Chemistry 140 Fall 2002

1

Ácidos y Bases

Tema 9: Ácidos y Bases

Francisco García Calvo-Flores

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 1 de 38 Tema 9: Ácidos y bases

Contenidos

9-1 Teoría de Arrhenius9-2 Teoría de Brønsted-Lowry9 3 Constante de ionización: Auto ionización del9-3 Constante de ionización: Auto-ionización del

agua y escala pH9-4 Ácidos y bases fuertes9-5 Ácidos y bases débiles: Grado de inonización9-6 Ácidos polipróticos9-7 Ioness como Ácidos and Bases9-8 Estructura Molecular y comportamiento ácido-

base 17-8 Lewis Acids and Bases

Focus On Acid Rain.F. G. Calvo-Flores Diapositiva 2 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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2

Teoría de Arrhenius

• Ácido: cualquier sustancia que produzca iones hidrógeno en disolución acuosahidrógeno en disolución acuosa

• Base: cualquier sustancia que produzca iones hidroxilo en disolución acuosa:

HCl(g) → H+(aq) + Cl-(aq)

NaOH(s) → Na+(aq) + OH-(aq)H2O

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 3 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Teoría de Brønsted-Lowry

• Ácido donante de protones• Base aceptor de protones.

NH3 + H2O NH4+ + OH-

base acido

NH4+ + OH- NH3 + H2O

baseacido

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 4 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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3

Constante de ionización (base)

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-

base acido

3 2 4

Kc= [NH3][H2O][NH4

+][OH-]

Kb= Kc[H2O] = [NH3]

[NH4+][OH-]

= 1.8·10-5[NH3]

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 5 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Constante de ionización (ácido)

CH3CO2H + H2O → CH3CO2- + H3O+CH3CO2H H2O CH3CO2 H3O

Kc= [CH3CO2H][H2O][CH3CO2

-][H3O+]

Ka= Kc[H2O] = = 1.8·10-5[CH CO H]

[CH3CO2-][H3O+]

a c[ 2 ][CH3CO2H]

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 6 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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4

Fuerza relativa de ácidos y bases

HClO4 + H2O ↔ ClO4- + H3O+

NH4+ + CO3

2- ↔ NH3 + HCO3-HCl + OH- ↔ Cl- + H2O

H2O + I- ↔ OH- + HIH2O + I- ↔ OH- + HI

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 7 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Auto-ionización del agua

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 8 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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5

Producto iónico del agua

H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq)

Kc= [H2O][H2O][H3O+][OH-]

KW= Kc[H2O][H2O] = = 1.0·10-14[H3O+][OH-]

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 9 de 38Tema 9: Ácidos y bases

pH y pOH

Kw = [H3O+] [OH-] = 10-14

H2O(l) + H2O(l) H3O+(aq) + OH-(aq)

[H3O+] = [OH-] = (10-14)1/2 =10-7 M

•Disolucion ácida: [H3O+] > [OH-]

•Disolucion neutra: [H3O+] = [OH-]

[H3O+]=Kw / [OH-]

OH l [OH ]

pH = -log[H3O+]

•Disolucion básica: [H3O+] < [OH-]

pKW = pH + pOH = 14

pOH = -log[OH-]

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 10 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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6

pH y pOH

F. G. Calvo-Flores Tema 9: Ácidos y bases Diapositiva 11 de 38

pH de algunas sustancias comunes

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 12 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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Ácidos y bases fuertes

HCl CH3CO2H

Thymol Blue Indicator

pH < 1.2 < pH < 2.8 < pH

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 13 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Ácidos y bases débiles

Ácido acético HC2H3O2 or CH3CO2H

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 14 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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8

Ácidos débiles

Ka= = 1.8·10-5[CH3CO2H]

[CH3CO2-][H3O+]

3 2

pKa= -log(1.8·10-5) = 4.74

Ácido láctico CH3CH(OH) CO2H

C

O

R

Glicina H2NCH2CO2H

C

OH

R

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 15 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Constantes de ionización de ácidos y bases débiles

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 16 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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Grado de inonización

HA + H2O H3O+ + A-

Grado de ionizacón (α) =[H3O+] a partir de HA

[HA] de partida

Porcentaje de ionización =[H3O+] from HA

[HA] originally · 100%

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 17 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Grado de ionización

[H O+][A ]Ka =

[H3O+][A-]

[HA]

Ka =nH3O+ A-

n

HAn

1 V

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 18 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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10

Ácidos polipróticos

Ácido fosfórico:

H3PO4 + H2O ↔ H3O+ + H2PO4-

H PO + H O H O+ + HPO 2

Ka1 = 7.1·10-3

K 6 3 10 8H2PO4- + H2O ↔ H3O+ + HPO4

2-

HPO42- + H2O ↔ H3O+ + PO4

3-

Ka2 = 6.3·10-8

Ka3 = 4.2·10-13

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 19 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Ácido fosfórico

• Ka1 >> Ka2

• Todos los H3O+ se forman en la primera ionización.

