wH O K OH 141,0 10 0,044 132,3 10 M
0,044M
1
3[ ][ ] wH O OH K
3
3
2 ~ todo el OH-procede de la ionización del la base disuelta
• los H3O+ proceden de la ionización del agua
• los Ca2+ proceden de la ionización de la base disuelta
• [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw
2 2[ ][ ] psCa OH K
• la concentración de base disuelta e ionizada es su solubilidad molar
2s
4 13log 2,3 10 12,64pH [Lectura: Petrucci 17.4]
1
20,16 ( )100 dslngCa OHml
0,022M
2
2
1 ( )74,1 ( )mol Ca OHgCa OH
10001mll
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases Ácidos y bases débilesdébiles
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 17
Ácidos y bases débilesÁcidos y bases débiles
Es necesario considerar su equilibrio de ionización
2 3HA H O A H O Constante de ionizacióno de acidez del ácido HA
[Lectura: Petrucci 17.5]
3[ ][ ][ ] a
A H O KHA
2B H O HB OH Constante de ionizacióno de basicidad de la base B
[ ][ ][ ] b
HB OH KB
2 3HCN H O CN H O 106,2 10aK 9,21apK
- ácidos más fuertes cuanto mayor Ka (cuanto menor pKa)
3 2 4NH H O NH OH 51,8 10bK 4,74bpK
- bases más fuertes cuanto mayor Kb (cuanto menor pKb)
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 18
Ácidos débilesÁcidos débilesFuerza del ácido
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 19
Bases débilesBases débiles
Fuer
za d
e la
bas
e
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 20
Ácidos débilesÁcidos débilesDisolución HA(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución?
2 3HA H O A H O x xx
2 32H O H O OH w w
[ ]A
3[ ]H O
[ ]OH
xx w w
x
3[ ][ ] wH O OH K
~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido (Kw<<Ka)• los OH- proceden de la ionización del agua
• los A- proceden de la ionización del ácido
[Lectura: Petrucci 17.5]
3[ ][ ][ ] a
A H OK
HA
[ ]HA 0c x • el HA se ioniza parcialmente; ¿es Ka suficientemente pequeña para que c0-x=c0?
2
0a
x Kc x
20 0a ax K x K c
2 42
a a o aK K c Kx
0c
2
0a
x Kc
11
11
22
22
0 ax c K
wKwx
0¿4 ?ac K
0¿4 ?ac K
SINO
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 21
2
0
;ax Kc x
20 0 ;a ax K x K c
04 :ac K
2 42
a a o aK K c Kx
0x
Si
42
a o aK c Kx
04 a ac K K
204 a ac K K
o ac K
2
0a
x Kc
que equivale a aproximar 0 0c x c
20 ax c K
La aproximación se hace para calcularPara calcular la concentración de equilibrio de HA se puede usar 0c x
x
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 22
Bases débilesBases débiles
[Lectura: Petrucci 17.5]
2
0b
x Kc x
20 0b bx K x K c
2 42
b b o bK K c Kx
2
0b
x Kc
11 22
0 bx c K
wKwx
0¿4 ?bc K SINO
Disolución B(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución?
2B H O HB OH x xx
2 32H O H O OH w w
3[ ][ ] wH O OH K
[ ][ ][ ] b
HB OH KB
[ ]HB
[ ]OH
3[ ]H O
xx w w
x ~ todo el OH- procede de la ionización de la base (Kw<<Kb)• los H3O+ proceden de la ionización del agua
• los HB+ proceden de la ionización de la base
[ ]B 0c x • la B se ioniza parcialmente; ¿es Kb suficientemente pequeña para que c0-x=c0?
0¿4 ?bc K
0c11 22
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 23
Ácidos débilesÁcidos débilesEjemplo: Disolución HF(ac) 0,15 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4]
2 3HF H O F H O x xx
2 32H O H O OH w w
0,0099M
121,0 10 M
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
[Lectura: Petrucci 17.5]
43[ ][ ] 6,6 10[ ] a
F H O KHF
0,15M
39,9 10x
0¿4 ?ac K 0,60 0,00066 0,60 SI
[ ]F
3[ ]H O
[ ]OH
xx w w
x
[ ]HF 0c x 0c
2
0a
x Kc
0 ax c K
0,0099M
wKwx
14
3
1,0 109,9 10
121,0 10
3[ ] [ ] [ ] [ ]HF F H O OH
3log9,9 10 2,00pH
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 24
Ácidos débilesÁcidos débilesEjemplo: Disolución HF(ac) 0,00150 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4]
2 3HF H O F H O x xx
2 32H O H O OH w w
0,00072M
111,4 10 M
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
[Lectura: Petrucci 17.5]
43[ ][ ] 6,6 10[ ] a
F H O KHF
0,00078M
47,2 10x
0¿4 ?ac K 0,0060 0,00066 0,0067 NO
[ ]F
3[ ]H O
[ ]OH
xx w w
x
[ ]HF 0c x
2
0a
x Kc x
wKwx
14
4
1,0 107,2 10
111,4 10
2 42
a a o aK K c Kx
0,00072M
0,00099o ac K
3[ ] [ ] [ ] [ ]HF F H O OH
4log 7,2 10 3,14pH
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 25
Ácidos débilesÁcidos débilesEjemplo: El pH de una disolución HF(ac) 0,0015 M es 3,14. ¿Cuánto vale la constante de ionización del HF?
