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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR

FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICA

ESCUELA DE QUMICA

DEPARTAMENTO DE QUMICA GENERAL

ASIGNATURA: QUMICA GENERAL

DOCTORADO EN MEDICINA CICLO I-2015

TEMA: EQUILIBRIO QUMICO CIDO-BASE EN SISTEMAS ACUOSOS

Objetivo General:

I. Comprender el significado de equilibrio qumico y los factores que lo afectan

II. Interpretar el significado cualitativo y cuantitativo de la acidez y basicidad de

los sistemas qumicos.

EQUILIBRIO QUMICO

Objetivo 1. Expresar el concepto de equilibrio qumico, las condiciones que lo establecen y las

propiedades que lo caracterizan.

Cuando se inicia una reaccin qumica, sta puede evolucionar de dos formas diferentes:

I. La reaccin puede desarrollarse hasta que se agote uno de los reactivos o

II. Transcurrir hasta un cierto punto en el que, aunque existan reactivos en cantidad suficiente, la

reaccin, aparentemente, se detiene.

En el segundo caso se dice que el sistema formado por los reactivos, los productos y el medio de

reaccin ha alcanzado un estado de equilibrio. A pesar de que un sistema qumico en equilibrio

parece que no se modifica con el tiempo, esto no significa que no est ocurriendo ningn cambio.

Inicialmente los reactivos se combinan para formar los productos, pero llega un momento en que la

cantidad de producto es lo suficientemente grande como para que estos productos reaccionen entre

s, volviendo a formar los reactivos iniciales. De esta manera transcurren simultneamente dos

reacciones, directa e inversa.

La condicin en la cual las concentraciones de todos los reactivos y productos en un sistema

cerrado, dejan de cambiar con el tiempo, se llama Equilibrio Qumico. El equilibrio se manifiesta

nicamente en reacciones reversibles.

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Tambin se dice que existe un equilibrio qumico cuando reacciones opuestas avanzan a

velocidades iguales; es decir que la velocidad de formacin de productos a partir de los

reactivos es igual a la velocidad de formacin de los reactivos a partir de los productos. Y las

concentraciones de productos y reactivos permanecen constantes.

De manera general el equilibrio se puede representar as:

aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g)

Puede existir tambin un equilibrio entre dos fases de una misma sustancia, al cual se le llama

Equilibrio Fsico. Por ejemplo. El equilibrio que existe entre el agua lquida con su vapor.

H2O(l) H2O(g)

.

Cuando se tiene agua liquida dentro de un recipiente cerrado, las molculas que pasan de la fase

liquida a la fase gaseosa, ejercen una presin sobre las paredes del recipiente, a medida que se van

acumulando molculas de agua en fase gaseosa, su presin de vapor va aumentado, lo que hace

que empiecen a pasar molculas de la fase gaseosa a la fase lquida, hasta que se igualan las

velocidades, tanto de las molculas que pasan a la fase de vapor con las molculas que pasan a la

fase lquida; en este momento se dice que el sistema ha alcanzado su equilibrio.

1.1. Propiedades del equilibrio qumico.

a) Es dinmico (auque parece en reposo)

b) Las propiedades macroscpicas permanecen constantes.

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las propiedades observables del sistema

(color, temperatura, etc.), no varan con el tiempo

c) Es reversible.

H2O (liquida)

H2O (gas)

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1.2. Condiciones para que se establezca un equilibrio qumico.

Slo puede existir equilibrio qumico en un sistema cerrado (un sistema donde hay intercambio de

energa, pero no de masa) a temperatura constante.

El equilibrio se alcanza cuando los reactivos se transforman en productos con la misma velocidad

que los productos vuelven a transformarse en reactivos.

Sistema Abierto. Un sistema donde hay intercambio de masa y de energa.

Sistema Cerrado. Un sistema donde hay intercambio de energa, pero no de masa.

Sistema Aislado. Un sistema donde no hay intercambio de masa ni de energa.

Objetivo 2 Escribir ecuaciones qumicas que representen el estado de equilibrio.

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las concentraciones de los reactivos y los productos se

encuentran en una relacin numrica constante. Experimentalmente se comprueba que las

concentraciones de las sustancias implicadas en un sistema en equilibrio se encuentran relacionadas

por la siguiente ley y expresin matemtica:

Ley de accin de las masas. Para una reaccin reversible en equilibrio, y a una temperatura

constante, una relacin determinada de concentraciones de reactivos y productos (expresada en

presiones parciales en el caso de gases y como molaridades en el caso de disoluciones acuosas),

tiene un valor constante, y es representado por K. (constante de equilibrio)

Si se tiene:

aA(ac) + bB(ac) cC(ac) + dD(ac)

aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g)

Kc = [C]c [D]d

[A]a [B]b

Kp =(pC)c (pD)d

(pA)a (pB)b

A las expresiones anteriores se les conoce como expresin de la constante de equilibrio.

