REACCIONES CIDO - BASE EN SOLUCIN ACUOSA

PH

Tcnicamente se define como el logaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno. Significa el potencial de los iones hidrgeno (potencia o exponente del hidrgeno) en una solucin acuosa. La escala de pH permite clasificar a las diferentes sustancias segn su carcter o tendencia cida. Se distinguen tres secciones dentro de la escala. Los valores bajo 7 son para aquellas sustancias de naturaleza cida. Sobre 7, la naturaleza es alcalina o bsica. El valor exacto es para las sustancias de carcter neutro. La escala de pOH es una referencia de la anterior, as que informa lo mismo que la escala de pH. La medicin del pOH se hace prescindible para aquellas bases de Arrhenius (hidrxidos), que al no presentar iones hidrogeninicos no presentan ubicacin dentro de la escala de pH.

CURSO: QUMICA MENCIN

MATERIAL N 26

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REACCIONES ACIDO-BASE EN SOLUCIN ACUOSA Propiedades de cidos y Bases Robert Boyle, H. Davy, J. Liebig y otros han establecido algunas propiedades para los cidos y bases que se pueden resumir de la siguiente manera: UN CIDO es una sustancia que contiene hidrgeno y que en solucin acuosa

a) tiene sabor agrio. b) enrojece algunos colorantes vegetales como el tornasol azul. c) reacciona con algunos metales desprendiendo H2 d) se comporta como electrolito. UNA BASE es una sustancia que en solucin acuosa a) tiene sabor amargo. b) al tacto es resbaladizo. c) vuelve azul algunos colorantes vegetales como el tornasol rojo. d) reacciona con un cido en forma tal que ambos destruyen sus propiedades (se neutralizan). e) se comporta como electrolito. Definiciones de cidos y Bases 1. La teora clsica de Arrhenius. Las primitivas teoras sobre ionizacin, expresadas ms apropiadamente por Svante Arrhenius,

definen un cido como una sustancia que proporciona iones hidrgeno H+ (ac.), en el agua y una base como una sustancia que proporciona iones hidroxilo, OH- (ac.), en agua.

Ejemplos: HCl H+ (ac) + Cl- (ac) cido NaOH Na+ (ac) + OH- (ac) base La principal desventaja de la definicin de Arrhenius, es la limitacin conceptual de los cidos

y las bases a soluciones acuosas. Es deseable definir los cidos y las bases de tal forma que puedan tratarse fenmenos similares de forma anloga prescindiendo del disolvente.

2. La Teora de Lowry-Brnsted.

J. N. Brnsted en Dinamarca e independiente T. M. Lowry en Inglaterra, propusieron un concepto ms general. Un cido es una sustancia que puede, en condiciones apropiadas, donar un protn, H+, y una base es una sustancia que puede aceptar un protn, H+.

Ejemplos: HCl + NH3

+4NH + Cl

-

cido base HCl + H2O H3O

+ + Cl- cido base

3

El ion cloruro, Cl-, producido en la reaccin, se denomina base conjugada del cido clorhdrico, HCl.

El ion hidrnio, H3O+ es el cido conjugado de la molcula de agua; el ion amonio, +4NH es el

cido conjugado de la molcula de amonaco, NH3.

cido y base conjugada o base y cido conjugado son los miembros de un par cido-base (o par conjugado), los cuales se relacionan mutuamente por ganancia o prdida de un protn.

Ejemplo: HCl / Cl- y NH3 / +4NH son pares cido-base, o pares conjugados.

El concepto de Lowry-Brnsted es funcional pues de acuerdo con l, las sustancias son cidos o bases, segn donen o acepten protones en una determinada reaccin. Sin embargo, es evidente que algunas sustancias tienen ms tendencia a donar protones que otras, es decir, son cidos ms fuertes, y algunas sustancias tienen ms tendencia a aceptar protones que otras, es decir, son bases ms fuertes.

3. La Teora de Lewis.

Gilbert N. Lewis, uno de los fsico-qumicos ms prominentes de los comienzos del siglo XX, fue el primero en definir cidos y bases dirigiendo la atencin sobre la idea de que las bases donan pares de electrones que comparten con los protones donados por los cidos. As, un cido puede definirse como una sustancia que acepta pares de electrones; una base, como una sustancia que tiene pares de electrones disponibles.

