Fuente: “CÁLCULOS RÁPIDOS EN EL EQUILIBRIO QUÍMICO”(M.A. Belarra Piedrafita; Prensas Universitarias de Zaragoza,2002)
MÉTODOS DE CÁLCULO RÁPIDO EN EL
EQUILIBRIO QUÍMICO:DIAGRAMAS DE
REACCIONABILIDAD EN LAS REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE
PROTONES
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*INTRODUCCIÓN
La gran ventaja de esta metodología es que ayuda a comprender A) Qué reacciones suceden (y por tanto cuáles hemos de escribir
) y cuáles predominan (y por tanto van a condicionar casi totalmente las concentraciones de las especies presentes)
B) En qué medida o extensión se producen, (y por tanto cuáles hemos de considerar completas y cuáles hemos de tratar como verdaderos equilibrios)
C) Qué constante hemos de utilizar para realizar los cálculos, qué especies permanecen en concentración apreciable después de la reacción, etc... Hay que tener en cuenta alguna limitación a esta metodología Hay casos en los que esta metodología no puede utilizarse, por ejemplo si se trata de ácidos y bases muy próximos en el diagrama que utilizaremos, y tampoco podría ser usada si las concentraciones de los reaccionantes fuesen demasiado distintas (dos o más órdenes de magnitud). pero estas circunstancias no aparecen en los problemas propuestos al nivel de bachillerato
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FUNDAMENTO
A) Definimos pKa = -lg Ka
Ácido Ka pKaHidronio 55,5 -1,70Yódico 0,19 0,72Sulfuroso 0,016 1,80Hidrógeno sulfato 0,012 1,92Fosfórico 0,0075 2,12Fluorhídrico 0,0007 3,15Nitroso 0,00045 3,35Fórmico 0,00018 3,74Benzoico 0,000066 4,18Acético 0,000018 4,74Carbónico 4,2E-07 6,38Sulfhídrico 1E-07 7,00Hipocloroso 3E-08 7,52Dihidrogeno Fosfato 6,2E-08 7,21Amonio 5,5E-10 9,26Cianhídrico 4E-10 9,40Hidrogenocarbonato 5,6E-11 10,25Hidrogenofosfato 2,2E-13 12,66Hidrogenosulfuro 1E-13 13,00Hidróxido 1,82E-16 15,74
4
FUNDAMENTO
B) Si colocamos una serie de ácidos y sus bases conjugadas en un eje según sus valores de pKa, con los ácidos en la parte superior y las bases en la inferior, dichos ácidos y bases quedan ordenados según su fuerza, tal como se ve en el siguiente diagrama: Aumenta la fuerza de los ácidos
<_________________________
HA1 HA2 HA3 HA4
______________________________________>pKa
A1- A2- A3- A4- _________________________> Aumenta la fuerza de las bases y puede observarse que cuanto mayor es la fuerza de un ácido (o de una base) menor es la fuerza de su base (o de su ácido) conjugada.
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FUNDAMENTO
C) Acidos y bases fuertes y débiles en disolución acuosa Los sistemas de H3O+/H2O y H2O/OH- establecen tres zonas bien diferenciadas en cuanto a la fuerza de los ácidos y las bases, que se resumen en el siguiente diagrama:
H3O+
H2O
H2O
OH-Bases débilesBases neutras
Ácidos débilesÁcidos fuertes
Acidos neutros
Bases fuertes
Fuerza creciente de ácidos
Fuerza creciente de bases
pKa
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FUNDAMENTO
1.- Denominamos ácidos fuertes en disolución acuosa a los que
están a la izquierda del ácido H3O+. Todos ellos (HClO4, HCl, etc.) tienen la misma fuerza, pues al ser inestables generan todos el mismo ácido, H3O+. De la misma forma, denominamos
bases fuertes a las que están a la derecha de la base OH- y por la misma razón también tienen todas la misma fuerza en disolución acuosa. Para estos sistemas no se utiliza constante de equilibrio, considerando que su reacción con el agua es total.
2.- Cuanto más fuerte es un ácido o una base, más débiles son su
base o ácido conjugado. 3.- Las bases conjugadas de ácidos fuertes (ClO4-, Cl-, etc.) y los
ácidos conjugados de bases fuertes son tan débiles que prácticamente carecen de propiedades ácido-base y se comportan como especies neutras en disolución acuosa.
