1 1.RESUMEN Enlaprcticadelaboratoriosereportalaevaluacindeunsistemasalino dbil por medio de las propiedades de hidrlisis, para este caso, se analizaron lasdilucionesdelassolucionesdeClorurodeAmonio(NH4Cl)yAcetatode Sodio(CH3COONa),yasuvezseevaludeerrordelosvalores experimentales y tericos.

SeobtuvoelpHparacadadilucinpormediodedatostericos,utilizando ecuacionesmatemticasyelmtodogrficodeldiagramadeSillen.Estos valoresserelacionaronconlosvaloresobtenidosexperimentalmenteenel Laboratorio,paracadadilucin.Seobtuvoqueamedidaqueavanzabanlas dilucioneselpHdisminuaparaelcasodelAcetatodeSodio(CH3COONa)y aumenta para el Cloruro de Amonio (NH4Cl) hasta llegar a la neutralidad, Los datos obtenidos se obtuvieron en las siguientes condiciones de trabajo: 22C y una presin atmosfrica de 0.84 atm.

2 3 2.OBJETIVOS General Evaluar un sistema salino dbil por medio de las propiedades de Hidrlisis. Especficos 1.Definir Hidrlisis y observar su comportamiento en un sistema salino dbil. 2.Evaluar un sistema qumico salino dbil, por medio del Diagrama de Sillen. 3.DeterminarlosvalorestericosdepHdecadaunadelassoluciones preparadas a partir de las diferentes diluciones. 4.Evaluarelporcentajedeerrorutilizandolosvaloresexperimentalesylos tericos de pH para las distintas diluciones. 4 5 3.MARCO TERICO 1. cidos y Bases En el estudio de las sustancias en estado acuoso, llamados cidos o bases, de acuerdo a sus comportamientos dentro del agua. Segn la Teora cido-base de Brnsted/Lowry, un cido es una substancia donadora de protones, H+, y una base es una substancia aceptora de protones. 1.1.Fuerza cido-base Algunoscidossonmejoresdonadoresdeprotonesqueotros;asimismo, algunas bases son mejores aceptoras de protones que otras. Si clasificamos a los cidos de acuerdo con su capacidad de donar un protn, encontramos que entremsfcilunasustanciacedeunprotn,subaseconjugadaconmenos facilidad acepta un protn. De forma similar, entre ms fcil una base acepta un protn,suacidoconjugadoconmenosfacilidadcedeunprotn.Enotras palabras, entre ms fuerte es un cido, ms dbil es su base conjugada; entre msfuerteesunabase,msdbilessuacidoconjugado.Entonces,si sabemosalgosobrelafuerzadeuncido(sucapacidaddedonarprotones), tambin sabemos algo sobre la fuerza de su base conjugada (su capacidad de aceptar protones). 1.1.1.cidos dbiles Uncidodbilesaquelcidoquenoesttotalmentedisociadoenuna disolucinacuosa.Aportaioneshidronioalmedioperotambinescapazde aceptarlos. 6 Labaseconjugadadeuncidodbilmuestraunaligeracapacidadde eliminarprotonesdelagua(labaseconjugadadeuncidodbilesunabase dbil).As,parauncidogenricoAHendisolucinseproducelareaccin reversible: HA + H2O

A-(ac) + H3O+ (Ecuacin Qumica 1) 1.1.2.Constante de Acidez

Laconstante dedisociacindeun cidodbileslaconstante deequilibrio paralaionizacindeuncido.LafuerzadelcidoHAsemide cuantitativamentemediantelamagnituddeKa.Cuantomayorseaelvalorde Kaelcidosermsfuerteesdecirmayorserlaconcentracindeiones hidronioenlasolucin.Sinembargodebemosrecordarquesololoscidos dbiles tienen valores de Ka asociados con ellos. La expresin que relaciona las concentraciones de productos y reactivos con la constante de equilibrio, derivada de la Ecuacin 1, es la siguiente: [