2 3HF H O F H O x xx
2 32H O H O OH w w
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
3[ ][ ][ ] a
F H O KHF
3,14 43[ ] 10 7,2 10x H O
[ ]F
3[ ]H O
[ ]OH
xx w w
x
[ ]HF 0c x
4 24
0
(7,2 10 ) 6,6 100,0015 0,00072a
x xKc x
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 26
Bases débilesBases débiles
2B H O HB OH x xx
2 32H O H O OH w w
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
9[ ][ ] 1,5 10[ ] b
HB OH KB
[ ]HB
[ ]OH
3[ ]H O
xx w w
x
[ ]B 0c x 0c
Ejemplo: Disolución piridina(ac) 0,0015 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y pH? [Piridina: Kb=1,5x10-9]
61,5 10x
0¿4 ?bc K 90,0060 1,5 10 0,0060 SI2
0b
x Kc
0 bx c K
wKwx
14
6
1,0 101,5 10
96,7 10
6log1,5 10 5,82pOH
61,5 10 M
96,7 10 M
0,0015M
3[ ] [ ] [ ] [ ]B HB OH H O 61,5 10 M
14,00 5,82 8,18pH
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 27
Bases débilesBases débiles
2B H O HB OH x xx
2 32H O H O OH w w
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
[ ][ ][ ] b
HB OH KB
[ ]HB
[ ]OH
3[ ]H O
xx w w
x
[ ]B 0c x
Ejemplo: El pH de una disolución de piridina(ac) 0,0015 M es 8,18 ¿Cuánto vale la constante de ionización de la piridina?
5,82 6[ ] 10 1,5 10x OH 6 2
96
0
(1,5 10 ) 1,5 100,0015 1,5 10b
x xKc x
14,00 8,18 5,82pOH
no es necesario considerar si se desprecia frente a c0 o no
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 28
Grado de ionización Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles)(de un ácido o de una base débiles)
[Lectura: Petrucci 17.5]
Grado de ionización =
2 3HA H O A H O x xx
3[ ][ ][ ] a
A H OK
HA
[ ]A x[ ]HA 0c x
0 0
[ ]A xc c
Molaridad de ácido ionizadoMolaridad de ácido inicial
0c 0 (1 )c
3[ ]H O x 0c
2 20
0 (1 ) ac
Kc
20
(1 ) ac K
100%
0c
Ácido fuerte
Ácido débil
1
0
0,5
2
0
42
a a o aK K c Kc
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 29
Grado de ionización Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles)(de un ácido o de una base débiles)
0c
Ácido fuerte
Ácido débil
1
0
0,5
Ej.: ¿Cuál es el grado de ionización del HF(ac) 0,0015 M y del HF(ac) 0,15 M de los ejemplos de más atrás?
HF(ac) 0,0015 M:
HF(ac) 0,15 M:
0 0
[ ]F xc c
0,00072 0,48 48%0,0015
0,0099 0,066 6,6%0,15
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos polipróticosÁcidos polipróticos
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 31
Ácidos polipróticosÁcidos polipróticos
[Lectura: Petrucci 17.6]
Ejemplo: H3PO4, con Ka1 >> Ka2 >> Ka3
3 4 2 2 4 3H PO H O H PO H O 31 7,1 10aK
82 6,2 10aK
133 4,4 10aK
x x x
y y y
z z z
3 4[ ]H PO2 4[ ]H PO
24[ ]HPO
34[ ]PO
3[ ]H O
[ ]OH
x y y z zx y z w w
][]][[
24
334
HPOOHPO
][]][[
42
324
POHOHHPO
][]][[
43
342
POHOHPOH
22 4 2 4 3H PO H O HPO H O
2 34 2 4 3HPO H O PO H O
2 32H O H O OH w w
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
0c x x 2 1( )a aK Ky 3 2( )a aK K
x 1(& )w aK K
2
10
ax Kc x
2ay K
3az x Ky
wx w K
y
1x
2
z
w
3
4
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 32
Ácidos polipróticosÁcidos polipróticos
[Lectura: Petrucci 17.6]
3 4[ ]H PO2 4[ ]H PO
24[ ]HPO
34[ ]PO
3[ ]H O
[ ]OH
x y y z zx y z w w
0c x xy
x
2
10
ax Kc x
2ay K
3az x Ky
wx w K
y
1x
2
z
w
3
4
Ejemplo: Disolución H3PO4(ac) 3.00 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y el pH?
0 1¿4 ?ac K 312,00 7,1 10 12,00 SI2
10
ax Kc
30 1 3,00 7,1 10ax c K 1
82 6,2 10ay K 2
3ayz Kx
0,15x 8
13 196,2 104,4 10 1,9 100,15
3
4 wKwx
14
141,0 10 6,7 100,15
2,85M0,15M
0,15M
86,2 10 M 191,9 10 M
146,7 10 M
log0,15 0,82pH
Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 33
Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico HÁcidos polipróticos: El ácido sulfúrico H22SOSO44
[Lectura: Petrucci 17.6]
2 4[ ]H SO4[ ]HSO
24[ ]SO
3[ ]H O
[ ]OH
0c x x
0c x w w
0
0c x
02
0
( )a
x c x Kc x
0
wKwc x
0,49M
0,51M
0,011M
142,0 10 M
log0,51 2,92pH
1ª ionización: ácido fuerte; 2ª ionización: ácido débil
2 4 2 4 3H SO H O HSO H O
22 1,1 10aK
0( )c 0c 0c
x x x
24 3
4
[ ][ ][ ]
SO H OHSO
24 2 4 3HSO H O SO H O
2 32H O H O OH w w
143[ ][ ] 1,0 10wH O OH K
02
0a
c x Kc
0,011x
Ejemplo: Disolución H2SO4(ac) 0,50 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y pH? [Ka2=1,1x10-2]
14141,0 10 2,0 10
0,51
2 0,011ax K