4.- Los ácidos y bases comprendidos entre los dos sistemas del agua
se denominan débiles y su fuerza, variable de unos a otros, viene dada por su pKa.
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Bases fuertes: OH-,CN-
Bases débiles: NH3,CH3-COO-
Bases muy débiles: F-
Bases neutras: H2O,I-
Ejercicio de aplicación-1Ordenar en el mismo diagrama los siguientes pares conjugados ácido-base además de los correspondientes al agua: NH4
+ /NH3 CH3-COOH/ CH3-COO- HCN/CN- HI/I- HF/F-
Clasificarlos cómo ácidos o bases fuertes, débiles o neutros
Ácidos fuertes: HI, H3O+
Ácidos débiles: HF, CH3-COOH, NH4+
Ácidos muy débiles: HCNÁcidos neutros: H2O
pKa
H2OH3O+ NH4+ HCN
H2O
-1,7
HF
F-
3,15
CH3-COOH
CH3-COO-
4,74
HI
I-
9,25
NH3
9,39
CN- OH-
15,74
8
Criterio de reaccionabilidad (I)
Si mezclamos disoluciones de ácidos y de una bases, ¿se produce siempre reacción?
Si en una disolución estable que contiene ácidos y bases se introduce una nueva especie capaz de intercambiar protones, se produce siempre una modificación de las concentraciones de las especies presentes, hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio. Ahora bien, estos cambios pueden resultar insignificantes (en cuyo caso decimos coloquialmente que "no se ha producido reacción" o significativos, de forma que en la disolución resultante alguna de las especies inicialmente presentes se haya transformado de forma importante en los productos de la reacción.
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Criterio de reaccionabilidad (II)
Podemos conocer fácilmente, en función de las constantes de equilibrio, si una especie va a transformarse mayoritariamente en otra como consecuencia de la adición a la disolución de una nueva sustancia en exceso. Para ello: 1º) Situaremos cada sistema ácido-base conjugados tal y como hemos visto en los diagramas de fuerza de los ácidos y las bases. (Si un sistema puede intercambiar más de un protón es fundamental dibujar todos los sistemas conjugados del mismo). 2º) A continuación indicaremos las especies que se encuentran en concentración significativa, que en los diagramas siguientes se presentan recuadradas.
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Criterio de reaccionabilidad (III)
Por ejemplo si a una disolución que contiene HAc(ácido acético) y Ac-(acetato) se añade NH3, la representación sería
Ac- NH3
NH4+HAcH3O+
H2O
H2O
OH
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Un donor (ácido) que se encuentre en concentración significativa, reacciona de forma mayoritaria ( reacción completa ) con los aceptores (bases) que, igualmente en concentración significativa, estén situados a su derecha, dando lugar a las correspondientes especies conjugadas.
Criterio de reaccionabilidad (IV)La norma de predicción de cómo va a transcurrir la reacción es muy sencilla:
Ac- NH3
NH4+HAcH3O+
H2O
H2O
OH
HAc + NH3 <===> Ac- + NH4+
Se tratará de una reacción de K alta (transformación casi íntegra de los reactivos en los productos)
Reacción completa
12
Criterio de reaccionabilidad (V)
Los productos de reacción se incorporan al diagrama comoespecies en concentración significativa
Ac- NH3
NH4+HAcH3O+
H2O
H2O
OH
Reacción completa
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Criterio de reaccionabilidad (VI)
Y en cuanto a los reaccionantes, sólo permanecerá el que se encuentre en exceso Si, por ejemplo, la cantidad de NH3 es superior a la de HAc, la concentración de éste que quede será muy pequeña (no significativa) y el nuevo sistema será: ,
que ya es estable, puesto que no hay ningún aceptor situado a la derecha del NH4+ que es el único donor.
Ac- NH3
NH4+HAcH3O+
H2O
H2O
OH
14
Criterio de reaccionabilidad (VII)
Si, en cambio, la cantidad inicial de NH3 es igual a lade HAc, el sistema final será:
que también es estable, puesto que no hay ningún aceptor situado a la derecha del NH4+ que es el único donor.