(adimensional).

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Ejemplos de expresiones de constantes de equilibrio:

a) N2O4 (g) 2NO2 (g)

b) 2 O3(g) 3O2 (g)

c) 2NO(g) + Cl2 (g) 2 NOCl(g)

d) Ag+

(ac) + 2 NH3(ac) Ag(NH3)2+

(ac)

Objetivo 3 Escribir la constante de equilibrio para sistemas homogneos y heterogneos

3.1. Equilibrios homogneos y heterogneos

Un equilibrio es homogneo cuando los reactivos y productos se encuentran en una misma fase

(lquida, slida, gaseosa o acuosa).

Un equilibrio es heterogneo cuando al menos un reactivo o producto se encuentra en distinta fase

que los otros.

Cuando se trata de un equilibrio homogneo (en estado gaseoso o acuoso), la expresin de la

constante de equilibrio es obtenida utilizando todas las especies involucradas en el equilibrio.

Contrario cuando se trata de un equilibrio heterogneo. Las concentraciones de los slidos puros,

lquidos puros y disolventes no se incluyen en la expresin de la constante de equilibrio.

Ejemplo:

Para los siguientes sistemas en equilibrio, escriba la expresin de la constante de equilibrio.

S(s) + O2 ( g ) SO2 ( g )

Ni(CO)4(g) Ni(s) + 4CO(g)

2CO2(g) 2CO(g) + O2(g)

Keq = [NO2]

2

[N2O4]

Keq = [O2]

3

[O3]2

Keq = [NOCl]

2

[NO ]2

[Cl2]

Keq = [Ag(NH3)2

+]

[NH3]2 [Ag

+]

Keq = [SO2]

[O2]

Keq = [CO]

4

[Ni (CO)4]

Keq = [O2] [CO]

2

[CO2]2

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Ejercicio:

Para los siguientes sistemas en equilibrio, escriba la expresin de la constante de equilibrio e

identifquelos como homogneos o heterogneos

H2(g) + Br2 (g) 2HBr(g)

6CO2 (g) + H2O (l) C6H12O6 (s) + 6 O2(g)

Ni (s) + 4CO (g) Ni(CO)4 (g)

2HgO(s) 2Hg (l) + O2 (g)

N2O4 (g) 2NO2 (g)

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

H2CO3 (ac) H+

(ac) + HCO3-(ac)

(NH4)2Se(s) 2NH3 (g) + H2Se(g)

Objetivo 4 Calcular el valor de la constante de equilibrio.

Ejemplo.

Se ha estudiado el siguiente proceso en equilibrio a 230C.

2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g)

En un experimento se encontr que las concentraciones en equilibrio de las especies reaccionantes

son: [NO] = 0.0542M, [O2] = 0.127M y [NO2] = 15.5M.

Calcule la constante de equilibrio.

Solucin.

Estableciendo la ecuacin para la expresin de la constante de equilibrio se obtiene:

Keq = [NO2]

2

[NO]2 [O2]

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Sustituyendo el valor de las concentraciones en equilibrio de las especies:

Respuesta. 6.4 x 105

Objetivo 5: Interpretar la magnitud de la constante de equilibrio

5.1 Qu indica la magnitud de la constante de equilibrio?

La constante de equilibrio indica hacia donde existe la tendencia de desplazarse el sentido de la

reaccin:

Si K >> 1, El equilibrio esta desplazado hacia los productos

[Productos] > [Reactivos] (predominan los productos)

Si k = 1 El equilibrio no se desplaza ni a los reactivos ni a los productos.

Si K [Productos] (predominan los reactivos).

La expresin de la Keq de una reaccin escrita en un sentido es el reciproco (inverso) de la que

corresponde a la reaccin escrita en sentido inverso.

Ejemplos:

N2O4 (g) 2NO2 (g)

2NO2 (g) N2O4 (g)

La expresin de la constante depende de la estequiometra de la reaccin y el valor de la constante

de equilibrio, vara nicamente con la temperatura.