Ejemplos:

La teora de Lewis cumple la valiosa funcin de relacionar fenmenos qumicos aparentemente diversos, demostrando que son fundamentalmente semejantes en causa y resultado. A menudo se aplica sta como una teora generalizada de reacciones, en las cuales las reacciones cido-base de protones constituyen un caso especial. La mayora de los qumicos orgnicos encuentran que, tanto el concepto de Lowry-Brnsted como el de Lewis, son tiles separadamente. Debera comprenderse que una base de Lewis tambin es una base de Lowry-Brnsted. Sin embargo, las especies con dficit de electrones, como el trifloruro de boro, BF3, cloruro de Aluminio, AlCl3 y cloruro de cinc, ZnCl2, son llamadas cidos de Lewis para distinguirlas de los cidos donadores de protones de Lowry-Brnsted.

F . .

: : . .

: B

. .

: . .

F

F

+

F . .

: : . .

: B

. .

: : . .

F

F

H

. .

: H . .

: . .

N

H

. .

H

: H . .

. .

N

H

. .

. .

. .

. .

: :

4

Reconocimiento de cidos Bases en reacciones. (segn Lowry-Brnsted) Recordemos que segn Lowry-Brnsted, un cido es una sustancia que dona protones y una base es una sustancia que capta protones.

HCl + H2O H3O+ + Cl-

cido 1 base 2 cido base conjugado 2 conjugada 1 Aqu, el ion Cl- es la base conjugada del cido HCl, y el in H3O

+ es el cido conjugado de la base H2O. Ejemplos:

+4NH + H2O NH3 + H3O+

cido 1 base 2 base cido conjugada 1 conjugado 2

HCl + NH3 Cl- + NH4

+ cido 1 base 2 base cido conjugada 1 conjugado 2

CH3COOH + H2O CH3 COO

- + H3O+

cido 1 base 2 base cido conjugada 1 conjugado 2 CH3COOH + NH3 CH3 COO

- + +4NH cido 1 base 2 base cido conjugada 1 conjugado 2 Algunas sustancias pueden actuar como cido o bases, segn las circunstancias. Tales sustancias se denominan ANFOLITOS (anfteras y ambiprticas). Por ejemplo, el agua acta como base en:

HNO3 + H2O NO

3 + H3O+

base Aqu, el H3O

+ es el cido conjugado del agua (cuando acta como base). El agua acta como cido en

NH3 + H2O +4HN + OH

-

cido Aqu, el ion OH- es la base conjugada del agua (cuando acta como cido). Tambin se puede observar el comportamiento del agua como anflito en:

H2O + H2O H3O+ + OH-

cido 1 base 2 cido base conjugado 2 conjugada 1

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Fuerza de cidos y Bases: Si un cido tiene mayor tendencia a donar protones que otro, se dice que es un cido ms fuerte, y si una base tiene mayor tendencia a aceptar protones que otra, se dice que es una base ms fuerte. Recordemos que tanto los cidos como las bases se caracterizan por ser electrolitos, esto es, que en soluciones acuosas estn disociadas en iones en mayor o menor grado. Electrolitos fuertes son aquellos que estn completamente o casi completamente disociados; electrolitos dbiles son aquellos que estn disociados slo parcialmente. En consecuencia, podra construirse una escala de acidez y basidad, en la cual las fuerzas de los cidos y las fuerzas de las bases vendran expresadas en trminos de las capacidades relativas de los compuestos, para donar o aceptar protones. La acidez puede describirse en trminos de la fuerza de una sustancia como electrolito en un solvente determinado (en nuestro caso agua). Anlogamente, la basicidad puede describirse en trminos de la fuerza de una sustancia como electrolito en un solvente determinado (en nuestro caso agua). Las siguientes tablas servirn para efectuar la distincin entre cidos y bases fuertes o dbiles. TABLA 1

ELECTROLITOS FUERTES ELECTROLITOS DBILES

CIDOS: Los cidos inorgnicos HNO3

HClO4, H2SO4* , HCl, HI,

HBr , HClO3, HBrO3

BASES: Hidrxidos alcalinos y alcalinotrreos, lo mismo que algunos hidrxidos de los metales pesados.