Ac- NH3
NH4+HAcH3O+
H2O
H2O
OH
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Ejercicio de aplicación-2
Una disolución contiene : NO2
- 0,1 mol/l y HIO3 0,1 mol/l a) Haz un diagrama que la representeb) Si hay reacción escríbela
+H3O+
H2O OH-NO2-
HIO3
-1,7 0,72 3,34 15,74
H2O
IO3-
HNO2
pKa
HIO3+NO2- IO3
- +HNO2
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Ejercicio de aplicación-2
En la disolución anterior representa el diagrama después de la reacción
+H3O+
H2O OH-NO2-
HIO3
-1,7 0,72 3,34 15,74
H2O
IO3-
HNO2
pKa
Como los reactivos estaban en relación estequiométrica y la reacción es completa, desaparecen prácticamente y aparecen los productos en concentración significativa.
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Ejercicio de aplicación-3
Una disolución contiene : ClO- 0,1 mol/l , HClO 0,1 mol/l y OH- 0,2 mol/a) Haz un diagrama que la represente antes de la reacciónb) Haz un diagrama que la represente después de la reacción
pKa
+H3O+
H2O OH-
HClO
-1,7 7,52 15,74
H2O
ClO-
a) Antes de la reacción
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Ejercicio de aplicación-3
pKa
+H3O+
H2OOH-
HClO
-1,7 7,52 15,74
H2O
ClO-
a) Después de la reacción HClO+OH- ClO- +H2O
Como los reactivos no estaban en relación estequiométrica y la reacción es completa, desaparece HClO (limitante), OH- sobrará y aparecerá más ClO-.
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Criterio de reaccionabilidad (VIII)En caso de que un donor o aceptor pueda reaccionar con
varios aceptores o donores, lo hace en primer lugar con el que se encuentra más alejado de él.
Ac- NH3
NH4+HAc
Cl-
H2O
OH
HCl H3O+
H2O
Ac- NH3
NH4+HAc
Cl-
H2O
OH
HCl H3O+
H2O
Reacción completa
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Criterio de reaccionabilidad (IX)
Si mezclamos, o se encuentran en presencia ácidos y bases, cuya posición relativa en el diagrama, sea diagonal, pero, el donor (ácido) está a la derecha del aceptor (base), se está produciendo un equilibrio, y la reacción la K serán las correspondientes a dicho equilibrio (siempre de K pequeña)
NH3
NH4+ H2O
OH
H3O+
H2O
La reacción: NH4++H2O <===>NH3 +H3O+ y K=Ka
21
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
1. DISOLUCION DE ACIDO FUERTE (I)Como ya hemos estudiado, la especie H3O+ es el ácido más fuerte que puede haber en disolución acuosa. En efecto, si se introduce un ácido más fuerte (p.ej.HCl) en una determinada concentración inicial Co, tendríamos:
A-
H2O
OH-
HA H3O+
H2O
Reacción com
pleta
pKa
sistema inestable en el que, como la concentración de agua será siempre muy superior a la de ácido fuerte introducido, se generará el sistema estable:
22
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
1. DISOLUCION DE ACIDO FUERTE(II)
A-
H2O
OH-
HA
H2O
pKa
Y como la reacción:
HA + H2O <===> H3O+ + A-
puede considerarse total, se cumplirá que [H3O+] = Coy por lo tanto el pH se obtiene de forma inmediata pH = -logCo
H3O+
Después de la reacción
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Ejercicio de aplicación-4
Calcular el pH y el grado de disociación de una disolución 0,5 M de HCl
1º)Haz un diagrama de reaccionabilidad
Cl-
H2O
OH-
HCl H3O+
H2O
Reacción com
pleta
pKa
2º)Escribe la reacción
HCl+ H2O ===> H3O+ + Cl-
24
Ejercicio de aplicación-4(cont)
3º)Haz un diagrama que represente la situación después de la reacción
Cl-
H2O
OH-
HCl H3O+
H2O
pKa
4º)Haz los cálculos para hallar el pH y el grado de disociación
HCl+ H2O ===> H3O+ + Cl-
C0 0,5 0 0 Cf 0 0,5 0,5
pH=-log0,5=0,3 (muy ácido) %1001
5,0
5,0
25
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
2. DISOLUCION DE BASE FUERTE(I)La especie OH- es la base más fuerte que puede haber en disolución acuosa. En efecto, si se introduce una base (B-) más fuerte que los iones OH-, en concentración inicial CB-, se generaría el sistema inestable:
H2O
OH-H2O
pKa
H3O+
B-
HBReacción com
pleta
26
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
2. DISOLUCION DE BASE FUERTE(II)y al igual que sucedía con los ácidos fuertes, como la concentración de agua será muy superior a la de la base introducida, se generará el sistema estable:
Como también la reacción: B- + H2O <===> HB + OH-
puede considerarse total, se cumplirá que [OH-] = CB-, o lo que es lo mismo, pOH = -logCB-
Teniendo además en cuenta que según el producto iónico del agua, pH =14-pOH
H2O
OH-H2O
pKa
B-
HBH3O+
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Ejercicio de aplicación-5
Calcular el pH y el grado de disociación de una disolución 0,5 M de NaOH
1º)Haz un diagrama de reaccionabilidad
2º)Escribe la reacciónNaOH+ H2O ===> Na+ + OH-+ H2O
Equivale aNaOH ===> Na+ + OH-
H2O
OH-H2O
pKa
Na +H3O+
NaOH
Reacción com
pleta
28
Ejercicio de aplicación-5(cont)
3º)Haz un diagrama que represente la situación después de la reacción
4º)Haz los cálculos para hallar el pH y el grado de disociación
H2O
OH-H2O
pKa
Na +H3O+
NaOH ===> Na+ + OH- C0 0,5 0 0 Cf 0 0,5 0,5
pOH=-log0,5=0,3 pH=14-0,3=13,7 (muy básico)
%)100(15,0
5,0
29
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
3. DISOLUCION DE ÁCIDO DÉBIL (I)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
Si la disolución contiene el ácido débil HA en concentración inicial C0, el sistema será estable:
HA
A-
Reacc
ión de K baja
el equilibrio es : HA+H2O<=====>H3O++A- y K=Ka, el problema se resolvería como se muestra en los ejemplos del libro de texto.
30
Ejercicio de aplicación-6
Reacc
ión de K baja
Calcular el pH y el grado de disociación de una disolución 0,5 M de ácido acético. (Ka=1,8.10-5)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
CH3-COOH
CH3-COO---
4,75
1º)Haz un diagrama de reaccionabilidad
2º)Escribe la reacción
CH3-COOH (ac)+H2O(l)<====>CH3-COO-(ac)+H30+(ac))
31
Ejercicio de aplicación-6 (cont.)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
CH3-COOH
CH3-COO-
4,75
3º)Haz un diagrama que represente la situación después de la reacción
4º)Haz los cálculos para hallar el pH y el grado de disociación
CH3-COOH(ac)+H2O(l)<====>CH3-COO-(ac)+H30+(ac)C0 0,5 0 0Ceq 0,5-x x xx= 0,003; pH=2,52 (no muy ácido); %)6,0(006,0
5,0
003,0
32
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
4. DISOLUCION DE BASE DÉBIL (I)
Si la disolución contiene la base débil B- en concentración Co, el sistema será estable
H3O+ HB H2O
___ _____________ ______________ ___>pKa
H2O B- OH-
Como en el caso del ácido débil, tenemos un donor (H2O) y un aceptor (B-) compatibles y no conjugados. por lo tanto el equilibrio sería : B- +H2O <===>HB +OH- y K=Kb=Kw /Ka, el problema se resolvería como se muestra en los ejemplos del libro de texto
Reacc
ión de K baja
33
Ejercicio de aplicación-7Calcular el pH y el grado de disociación de una disolución 0,5 M de amoniaco. (Ka=5,5.10-10)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
NH+4
NH3--
9,26
1º)Haz un diagrama de reaccionabilidad
2º)Escribe la reacción
NH3 (ac)+H2O(l)<====>NH4+(ac)+OH-(ac))
Reacc
ión de K baja
34
Ejercicio de aplicación-7(cont)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
NH+4
NH3--
9,26
3º)Haz un diagrama que represente la situación después de la reacción
4º)Haz los cálculos para hallar el pH y el grado de disociación
NH3 (ac)+H2O(l)<=============>NH4+(ac)+OH-(ac))
C0 0,5 0 0
Ceq 0,5-x x x
x=0,003; pOH=2,52 pH=11,48
%6,0100.5,0
003,0
35
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
5. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS-CONCEPTOSon aquellas que tienen la propiedad de que su pH “resiste” sin cambiar mucho frente a pequeñas adiciones de ácidos y bases Son siempre una disolución de ácido y base débiles conjugados Si la disolución contiene el ácido débil HA (acético, ión amonio) en concentración CHA y su base débil conjugada A- (acetato, amoniaco) en concentración CA-, el sistema será estable:
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HA
A-
36
* APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
5. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS-PH
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HA
A-
el equilibrio es : HA+H2O<=====>H3O++A- y K=Ka,
o también A- + H2O<=====> HA+ OH- y K=Kb
con estos equilibrios podemos hallar el pH de la disolución amortiguadora
37
Ejercicio de aplicación-8Calcular el pH de una disolución 0,2 M de amoniaco y 0,2 M de NH4Cl (Ka=5,5.10-10)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
NH+4
NH3--
9,26
1º)Haz un diagrama de reaccionabilidad
2º)Escribe una de las reacciones posibles
NH3 (ac)+H2O(l)<====>NH4+(ac)+OH-(ac))
Reacc
ión de
K baj
a
Reacció
n de K baja
Kb=1,8.10-5
NH4+(ac)+H2O(l)<====> NH3 ac)+H30+(ac)) Ka=5,5.10-10
Cl-
38
Ejercicio de aplicación-8 (cont)3º)Haz los cálculos para hallar el pH
NH3 (ac)+H2O(l)<=============>NH4+(ac)+OH-(ac))
C0 0,2 0,2 0
Ceq 0,2-x 0,2+x x Kb
x= 1,8.10-5;pOH=4,75;pH=9,26
NH4+(ac)+H2O(l)<=============> NH3 (ac)+H3O+(ac)
C0 0,2 0,2 0
Ceq 0,2-x 0,2+x x
x= 5,5.10-10; pH=9,26 Ka
Para concentraciones iguales de ácido y base
conjugadospH=pKa
39
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
5. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS(variación del pH al añadir un ácido)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HX
A-
Si a esta disolución le añadimos, por ejemplo, un ácido fuerte HX, tendríamos la siguiente situación:
HA
X-
Reacción completa
produciéndose la reacción completa entre el ácido HX y la base A-:
HX + A- ===> X- + HA
40
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
5. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS (variación del pH al añadir un ácido)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HX
A-
HA
X-
El diagrama después de la reacción muestra que la amortiguadora lo sigue siendo:
Y mientras CA- sea mayor que CHX, el sistema estable seguirá
teniendo como donor y aceptor más fuertes a HA y A-. Y el pH de la disolución será prácticamente igual que el de la disolución original.
41
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
5. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS (variación del pH al añadir una base)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
A-
HA Reacción completa
produciéndose la reacción OH- + HA <===> A
- + H2O
Idénticas consideraciones se pueden hacer en el caso de introducir en la disolución una base más fuerte que A
-,
mientras su concentración sea inferior a CHA.
B+
42
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA
5. DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS (variación del pH al añadir una base)
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
A-
HA
El diagrama después de la reacción muestra que la amortiguadora lo sigue siendo:
Y mientras CHA sea mayor que COH-, el sistema estable seguirá
teniendo como donor y aceptor más fuertes a HA y A-. Y el pH de la disolución será prácticamente igual que el de la disolución original.
B+
43
Ejercicio de aplicación-9
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3-
NH+4
Cl-
Reacción completa
Calcular en cuánto varía el pH de una disolución 0,2 M de amoniaco y 0,2 M de NH4Cl al añadirle 0,002 moles/l de HCl.
1º)Ya sabemos por el ejercicio 8, que el pH de la amortiguadora, antes de añadirle nada es 9,26. Haz ahora el diagrama de reaccionabilidad.