Cuando en la expresin de la constante de equilibrio se utilizan las concentraciones molares de

reactivos y productos, dicha constante se conoce como Kc ; y cuando se utilizan las presiones

parciales de reactivos y productos se le conoce como Kp. Numricamente son diferentes, pero se

pueden relacionar mediante la ecuacin siguiente: Kp = Kc (RT)n

donde R= 0.0821 atm-L/mol-k,

T es la temperatura a la cual se establece el equilibrio, expresada en Kelvin (grados Celsius +

Keq = (15.5)

2

(0.0542) 2

x 0.127

Kp = (pNO2)

2

(pN2O4)

Kp = (pN2O4)

2

(pNO2)

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273); y n representa la diferencia de moles de gases de productos con respecto a los moles de

gases de reactivos.

Cuando existe igual numero de moles de gases en reactivos y productos Kc = Kp

Ejercicio:

La constante de equilibrio (Kc) para la reaccin es 4.63x10-3

a 25C.

N2O4(g) 2NO 2 (g)

Calcular el valor de Kp para la reaccin a esa temperatura y la Kc para la reaccin inversa.

R/ Kp = 0.113 y Kc = 215.98

5.2 Relacionar la constante de equilibrio con la estequiometria de las ecuaciones quimicas.

Si se tiene la reaccin: 2NOBr (g) 2 NO (g) + Br2 (g) Ecuacin 5.1

con una Keq = 0.42

a) Si la ecuacin 5.1 se invierte, la nueva constante de equilibrio ser el inverso de la constante

original.

2 NO (g) + Br2 (g) 2NOBr (g)

Keq = 1 / Keq Keq = 1 / 0.42 Keq = 2.38

b) Si la ecuacin 5.1 se multiplica por cualquier factor entero (1, 2, 3etc.), la nueva constante

se calcula elevando la constante original por el factor entero por el cual se multiplic la ecuacin.

Si la ecuacin se multiplica por 3

6NOBr(g) 6 NO (g) + 3Br2 (g)

Keq = (Keq)3

Keq = (0.42)3 Keq = 0.074

c) Si la ecuacin 5.1 se divide por cualquier factor entero (1, 2, 3etc.), la nueva constante se

calcula mediante la raz del factor entero por el cual se dividi la ecuacin.

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Si la ecuacin se divide entre 2

NOBr(g) NO (g) + Br2 (g)

Keq = (Keq) Keq = 0.42 Keq = 0.65

d) Cuando una reaccin se desarrolla en 2 o ms etapas, la K de la ecuacin global se obtiene

multiplicando las constantes de equilibrio de cada una de las etapas de la reaccin.

2NOBr (g) 2 NO (g) + Br2 (g) K eq = 0.42

Br2 (g ) + Cl2 (g ) 2 BrCl (g) K eq = 7.20

2NOBr (g) + Cl2 (g) 2 NO (g) + 2 BrCl (g) K

eq =

K

eq = K eq x K

eq K

eq = 0.42 x 7.20 K

eq = 3.0

5.2 Como predecir la direccin de una reaccin (Opcional para el profesor).

Cuando una reaccin no ha alcanzado el equilibrio, puede predecirse la direccin en la que

proceder sta para alcanzarlo, mediante el denominado cociente de reaccin (Q) el cual se

obtiene de la misma manera que la constante de equilibrio; con la diferencia de que en este se

utilizan las concentraciones o presiones parciales de las especies cuando aun no alcanzan el

equilibrio.

Dependiendo del resultado.

Si: Q > Kc ------------- La reaccin proceder hacia los reactivos.

Si: Q = Kc ------------- La reaccin est en equilibrio.

Si: Q < Kc ------------- La reaccin proceder hacia los productos

Ejemplo.

En la reaccin: H2 (g) + I2 (g) 2HI (g)

Las concentraciones iniciales son: [H2] = 0.243M, [I2] = 0.146M y [HI] = 1.98. Determinar hacia

donde proceder la reaccin. En esta reaccin en equilibrio, la Kc = 54.3 a 430C.

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R/ Q = 110.5. El equilibrio se desplazar hacia los reactivos, ya que Q > Kc.

Objetivo 6 Interpretar el efecto de la variacin de concentracin, presin y temperatura

aplicando el principio de Le Chatelier

6.1 Factores que afectan el equilibrio qumico.

Los factores que afectan al equilibrio qumico, estn enmarcados en el llamado principio

de Le Chatelier, el cual se enuncia de la siguiente manera: Si un sistema en equilibrio es

perturbado mediante un efecto modificador, el equilibrio se desplazar en el sentido que

contrarreste el efecto del cambio.

Si en una reaccin qumica en equilibrio se modifican la presin, la temperatura o la concentracin

de alguna de las especies reaccionantes, la reaccin evolucionar en uno u otro sentido hasta

alcanzar un nuevo estado de equilibrio.