CIDOS: (a) muchos cidos inorgnicos como: H2CO3, H3BO3 , H3PO4, H2S, H2SO3, etc. (b) la mayora de los cidos-orgnicos. BASES: El amonaco (NH3) y la

mayora de las bases orgnicas.

* El H2SO4 est completamente disociado en iones -4HSO y H

+, y por esta razn llamado un

electrolito fuerte (cido fuerte). Sin embargo, debe notarse que el ion -4HSO es un

electrolito dbil (cido dbil), que slo est parcialmente disociado.

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TABLA 2 Fuerza de cidos y de sus bases conjugados.

CIDO

FUERZA

RELATIVA DEL CIDO

BASE

CONJUGADA

FUERZA RELATIVA DE LA

BASE CONJUGADA

HClO4 Muy Fuerte ClO4- Muy Dbil

HBr Br-

HCl Cl-

HNO3 NO3-

H2SO4 HSO4-

HSO4- SO4

-2

H3PO4 H2 PO4-

HAc Ac-

H2CO3 HCO3-

H2S HS-

H2PO4- HPO4

-2

HCN CN-

NH4+ NH3

HPO4-2 PO4

-3

HS- S-2

H2O Muy Dbil OH- Muy Fuerte

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TABLA 3. Constantes de disociacin para los cidos.

NOMBRE CIDO

FRMULA

CONSTANTE DE DISOCIACIN A 25C K1 K2 K3

Perclrico HClO4 fuerte

Bromhdrico HBr fuerte

Clorhdrico HCl fuerte

Ntrico HNO3 fuerte

Sulfrico H2SO4 fuerte 1,3 10-2

Iodhdrico HI fuerte

Clrico HClO3 fuerte

Brmico HBrO3 fuerte

Idico HIO3 1,6 10-1

Sulfuroso H2SO3 1,7 10-2 6,2 10-8

Cloroso HClO2 1,1 10-2

Ortofosforoso H3PO3 1,0 10-2 2,6 10-7

Ortofosfrico H3PO4 7,5 10-3 6,2 10-8 4,8 10-13

Fluorhdrico HF 7,2 10-4

Nitroso HNO2 5,1 10-4

Selenhdrico H2Se 1,9 10-4 1,0 10-14

Cinico HCNO 1,2 10-4

Actico CH3COOH 1,8 10-5

Carbnico H2CO3 4,6 10-7 4,4 10-11

Sulfhdrico H2S 5,7 10-8 1,2 10-15

Hipocloroso HClO 3,0 10-8

Cianhdrico HCN 2,1 10-9

Hipobromoso HBrO 2,1 10-9

Ion Amonio NH4+ 5,6 10-10

Perxido de

hidrgeno

H2O2 2,7 10-10

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Medidas de Acidez (pH) Una gran concentracin de H+ determina que una solucin sea cido, y una gran concentracin

de OH- determina que una solucin sea bsica. Ahora si la concentracin de H+ y la de OH- son iguales, entonces la solucin no es cida, ni bsica, es una solucin NEUTRA.

o sea:

[H+] > [ OH- ] solucin cida

[H+] = [ OH- ] solucin neutra

[H+] < [ OH- ] solucin bsica Para relacionar ahora las concentraciones de H+ y OH- en solucin, es necesario conocer la

siguiente reaccin

H2O H+ + OH- KW = 1 10

-14

que representa la disociacin del agua.

La expresin de la constante de equilibrio del agua (KW) es

KW = [ H+ ] [ OH- ] = 10-14

Por lo tanto, sea una solucin cida, bsica o neutra siempre se debe cumplir que:

[ H+ ] [ OH- ] = 10-14

Ejemplo 1:

Si [ H+ ] = 10-3 M, eso implica que +Kw-OH =[H ]

= 3-

14-

1010

Por lo tanto [ OH- ] = 10-11 M comparando [ H+ ] = 10-3 M con [ OH- ] = 10-11M se puede concluir que se trata de una

solucin cida, ya que, [ H+ ] > [ OH- ]

Ejemplo 2: Si [ H+ ] = 10-9 M, implica que [ OH- ] = 10-5 como [ H+ ] < [ OH- ], se trata de una solucin bsica.