2º)Escribe la reacción:
HCl+NH3 =====> NH+4+ Cl-
44
Ejercicio de aplicación-92º) O mejor aún : es más real y nos facilita los cálculos al mostrar el H3O+
H3O+ +NH3 =====> NH+4+H2O
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3-
NH+4
Cl-
Reacción completa
45
Ejercicio de aplicación-9 (cont)3º) Haz los cálculos
H3O+ +NH3 ========> NH+4 + H2O
C0
0,002 0,2 0,2
Cf
0,198 0,202
K NH 4
+ H 3O NH 3
1Ka
15,5.10 10
1
5,5.10 10 0,202
.0,198
5,61.10 10 pH = 9,25
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3
NH+4
Cl-
El pH ap
enas
varía
Muy
peq
ueño
Pero
deb
e ca
lcul
arse
46
Ejercicio de aplicación-10Calcular en cuánto varía el pH de una disolución 0,2 M de amoniaco y 0,2 M de NH4Cl al añadirle 0,003 moles/l de NaOH
1º)Ya sabemos por el ejercicio 8, que el pH de la amortiguadora, antes de añadirle nada es 9,26. Haz ahora el diagrama de reaccionabilidad.
2º)Escribe la reacción:
NH+4 +OH- =====> NH3+ H2O
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
NH3-
NH+4 Na+
Reacción completa
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Ejercicio de aplicación-10 (cont)2º) Haz los cálculos
NH+4 +OH- =========> NH3+ H2O
C0
0,2 0,003 0,2
Cf
0,203
K NH3
OH NH 4
1
Kb
1
1,8.10 5
1
1,8.10 5
0,203
.0,197
1,85.10 5 pOH = 4,73; pH = 9,27
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3-
NH+4
Cl-
Na+
Muy
peq
ueño
Pero
deb
e ca
lcul
arse
El pH ap
enas
varía
48
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA-PROPIEDADES ACIDAS Y BASICAS DE LAS SALES-
6. DISOLUCIÓN DE UNA SAL DE ACIDO FUERTE Y BASE DÉBIL (NH4Cl)
Sal soluble : NH4Cl (s)------>NH4 + + Cl-
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3
NH+4
Cl-
El sistema está en equilibrio según NH4 ++ H2O<===>H3O++NH3
Se justifica que el pH sea ácidoLa K para los cálculos es Ka
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3
NH+4
Cl-
Por tradición se dice que el NH4 + “sufre la hidrólisis”
49
Ejercicio de aplicación-11Predice y calcula el pH de una disolución 0,5 M de NH4Cl.Ka=5,5.10-10
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3
NH+4
Cl-
1º) Haz el diagrama de reaccionabilidad y escribe la reacción
NH4 ++ H2O<===>H3O++NH3
50
Ejercicio de aplicación-11(cont)2º) Haz los cálculos
NH4 ++ H2O<=======>H3O++NH3
C0 0,5 0 0Ceq 0,5-x x x
K H 3O NH 3
NH 4+
5,5.10 10 x 2
0,5 x
x 2
0,5
x 1,65.10 5 M
pH 4,78
H2O
OH-
H3O+
H2O
pKa
HCl
NH3
NH+4
Cl-
51
H2O
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA-PROPIEDADES ACIDAS Y BASICAS DE LAS SALES-
7. DISOLUCIÓN DE UNA SAL DE ACIDO DÉBIL Y BASE FUERTE (NaAc)
+
H2O OH--
H3O+ Na+HAc
Ac-
Sal soluble : NaAc ------>Na+ + Ac-
El sistema está en equilibrio, según : Ac-+ H2O<= ==>HAc +OH- Se justifica que el pH se a básico
La K para los cálculos es Kb =KW /Ka
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Ejercicio de aplicación-12Predice y calcula el pH de una disolución 0,3 M de Acetato de sodio Ka=1,8.10-5
1º) Haz el diagrama de reaccionabilidad y escribe la reacción
2º) Haz los cálculos
H2O +
H2O OH--
H3O+ Na+HAc
Ac- Ac -+ H2O<=======>OH-+HAcC0 0,3 0 0Ceq 0,3-x x x
K OH HAc
Ac - 5,5.10 10
x 2
0,3 x
x 2
0,3
x 1,28.10 5 M
pOH 4,89; pH 9,10
53
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA-PROPIEDADES ACIDAS Y BASICAS DE LAS SALES-
8. DISOLUCIÓN DE UNA SAL DE ACIDO FUERTE Y BASE FUERTE (NaCl)
Sal soluble : Na Cl------>Na+ + Cl
-
H2O +
H2O OH--
H3O+ Na+
Cl-
No hay reacción Se justifica que el pH sea neu tro
54
Ejercicio de aplicación-13Predice y calcula el pH de una disolución 0,3 M de Cloruro de sodio .