][

][](Ecuacin 1) Laconcentracindelagua[H20]enunasolucindiluidaesprcticamente constante, por lo que su valor est incluido en la constante. 7 1.2. Ionizacin de cidos y bases LaionizacindeuncidoAensolucinacuosa,puederepresentar, mediante la siguiente reaccin. Donde A, es un cido; B, es una base y H+ es el ion hidronio: A + H2O H+ + B(Ecuacin Qumica 2)

De igual forma, la disociacin de una base B en medio acuoso se expresa mediante la siguiente ecuacin. Donde A, es un cido; B es una base y OH- es el ion hidrxido. B + H2O A +OH- (Ecuacin Qumica 3) Laconcentracindelagua(H2O)enunasolucindiluidaesprcticamente constante.Tomandoencuentaloanterior,nosvemosconducidosala expresin de la constate de acidez o disociacin de cidos, Ka: Ka =[

]

(Ecuacin 2) Anlogamenteeltratamientodecidos,laconstatedebasicidadode disociacin de una base, Kb, puede expresarse de la siguiente manera: Kb =[

]

(Ecuacin 3) Multiplicando estas dos ecuaciones previas, se obtiene la forma del producto inico del agua, Kw, de esta forma: Kw = Ka x Kb(Ecuacin 4) pKw = pKa + pKb (Ecuacin 5) 8 1.3. Concepto de pH El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolucin. ElpH indica laconcentracindeioneshidronio[H3O+]presentesendeterminadas disoluciones.SrenSrensenpropusoeltrminopH(potencialdehidrgeno), elsmbolopprovienedela palabrapoder enelidiomainglsysuexpresin implica el negativo del logaritmo del valor afectado. pH = - log([H+])(Ecuacin 6) 1.4. Acidez, alcalinidad y neutralidad Laneutralidaddeunasolucinacuosa,implicalaexistenciade concentraciones iguales de especies cidas y bsicas, el cual ocurre a un valor depH=pKw/2alatemperatura Tdelsistema;noobstante,escasiimposible obtenersolucionesconconcentracionesexactamenteigualesdecidoybase, porloqueesteconceptoseextiendeaunintervalodeneutralidadconlmites depHentre(pKw/21).Enelcasodelassoluciones cidastendremosquela concentracindeiones(H+)sermayoraladeiones(OH-)yelpHestar contenido en un rango, desde0 hasta ser menor que (pKw/2 - 1). Recprocamente,paralassolucionesbsicasoalcalinas,laconcentracin deiones(H+)sermenoraladeiones(OH-)yelphestarcontenidoenun rango,siendomayorque(pKw/2+1)hasta14.Cabedestacarque,enel intervalode(pKw/21),elpHdependedelaportedeiones(H+)u(OH-) provenientesdelsolutoenmayorproporcindelosqueprovienendela autoprotlisis del agua. Fuera de este intervalo, el aporte protnico del agua es despreciable, esto es porque el aporte acuoso es menor que el 10% del aporte total de iones (H+). 9 2.Autoionizacin del agua El agua tiene la peculiaridad de actuar como cido, al donar un protn a otra molculadeagua(H2O)ycomobase,alaceptarunprotn.Porello,en solucionesacuosaselaguaeseldisolventeanfiprtico.Lamolculadeagua quedonaunprotnseconvierteenOH-,esdecir,unabaseconjugada;asla molculadelaguaqueaceptaunprotnseconvierteenH3O+,uncido conjugado. Estos dos fenmenos se expresan como una reaccin de autoionizacin del agua,lacualesconocidatambincomoautoprotlisis,orupturaprotnicade las molculas de agua en s mismas. H2O +H2O

H3O++ OH- (Ecuacin Qumica 4)cido BasecidoBase ConjugadoConjugada La constante de equilibrio de la autoionizacin del agua se expresa as: Keq = [

][

] [

]