Ejemplo 3: Si [ H+ ] = 10-7 M, implica que [ OH- ] = 10-7 M como [ H+ ] = [ OH- ] es una solucin neutra.

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POH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 [OH-] 10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10- 9 10- 8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1

[H+] 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 PH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4 3 2 1 0

[ H+ ] > [ OH- ] [ H+ ] = [ OH- ] [ H+ ] < [ OH- ] pH < pOH pH = pOH pH > pOH Definicin de pH: El pH se suele definir como el logaritmo negativo de la concentracin de ion hidrgeno. pH = -log [H+] Ejemplo 1: Si [H+] = 10-3 M (solucin cida) pH = -log 10-3 pH = 3 log 10 (como log 10 = 1) pH = 3 Ejemplo 2: Si [H+] = 10-9 (solucin bsica) pH = -log 10-9 pH = 9 log 10 pH = 9 Ejemplo 3: Si [H+] = 10-7 M (solucin neutra) pH = -log 10-7 pH = 7 log 10 pH = 7

ACIDO NEUTRO BASICO

10

Esquematizando tenemos: pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [H+] 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

ACIDO BASICO

NEUTRO Clculos de pH de Acidos y Bases fuertes: Cmo un cido o base fuerte es un electrolito que est disociado 100% (o casi 100%) podemos deducir la concentracin de H+ o de OH-, conociendo la concentracin del cido o base fuerte. Ejemplo 1: Calcular el pH de una solucin acuosa de HNO3 (cido fuerte) 0,1 M. La disociacin para HNO3 es: HNO3 H

+ + -3NO 0,1 M 0,1 M Como esta ocurre 100% los 0,1 M formarn 0,1 M de, H+ y 0,1 M de -3NO

Como [H+] = 0,1 M = 10-1 M pH = -log 10-1 pH = 1 (solucin bastante cida) Ejemplo 2: Calcular el pH de una solucin acuosa de NaOH (base fuerte) 10-3 M

Disociacin: NaOH Na+ + OH- como [OH-] = 10-3 M, se puede deducir que [H+] = 10-11 M, ya que [H+] [OH-] = 10-14 Por tanto: pH = -log [H+] pH = 11 (solucin bsica)

10-3 M 10-3 M

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Ejemplo 3: Calcular el pH de una solucin acuosa de: Ba (OH)2 (base fuerte) 10

-3 M. Disociacin: Ba (OH)2 Ba

+2 + 2 OH- 10-3 M 2 10-3 M como [OH-] = 2 10-3 se puede calcular [H+] [H+] = KW = 10-14 = 5 10-12 M [OH-] 2 10-3 Por lo tanto, pH = -log [H+] pH = -log 5 10-12 pH = 11,3 (solucin bsica) Reacciones de neutralizacin: (cido fuerte con base fuerte) Al mezclar un cido fuerte con una base fuerte, estos reaccionan en forma tal que ambos

destruyen sus propiedades. La neutralizacin entre un cido y base fuerte se considera como la combinacin de H+

(suministrado por el cido) y el OH- (suministrado por la base) para formar agua. Ejemplo: HCl + NaOH NaCl + H2O

o bien H+ + OH- H2O (Ecuacin Neta) Si el nmero de moles de H+ entregados por el cido es igual al nmero de moles OH-

entregados por la base, se trata de una neutralizacin total que dar como pH final 7.

Ejemplo Segn la ecuacin: HNO3 + KOH KNO3 + H2O para neutralizar totalmente 500 ml de una solucin acuosa de HNO3 2 M.

Qu volumen de solucin acuosa de KOH 4 M habr que agregar?