1º) Haz el diagrama de reaccionabilidad y escribe la reacción
2º) Haz los cálculos
H2O +
H2O OH--
H3O+ Na+
Cl-
Cl- es una base neutra y Na+ es un ácido neutropH=7
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NH+4 H2O
•APLICACIONES DE ESTA METODOLOGIA-PROPIEDADES ACIDAS Y BASICAS DE LAS SALES-
7. DISOLUCIÓN DE UNA SAL DE ÁCIDO DÉBIL Y BASE DÉBIL (NH4 Ac)
+
H2O
H3O+ HAc
Ac-
Sal soluble : NH4Ac------>NH4 + + Ac-
OH--NH3
Se producen dos equilibrios , según : Ac
-+ H2O<===>HAc +OH
-
La K para los cálculos es Kb del sistema NH4
++ H2O<===>H3O
+ +NH3 La K para los cálculos es Ka del sistema Si, casualmente Kb=Ka, como es el caso de este ejemplo, los dos equilibrios se dan en la misma extensión y el pH es neutro, pero, si Kb> Ka el pH sería básico, o si Kb< Ka, el pH sería ácido
56
APLICACIONES DE ESTA METODOLOGÍAVALORACIONES ACIDO-BASE-
10. VALORACIÓN DE UN ÁCIDO FUERTE CON UNA BASE FUERTE (O VICEVERSA)
Como hemos visto en los puntos 1 y 2 de estos apuntes, cualquier ácido fuerte en disolución acuosa, equivale a la misma concentración de H3O+, y cualquier base fuerte a OH-.
Por lo que la situación , cuando queremos valorar por ejemplo, HCl con NaOH, sería equivalente a:
Y la reacción de neutralización : H3O++OH- 2H2O, reacción completa, y cuya
K=1/1,8.10-16 =5,5.1015 lo justifica
pKa
+
H2O OH--
H2O
Cl-
H3O+
Na+
57
Cuando en la disolución haya tantos moles de ácido (H3O+) como de base (OH-), ya que la estequiometría de la reacción es 1:1 estaremos en el punto de equivalencia, habrá terminado la valoración, y el pH,en este caso, evidentemente será 7.
En el caso de que el ácido o la base (o ambos) sean polipróticos, naturalmente la estequiometría de la reacción de neutralización cambiará y el pH=7 se alcanzará cuando el nº de moles de ácido y de base están en la proporción estequiométrica correspondiente. Por ejemplo: se está valorando H2SO4 con NaOH La reacción molecular sería: H2SO4 +2 NaOH----->Na2SO4+2H2O (2:1)
APLICACIONES DE ESTA METODOLOGÍAVALORACIONES ACIDO-BASE-
10. VALORACIÓN DE UN ÁCIDO FUERTE CON UNA BASE FUERTE (O VICEVERSA)
58
APLICACIONES DE ESTA METODOLOGÍAVALORACIONES ACIDO-BASE-
10. VALORACIÓN DE UN ÁCIDO FUERTE CON UNABASE FUERTE (O VICEVERSA)-POLIPROTICOS
Y según nuestro criterio de reaccionabilidad
H2SO4 +OH------>HSO4-+H2O (I)
HSO4- +OH------>SO42-+H2O (II)
SO42-
HSO4-H3O+
H2O
H2O
OH-
H2SO4
HSO4-
pKa
SO42-
HSO4-H3O+
H2O
H2O
OH-
H2SO4
HSO4-
pKa
59
Al sumar (I) y (II) H2SO4 +2OH------>SO42- +2H2O y el sistema qued a estable
SO42-
HSO4-H3O+
H2O
H2O
OH-
H2SO4
HSO4-
pKa
APLICACIONES DE ESTA METODOLOGÍAVALORACIONES ACIDO-BASE-
10. VALORACIÓN DE UN ÁCIDO FUERTE CON UNABASE FUERTE (O VICEVERSA)- POLIPROTICOS
60
Se están valorando 25 ml. de disolución 0,1 M de HCl con una disolución de NaOH O,1 M, Hallar el pH de la disolución resultante: A) Cuando se han añadido 5 ml de NaOH, B) Cuando se han añadido 25 ml de NaOH C) Cuando se han añadido 25,5 ml de NaOH
Ejercicio de aplicación-14
Inicialmente pH=-log 0,1=1