(Ecuacin 7) Debido a que el estado normal del disolvente H2O es puro su concentracin es igual a 1.0 3.Hidrlisis LapalabraHidrlisissignificadescomposicinpormediodelagua.Setrata deunprocesocontrarioalaneutralizacin.Esuna reaccinqumica entre una molcula de agua y otra molcula, en la cual la molcula de agua se divide y sus tomos pasan a formar parte de otra especie qumica. 10 Alusareltrminodehidrlisis,enrealidadseindicalareaccinentreun cidoyunabase.Lasreaccionesdehidrlisisohidrolticas,selimitanensu gran mayora a los iones que actan ya sean como donadores o aceptores de protones. 4.Hidrlisis de los iones Parapoderestudiarelcomportamientoconelagua,lassalessesuelen clasificar segn su procedencia en cuatro grupos: Sales procedentes de un cido fuerte y una base fuerte Sales procedentes de base fuerte y cido dbil Sales procedentes de base dbil y cido fuerte Sales procedentes de cido dbil y cido dbil. 4.1. Sales procedentes de un cido fuerte y una base fuerte Sales cuyos iones son aprticos (disoluciones de una sal que proceda de un cido fuerte, que se ha combinado con una base fuerte). Los iones producidos aparentementenoganannipierdenprotones,porlotanto,noafectanel equilibrio entre las concentraciones de los iones hidronio y oxhidrilosdel agua, esdecir,noserealizaningunahidrlisisylasolucinpresentauncarcter neutro. Algunos ejemplos de estas sales son el Cloruro de Sodio y el Nitrato de Potasio. 11 4.2.Sales procedentes de un cido dbily una base fuerte

Sales cuyosaniones son aceptadores de protones (disoluciones de una sal que proceda de un cido dbil, que se ha combinado con una base fuerte).Los anionesqueseforman,secomportancomobases,yporlotantoreaccionan conelsolventecapturandooaceptandodesteprotones.Estohacequese verifique un aumento en la concentracin de los iones oxhidrilos del solvente, lo cualtambinequivale,aunadisminucindelaconcentracindelosiones hidronio contenidos en el solvente. Elcarcterdeladisolucinserbsicoyporesto,elpHsermayora7. Algunos ejemplos de estas sales son el Acetato de Sodio, Carbonato de Sodio y el Cianuro de Potasio. 4.3.Sales procedentes de un cido fuertey una base dbil Salescuyoscationessondonadoresdeprotones(disolucionesdeunasal que proceda de un cido fuerte, que se ha combinado con una base dbil). Los cationes producidos de acuerdo con Brnsted, se consideran como cidos. Los aniones formados, son dbilmente bsicos. Los cationes pueden ser de dos tipos: No hidratados: Ion Amonio. Hidratados: Ion Aluminio y Ion Frrico. Lassalesqueproducencationesconradioinicorelativamentepequeo como consecuencia de la hidrlisis, se precipita un hidrxido o una sal bsica. 12 Enestoscasos,sepuedeobservarqueelcatinproducidoporlasal reacciona con el solvente (agua), donando protones que dan carcter cido a la disolucin. Se debe esperar entonces que al disolver una sal de este grupo, el pH de la disolucin sea menor de 7. 4.4.Sales procedentes de un cido dbily una base dbil Salescuyoscationessecomportancomocidosycuyosanionesse conducencomobases(disolucindeunasalformadaporuncidoybase dbil).Sielcatinesundonadordeprotonesyelaninunaceptadorde protones, una sal de este tipo puede tener u carcter acido neutro o bsico. Estodependedelafuerzarelativadelcatincomocidoydelanincomo base.Podemosdecirquelasalsufreunaprofundadescomposicinhidroltica pordobleconcepto.Sicorrespondaaunabaseouacidoinsoluble,al hidrolizarse la sal se producir una precipitacin. Algunos ejemplos de las sales que pertenecen a este grupo son el Acetato de Amonio y el Cianuro de Amonio. 4.5.Constante de Hidrlisis Lareaccindeliondeunasalconagua,essemejante,alareaccinde ionizacinquesepresentaenloselectrolitosdbiles.Losdostiposde reaccionessonreversibles,yporreglageneral,salvoexcepciones,tambinel gradodeavancedelareaccinespequeoenlahidrlisis,delasalyporlo tanto, aplicable la ley de equilibrio qumico a las reacciones que comprendenla hidrolisis de los iones producidos por las sales al disociarse.