Desarrollo: En la solucin del cido hay el siguiente nmero de moles de H+:

N de moles de H+ = M V( ) = 2 moles

0,5

N de moles de H+ = 1 mol Por lo tanto, si queremos neutralizar totalmente el cido, debemos agregar igual cantidad de moles de OH-

12

N de moles de OH- = N de moles de H+ (para neutralizacin total) As que, el volumen de solucin de la base KOH 4 M a agregar ser:

MOHdemolesdeN

v

=

ml2500,25moles/4

OHdemolesdeNv ===

Ejercicios propuestos: 1. Segn la ecuacin : HCl + KOH KCl + H2O para neutralizar totalmente a 100 ml de una solucin acuosa de KOH 10-2 M Qu volumen de solucin acuosa de HCl 10-3 M habr que agregar? 2. Segn : H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2 H2O para neutralizar totalmente a 200 ml de solucin acuosa de H2SO4 2 M Qu volumen de una solucin acuosa de NaOH 2 M habr que aadir? Respuestas : 1. 1000 ml 2. 400 ml

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EJERCICIOS AVANZADOS

1. Cul es el porcentaje de disociacin del cido frmico 0,01 M en solucin acuosa? (Ka HCOOH = 1,8 10-4) R.: 13,4% disociacin 2. Qu concentracin debe tener una solucin de HNO2 para que su pH sea 2,5? (Ka HNO2 = 4 10

-4) R.: 2,5 10-2 M 3. Si un litro de solucin contiene 0,1 mol de CH3COOH y 0,1 mol de CH3COONa (Ka = 1,8 10

-5)

a) calcular el pH de la solucin tampn (solucin Buffer) b) calcular el pH resultante despus de aadir 0,01 mol de HCl a la solucin buffer inicial c) calcular el pH resultante despus de aadir 0,01 mol de NaOH a la solucin buffer inicial d) si se agrega 0,01 mol de HCl a 1 litro de agua destilada Cul sera el pH final? e) si se agrega 0,01 mol de NaOH a 1 litro de agua destilada Cul sera el pH final? en cunto vara el pH?

R.: a) 4,74 b) 4,66 c) 4,83 d) 2, vara en 5 unidades e) 12, vara en 5 unidades 4. Cuntos gramos de acetato de sodio (CH3COONa) deben disolverse en un litro de cido actico 0,1

M para que la solucin resultante tenga pH 5,0 (Ka CH3COOH = 1,8 10-5)

R.: 14,76 g.

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5. Calcular el pH de las siguientes soluciones a) NH3 0,05 M b) mezcla de iguales volmenes de Na2CO3 0,1 M y NaHCO3 0,05 M c) H3PO4 0,1 M d) mezcla de iguales volmenes de KCN 0,1 M y HCN 0,05 M e) mezcla de NaH2PO4 0,2 M y Na2HPO4 0,1 M en iguales volmenes f) 20 g de HCOONa que se disuelven en 200 ml de HCOOH 0,5 M (Ka = 1,8 10-4)

NOTA: Utilizar las constantes de acidez de la tabla 3 Pag. 8

R.: a) 10,98 b) 10,55 c) 1,56 d) 9,44 e) 6,9 f) 4,2 6. El cido benzoico (C6H5COOH) 0,1 M se halla disociado en un 2,5%. Calcular: a) la constante de acidez b) el pH de una solucin 0,02 M de cido benzoico c) el % de disociacin del cido benzoico 0,01 M d) el pH de una solucin obtenida al disolver 5 g. de benzoato de sodio en 200 ml de agua R.: a) 6,25 10-5 b) 2,95 c) 7,9% d) 8,7 7. Hallar la concentracin en H+ en una solucin obtenida al disolver 0,1 mol de HCN en agua

hasta obtener 1 litro de solucin (Ka HCN = 7,2 10-10) R.: 8,5 10-6

8. Cul es el pH de una solucin 0,1 M de acetato de sodio? (Ka CH3COOH = 1,8 10

-5) R.: 8,87

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TEST EVALUACIN-MDULO 26 1. De las siguientes sustancias, pueden comportarse como anfolitos I) agua II) HCO3

- III) HCl A) slo I B) slo II C) slo III D) I y II E) I, II y III 2. Respecto de un cido dbil en solucin acuosa, cuya molaridad es 10-2, se puede asegurar que A) su pH es menor que 2 B) su [H+] es menor que 10-2 C) su [OH-] es menor que 10-12 D) su pOH es mayor que 12 E) su pH es 2 3. Qu volumen de NaOH 3M se debe utilizar para neutralizar completamente a 150 ml de una

solucin acuosa de H2SO4 2 M?