Trataremos la reacción como completa, ya que K es del orden de 1015
61
A) Cuando se han añadido 5 ml de NaOH
Ejercicio de aplicación-14 (cont)
+
H2O OH--
H2O
Cl-
H3O+ Na+
H3O
+ + OH- H2O H3O
+ OH- n.i 2,5.10-3 0,5.10-3 n.r -0,5.10-3 -0,5.10-3 n-f 2,0.10-3 . c.f 2,0.10-3/3.10-2 /3.10-2 pH=1,17 El pH apenas varía
Muy pequeño
Pero debe calcularse
62
B) Cuando se han añadido 25 ml de NaOH,
Ejercicio de aplicación-14 (cont)
H3O
+ + OH- H2O H3O
+ OH- n.i 2,5.10-3 2,5.10-3 n.r -2,5.10-3(casi) -2,5.10-3(casi) n-f . c.f 10-7 10-7 pH=7
Iguales como en el agua
Punto de equivalencia
Es el punto de equivalencia Los moles de
ácido y de base están en relaciónestequiométrica
63
C) Cuando se han añadido 25,5 ml de NaOH,
Ejercicio de aplicación-14 (cont)
H3O
+ + OH- H2O H3O
+ OH-
n.i 2,5.10-3 2,5510-3 n.r -2,5.10-3 -2,5.10-3 n-f 10-3 c.f 10-2 10-310-2 pOH=3 pH=11
El pH varía bruscamente después delpunto de equivalencia
64
APLICACIONES DE ESTA METODOLOGÍAVALORACIONES ACIDO-BASE-
11.Valoración de un acido débil con una base fuerte La situación, cuando queremos valorar por ejemplo, ác. acético con NaOH, sería
+
H2O OH--
H2OH3O+ Na+HAc
Ac-
Y la reacción de neutralización : AcH+OH- H2O+Ac-, reacción completa,
y cuya K=1/Kb=1/5,5,10-10
= 1,8 109 lo justifica
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Ejercicio de aplicación-15Se están valorando 25 ml. de disolución 0,1 M de ác. acético con una disolución de NaOH O,1 M, Hallar el pH de la disolución resultante: A) Cuando se han añadido 5 ml de NaOH B) Cuando se han añadido 25 ml de NaOH C) Cuando se han añadido 25,5 ml de NaOH, Se tienen 2,5 10-3 moles de ác. acético inicialmente, (calculando con Ka=1,8.10-5, ver punto 2 de estos apuntes) (H3O+)=0,00134M .pH=2,8 (inicial)
+
H2O OH--
H2OH3O+ Na+HAc
Ac-
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Ejercicio de aplicación-15(cont) A) Cuando se han añadido 5 ml de NaOH
AcH + OH- H2O+Ac- AcH OH- Ac- n.i 2,5.10-3 0,5.10-3 0 n.r -0,5.10-3 -0,5.10-3 0,5.10-3 n-f 2,0.10-3 . 0,5.10-3 c.f 2,0.10-3/3.10-2 /3.10-2 0,5.10-3/3.10-2 K=1/Kb=1/5,5.10-10 pOH=9,86 pH=4,13
Se genera una disolución amortiguadora, que hace que varíe suavemente el pH
Muy pequeño
Pero debe calcularse
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Ejercicio de aplicación-15(cont)B) Cuando se han añadido 25 ml de NaOH
AcH + OH- H2O+Ac- AcH OH- Ac- n.i 2,5.10-3 2,5.10-3 o n.r -2,5.10-3 -2,5.10-3 2,5.10-3 n-f . 2,5.10-3 c.f /5.10-2 /5.10-2 2,5.10-3/5.10-2 K=1/Kb=1/5,5.10-10 pOH=5,28 pH=8,72 en el punto de equivalencia
Es el punto de equivalencia Los moles de
Acido y de base están en relaciónestequiométrica
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Ejercicio de aplicación-13(cont)C) Cuando se han añadido 25,5 ml de NaOH
Puesto que la situación después del punto de equivalencia es
+
H2O OH--
H2OH3O+ Na+HAc
Ac-
Se calculan Los OH - en exceso (OH-)=5.10-4/5,5.10-2=0,009 M pOH=2,04 pH=11,96
El pH varía bruscamente después delpunto de equivalencia