Suponiendo una sal MA que reacciona con el agua, se produce una solucin bsica o alcalina. Esto nos indica que el anin es una base. 13 Kh = [][

][

] (Ecuacin 8) 4.6.Hidrlisis de los cationes que son cidos Reaccionanconelaguaformandosolucionescidas.Estosiones,son donadoresdeprotonesyporlotantosecomportancomo cidos.Una frmula ms directa para determinar el pH, cuando una sal de este tipo se disuelve en agua. pH =

(Ecuacin 9) Donde: Kh =

(Ecuacin 10) 4.7.Hidrlisis de los aniones que son bsicos Estas sales se disuelven en agua formando soluciones fuertemente bsicas o alcalinas. En esta reaccin el agua se comporta como un cido. Para calcular directamente el pH para este tipo de sales: pH =

(Ecuacin 11) Donde: Kh =

(Ecuacin 12) 14 5.Diagrama de Sillen EldiagramadeSillenseutilizaconmayorfrecuenciaenelestudiodela hidrlisis por su versatilidad para con este tema del anlisis qumico. EldiagramadeSillenesunaformadeexpresarelpH(ordenada)yla concentracinmolardelsoluto(abscisa).Utilizandomtodosmatemticos, combinndolosconmtodosanalticospodemosobtenerecuacionesexactas paradeterminarlasdiferentescomponentesdeunasolucin,porlomismosi podemosrelacionarestasramasdelaciencia,podemosdemostrarel comportamiento de una solucin al ser diluida en agua, lo que es bsicamente el significado de hidrlisis. De esta forma es posible, identificar visualmente las especies importantes a unvalorparticulardepH.Seusaunaescalalogartmica,debidoaquelas concentraciones pueden variar en muchos rdenes de magnitud. EldiagramadeSillenseaplicasoloauncido-baseespecficoyauna concentracin inicial. Estos diagramas se obtienen a partir de la concentracin y las constantes de disociacin. 15 Figura 1. Diagrama de Sillen

Base cido 6.Dilucin La dilucin es la reduccin de la concentracin de una sustancia qumica en una disolucin. La dilucin consiste en rebajar la cantidad de soluto por unidad de volumen dedisolucin.Selograadicionandomsdiluyentealamisma cantidaddesoluto:setomaunapocaporcindeunasolucin alcuota y despus esta misma se introduce en ms disolvente. 16 17 4. MARCO METODOLGICO 4.1. Algoritmo de Procedimiento 1.Se prepar50 mL de una solucin 1 M de Cloruro de Amonio (NH4Cl) y 50 mL de una solucin 1M de Acetato de Sodio (CH3COONa). 2.Se midi el pH de cada una de las soluciones anteriores. 3.Se tom5 mL de la solucin original del Cloruro de Amonio (NH4Cl). 4.Secolocaronlos5mLdelincisoanteriorenunbalnde50mL,se procedi a aforar y se midi el pH. 5.Se continuo haciendo soluciones sucesivas hasta llegar a 1/1 000 000 en dilucin. 6.SerepitieronlospasosdelClorurodeAmonio(NH4Cl),conlasolucin de Acetato de Sodio (CH3COONa). 7.SeelaborundiagramadeSillenparacadasalysecompararonlos valores tericos con los experimentales. 18 Inicio Se prepar50 mL de una solucin 1 M de NH4Cl y 50 mL de una solucin 1M de CH3COONa. Se midi el pH de cada una de las soluciones. Se tom5 mL de la solucin original de NH4Cl. Se colocaron los 5 mL de la solucin de NH4Cl en un baln de 50 mL, se procedi a aforar y se midi el pH. Se continuo haciendo soluciones sucesivas hasta llegar a1/1 000 000 en dilucin. Cambi la coloracin de la solucin? Se repitieron los pasos del NH4Cl, con la solucin de CH3COONa. Se elabor un diagrama de Sillen para cada sal y se compararon los valores tericos con los experimentales. Fin 4.3. Diagrama de Flujo Figura 2. Evaluacin de un sistema salino dbil por medio de Hidrlisis.