A) 100 ml B) 150 ml C) 200 ml D) 225 ml E) 300 ml

4. Se tienen dos frascos A y B, cuyos contenidos se detallan a continuacin

CONTENIDO FRASCO Sustancia Molaridad

A HCl 0,1 B NaOH 0,1

De la informacin entregada solamente, se puede concluir que I) el pH del frasco A es igual al pOH del frasco B II) la concentracin de H+ del frasco A es igual a la concentracin de OH- del frasco B III) [H+] [OH-] = 10-14 A) Slo I B) Solo III C) I y II D) II y III E) I, II y III

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5. Respecto de las tres teoras cido base, el amoniaco (NH3) al reaccionar con H+, acta como

I) una base de Arrhenius II) una base de Lowry & Bronsted II) una base de Lewis A) slo I B) slo II C) I y II D) II y III E) I, II y III 6. Dadas las siguientes reacciones

H2CO3 HCO3- + H+

HCO3- H+ + CO3

2- Y sabiendo adems que el H2CO3 es un cido dbil mas fuerte que el cido dbil HCO3

-, entonces la conclusin errnea que se puede obtener de la informacin entregada es

A) el in bicarbonato (HCO3

-) es un cido ms dbil que el cido carbnico (H2CO3) B) el in carbonato (CO3

2-) es la base conjugada menos dbil C) el H+ es una base conjugada D) ambas ecuaciones son predominantemente moleculares E) el in carbonato (CO3

2-) hidroliza 7. Del siguiente listado de sustancias,

SUSTANCIA Ph cido de batera de automvil 1,5 Caf 5,0 Saliva 6,5 7,5 Agua de mar 8,4 Soda custica 11 - 12

La afirmacin errnea es A) el cido para batera es un cido fuerte B) el caf es dbilmente cido C) la saliva es ms cida que el agua de mar D) la soda custica es un electrolito mas fuerte que el cido para batera E) el agua de mar es ms bsica que el caf 8. Se tiene una solucin acuosa de HCl 0,001 M, slo con esta informacin se deduce que A) pH + pOH = 14 B) el pH de la solucin es 3 C) la [H+] es directamente proporcional al pH D) si el pH aumenta, tambin aumenta la concentracin de OH- E) si la concentracin de H+ disminuye, tambin disminuye el pOH

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9. La base conjugada del cido HCO3- es

A) H2CO3 B) HCO3 C) CO3

2- D) CO2 E) H+ 10. Se tiene un colorante vegetal que cambia de color dependiendo slo de la fuerza del cido con

la que se le ponga en contacto, segn las especificaciones de la siguiente tabla Segn estas especificaciones, si a un cido dbil (el colorante esta gris) se le agrega una base

fuerte, el colorante vegetal que cambia de color slo por la presencia del cido se tornara de color

A) transparente B) blanco C) gris D) negro E) azul 11. Dependiendo de las condiciones en las que se mezcle un cido fuerte con una base dbil,

puede ser una reaccin muy peligrosa, ya que el cido podra salpicar sbitamente a quien realice la reaccin con nefastas consecuencias, por lo tanto la forma correcta de realizarla es

A) agregar sobre el cido fuerte la base dbil B) diluir con agua la base dbil y agregar esta solucin sobre el cido fuerte

C) primero poner agua sobre el cido fuerte para diluir y luego agregar sobre esta solucin la base dbil

D) primero poner agua sobre el cido fuerte para diluir y luego esta solucin agregarla sobre la base dbil

E) agregar sobre la base dbil el cido fuerte

DSIQM26

(1) (2) (4) Negro Gris Blanco cido fuerte cido dbil cido muy dbil

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