• H2PO4- prácticamente no se ioniza.

• Se asume que [H2PO4-] = [H3O+].

• [HPO42-] ≈K 2[HPO4 ] Ka2

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 20 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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Constantes de ionización de ácidos polipróticos

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 21 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Ácido sulfúrico

Ácido sulfúrico:

H2SO4 + H2O ↔ H3O+ + HSO4- Ka = very large

HSO4- + H2O ↔ H3O+ + SO4

2- pKa = 1.96

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 22 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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Hidrólisis: iones como ácidos y bases

CH3CO2- + H2O↔ CH3CO2H + OH-

base acido

NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+

baseacido

[NH3] [H3O+] [OH-] Ka= [NH4

+] [OH-]

[NH3] [H3O+] Ka= [NH4

+] = ?

=KW

Kb=

1.0·10-14

1 8·10-5= 5.6·10-10

[NH4 ] [OH ] Kb 1.8 10

Ka Kb = Kw

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 23 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Hidrolisis

• Rotura por acción del agua.

Na+ + H2O → Na+ + H2O

NH + + H O NH + H O+

Cl- + H2O → Cl- + H2O

No reaction

No reaction

H d l iNH4+ + H2O → NH3 + H3O+ Hydrolysis

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 24 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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Estructura molecular y acidez

• ¿Por qué HCl es un ácido fuerte, y HF es débil?• ¿Por qué CH3CO2H es un ácido más fuerte

CH3CH2OH?

• Hay una relación entre estructura molecular y acidez• La energía de disociación de enlace se miden en fase• La energía de disociación de enlace se miden en fase

gaseosa y no en disolución

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 25 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Fuerza de ácidos binarios

HI HBr HCl HF

160 9 > 141 4 > 127 4 > 91 7Longitud de enlace 160.9 > 141.4 > 127.4 > 91.7 pm

297 < 368 < 431 < 569 kJ/mol

Longitud de enlace

Energía de enlace

109 > 108 > 1.3·106 >> 6.6·10-4acidez

HF + H2O → [F-·····H3O+]→ F- + H3O+

Par iónico Iones libres←

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 26 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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Fuerza en oxoácidos

• Factores que favorecen el el efecto electrónatrayente sobre el enlace O-H del átomo de

íoxígeno– Alta electronegatividad (EN) del átomo central.– Un número elevado de átomos de O terminales en la

moléculas

H-O-Cl H-O-Br

ENCl = 3.0 ENBr= 2.8

Ka = 2.9·10-8 Ka = 2.1·10-9

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 27 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Fuerza de oxoácidos

S OO

O

H H····

·· ··

S OO

O

H H····

·· ··

O -···· ·· O -···· ··

S OO

O

H H····

·· ··

S OOH H···· ··

Ka ≈103 Ka =1.3·10-2

S OO

O

H H····

····

2+

··

·· ··-

S OOH H····

····

+··

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 28 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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15

Fuerza de ácidos orgánicos

O·· ··H H H

C OCH H····

H

OCH H····

H

C

H

K = 1 8·10-5 K =1 3·10-16

acetic acid ethanolKa 1.8 10 Ka 1.3 10

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 29 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Aniones derivados de ácidos

··

H

C

H

-OCH ··

H

C

H

OH O-

H

··

C

O

CH-

H

C

O

CH

H

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 30 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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16

Efectos estructurales

CC

O

H

H

K = 1 8·10-5

H

C

O

CH-

H

H OH H H H H

Ka 1.8 10

Ka = 1.3·10-5

C

H

CH

H

C

O -C

H

C

H

C

H

C

H

C

H

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 31 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Structural Effects

CC

O

H

H

K = 1 8·10-5C

O

CH-

H

Ka 1.8 10

Ka = 1.4·10-3

CC

O

H

Cl

O -H

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 32 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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17

Aminas como bases

H H

NH

H·· NBr

H

··

pK = 4 74 pK = 7 61

amoniaco bromoamina

pKb = 4.74 pKb = 7.61

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 33 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Aminas como bases

H HH HH H

CH

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

CH

H

H

C

H

H

methylamine ethylamine propylamine

NH2 NH2 NH2

pKb = 4.74 pKb = 3.38 pKb = 3.37

methylamine ethylamine propylamine

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 34 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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18

Efectos de resonancia

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 35 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Efecto inductivo

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 36 de 38Tema 9: Ácidos y bases

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19

Ácidos y bases de Lewis

Ácido de Lewis – especies (Átomos, iones or moléculas) acceptores de

lelectrones.Bases de Lewis

– Especies donantes de pares de electrones.

base ácido adducto

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 37 de 38Tema 9: Ácidos y bases

Movimiento de electrones

F. G. Calvo-Flores Diapositiva 38 de 38Tema 9: Ácidos y bases