NO SI 19 5. RESULTADOS Tabla 1. Valores de pH para el Acetato de Sodio (CH3COONa). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%) Terico Diagrama de SillenExperimental Diagrama de SillenExperimental 19,379,308,450,759,82 1/108,878,808,250,796,99 1/1008,378,338,110,483,11 1/1 0007,877,837,820,510,64 1/10 0007,377,337,690,544,34 1/100 0006,876,837,430,587,54 1/1 000 0006,376,337,240,6313,66 Fuente: Datos Originales, Muestra de Clculo, Ecuacin1, 2 y 4, Grfica 1. Tabla 2. Valores de pH para el Cloruro de Amonio (NH4Cl). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%) Terico Diagrama de SillenExperimental Diagrama de SillenExperimental 14,634,675,620,8621,38 1/105,135,176,210,7821,05 1/1005,635,676,800,7120,78 1/1 0006,136,137,500,0022,35 1/10 0006,536,678,032,1422,97 1/100 0007,137,208,360,9817,25 1/1 000 0007,637,678,480,5211,14 Fuente: Datos Originales, Muestra de Clculo, Ecuacin 1,3 y 4, Grfica 2. 20 21 22 23 24 25 6. INTERPRETACIN DE RESULTADOS Enlaprcticadellaboratorio,seobservqueamedidaqueserealizaban solucionessucesivas dela muestraoriginal,laconcentracinsereducahasta llegar a la dilucin establecida. ElpH de la solucin para el caso del Acetato deSodio(CH3CHOONa)tiendeadisminuir,yparaelcasodelClorurode Amonio (NH4Cl) el pH aumenta. ElAcetato de Sodio es una sal que procede de un cido dbil, cido Actico (CH3CHOOH),yunabasefuerte,HidrxidodeSodio(NaOH).Dicha caracterstica,involucraquelosanionesqueseforman,secomportencomo bases,loscualesalreaccionarconelsolvente(agua)capturenoaceptenlos protonesdedichosolvente.Locualaumentalaconcentracindeiones oxhidrilos(OH-)ydisminuyelaconcentracindelosioneshidronios(H+) contenidosenelsolvente.Poresoestadisolucintomouncarcterbsico hasta que se llegue a la neutralidad. ElCloruro de Amonio es una sal que procede de un cido fuerte y una base fuerte. Los cationes producidos de acuerdo con Brnsted, se consideran como cidos.Asuvezlosanionesformadossondbilmentebsicos.Enestecaso, se puede observar que el catin producido por la sal reacciona con el solvente (agua),donandoprotonesquedancarctercidoaladisolucin.Seobserv entonces que al disolver la sal, el pH de la disolucin sea menor de 7. 26 Para los datos experimentales la solucin de Cloruro de Amonio presento el comportamiento de aumento de pH, el cual a medida que se diluye la solucin nosencontramosquesepegaasintticamentealaneutralidadparadatos experimentales (pKw/ 2 1), caso similar, ocurre con la solucin de Acetato de Sodio(CH3COONa)peroparaestecasoelpHbajahastapegarse asintticamente a la neutralidad descrita anteriormente. Para los datos tericos obtenidos por medio de un mtodo grfico, se utiliz elDiagramadeSillen,conelculobtenemosdatosconunerrorpromedio menora1,dichodiagramaserealizconelcomportamientoinicialdela solucin,esdecir,conelpHinicialdelasolucinylaconcentracininicial, tomando solo las soluciones con pH por debajo de 7 para el Acetato de Sodio (CH3CHOONa) y pH por encima de 7 para el Cloruro de Amonio (NH4Cl), esto debidoaquelassolucionesfueradelrangotienenconcentracionespequeas las cuales se desprecia el aporte de la sal. Delosdatosarrojados,tantotericoscomoexperimentales,sedetermin que el Diagrama de Sillen es el mtodo grfico ideal para el estudio de hidrlisis debidoaquetieneunporcentajedeerrorpromediomenorque1%.Paralos datos experimentales se determin que a medida que secontina diluyendo la solucinse despreciaelaportedesaldejandolugarsoloaelcomportamiento del solvente (agua). 27 7. CONCLUSIONES 1.Se determin los diferentes tipos de sales para el estudio de hidrlisis en un sistema salino dbil. 2.Se estableci el principio de hidrlisis, para la reaccin de una sal con el solvente (agua) segn las caractersticas de la sal. 3.Se desgloso el Diagrama de Sillen para el estudio de la hidrlisis. 4.S analizo el comportamiento del pH de las soluciones para las diferentes soluciones a medida que se continuaba con las diluciones. 5.Se estableci el Diagrama de Sillen, como el mtodo grfico ms exacto paraelestudio deHidrlisis,debidoaquecuentacon unporcentajede error promedio menor del 1%. 28 29 8. BIBLIOGRAFA 1. Canales,Margarita.Fisicoqumica,VolumenI:Teora.Escuela Nacional de Estudios Profesionales Iztacala. Mxico 1999. 241 p. 2. Crouch,Holler,Skoog,West.FundamentosdeQumicaAnaltica. Sptima Edicin. Editoria Thomson. Mxico 2001. 3. Harris,DanielC.AnlisisQumicoCuantitativo.3aed.Editorial Revert. Espaa 2007. 709p. 4. Pickering,W.F.QumicaAnalticaModerna.EditorialRevertS.A. Espaa 1986. 689p. 5. Raymond,Chang.Qumica.10aed.McGrawHill,Mxico,2010. 1172p. 30 31 9. APNDICE 9.1. Hoja de Datos Originales 32 9.2. Muestra de Clculo Ecuacin 1. Molaridad

Ejemplo: Preparar 50mL de solucin 0,1 M de CH3COONa.

Ecuacin 2. Determinacin del pH en Hidrlisis de los cationes que son cidos.

Dnde: = Potencial Concentracin de la sal bsica. =Potencial Constante de basicidad. =Potencial de Hidrgeno = Potencial de la Constante de equilibrio del agua a 25 C (14). 33 Ejemplo: Determinar el pH de la solucin de NH4Cl a 0,01 M.

Ecuacin 3. Determinacin del pH en Hidrlisis de los aniones que son bsicos.

Dnde: = Potencial Concentracin de la sal cida. =Potencial Constante de acidez. =Potencial de Hidrgeno. = Potencial de la Constante de equilibrio del agua a 25 C (14). Ejemplo: Determinar el pH de la solucin de CH3COONa a 0,1 M.

34 Ecuacin 4. Porcentaje de Error|

| Dnde: = Dato terico = Dato Experimental Ejemplo: Determinar el % de Error del pHla solucin de CH3COONa con los siguientes datos = 9,37 = 9,30 |

|

35 9.3. Anlisis de Error Porcentaje de Error|

| Dnde: = Dato terico = Dato Experimental Ejemplo: Determinar el % de Error del pHla solucin de CH3COONa con los siguientes datos = 9,37 = 9,30 |

|

36 9.4. Datos Calculados Tabla 1. Valores de pH para el Acetato de Sodio (CH3COONa). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%) Terico Diagrama de SillenExperimental Diagrama de SillenExperimental 19,379,308,450,759,82 1/108,878,808,250,796,99 1/1008,378,338,110,483,11 1/1 0007,877,837,820,510,64 1/10 0007,377,337,690,544,34 1/100 0006,876,837,430,587,54 1/1 000 0006,376,337,240,6313,66 Fuente: Datos Originales, Muestra de Clculo, Ecuacin1, 2 y 4, Grfica 1. Tabla 2. Valores de pH para el Cloruro de Amonio (NH4Cl). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%) Terico Diagrama de SillenExperimental Diagrama de SillenExperimental 14,634,675,620,8621,38 1/105,135,176,210,7821,05 1/1005,635,676,800,7120,78 1/1 0006,136,137,500,0022,35 1/10 0006,536,678,032,1422,97 1/100 0007,137,208,360,9817,25 1/1 000 0007,637,678,480,5211,14 Fuente: Datos Originales, Muestra de Clculo, Ecuacin 1,3 y 4, Grfica 2.