6.1.1 Cambio en la concentracin de reactivos o productos

Si un sistema qumico est en equilibrio y se agrega una sustancia (ya sea un reactivo o un

producto), la reaccin se desplazar de modo tal que se reestablezca el equilibrio, consumiendo

parte de la sustancia agregada. Por el contrario eliminar una sustancia, provoca que la reaccin se

desplace en el sentido de que se forme ms de esa sustancia.

Ejemplo:

N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

a) Aumentar o agregar Hidrgeno o Nitrgeno: El equilibrio se desplaza hacia la derecha,

favoreciendo la formacin de productos.

b) Aumentar o agregar Amonaco: El equilibrio se desplaza hacia la izquierda, favoreciendo la

formacin de reactivos.

c) Disminuir o eliminar Hidrgeno o Nitrgeno: El equilibrio se desplaza hacia la izquierda,

favoreciendo la formacin de reactivos.

d) Disminuir o eliminar Amonaco, El equilibrio se desplazara hacia la derecha, favoreciendo la

formacin de productos.

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6.1.2 Efecto de los cambios de presin y volumen

Una reduccin del volumen de un sistema en equilibrio, ocasiona un aumento de la presin total del

sistema.

(a) (b)

Los cambios de presin o volumen solo afectan a las especies en estado gaseoso.

Reducir o disminuir el volumen (equivalente a aumentar la presin) de una mezcla gaseosa en

equilibrio, provoca que el sistema se desplace en la direccin donde existe el menor nmero de

moles de gas; por el contrario un aumento del volumen, provoca un desplazamiento en la direccin

que donde existe ms moles de gas. Para las reacciones en las que el nmero de moles de gas en

los reactivos es igual al nmero de moles de productos, un cambio de presin o volumen no

afecta el equilibrio.

Ejemplo:

Que efecto causar aumentar o disminuir la presin en las siguientes reacciones?

a) 2PbS(s) + 3 O2 (g) 2PbO(s) + 2 SO2(g)

b) PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g)

c) H2 (g) + CO2 (g) H2O(g) + CO(g)

6.1.3 Efecto de los cambios de temperatura.

Para saber el efecto de un cambio de temperatura en un sistema en equilibrio, es necesario conocer

si una reaccin es endotrmica o exotrmica.

De acuerdo con la ecuacin general de los

gases PV= nRT, la presin es inversamente

proporcional al volumen, por lo que Va > Vb y Pa < Pb

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Una reaccin es endotrmica cuando los reactivos absorben energa en forma de calor para

formar productos.

Reactivos + calor Productos

Reactivos Productos H = (+)

Una reaccin es exotrmica cuando los reactivos forman productos ms energa en

forma de calor

Reactivos Productos + calor

Reactivos Productos H = (-)

Los cambios de temperatura no solo afectan el equilibrio, sino que tambin modifican

numricamente el valor de la constante de equilibrio.

Un aumento de temperatura favorece a una reaccin endotrmica y una disminucin de

temperatura favorece a una reaccin exotrmica

Nota. Explicar cuando la energa se expresa como calor o como entalpia

N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) H = 180.8 Kj

2SO2 (g) + O2 (g) 2SO3 (g) H < 0

En una reaccin endotrmica, un aumento de temperatura (T) da como resultado un desplazamiento

del equilibrio hacia los productos y un aumento del valor de Keq

En una reaccin exotrmica, un aumento de temperatura (T) da como resultado un desplazamiento

del equilibrio hacia los reactivos y una disminucin del valor de Keq .

Ejercicio:

a) Especifique hacia donde se desplazara el equilibrio en las siguientes reacciones cuando se

produce un aumento de temperatura.

Al2O3 (s) + 399 Kcal 2Al (s) + 3/2 O2 (g)

B2O3(s) + 3H2O(l) + 482 Kcal B2H(a.c) + 3 O2(g)

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CaCO3 (s) + CaO (s) + CO2 (g)

H2O(l) + C(s) + H2 (g) + CO (g)

b) Especifique hacia donde se desplazara el equilibrio en las siguientes reacciones cuando se

produce un aumento de temperatura en el sistema.

C3H8 (g) + O2 (g) 3CO2 (g) + 4H2O (g) + 341 Kcal

2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g) + 116 Kcal

Zn (s) + H2SO4 (g) ZnSO4 (s) + H2 (g) + 34.2 Kcal

6.1.4 Efecto de un catalizador.

En realidad un catalizador no modifica el valor de keq. No desplaza el equilibrio hacia reactivos o

productos, su funcin es la de reducir la barrera de energa de activacin (Ea) entre los reactivos y

productos, aumentando la rapidez de la reaccin tanto directa como inversa, de igual manera,

ayudando a alcanzar con mayor rapidez el estado de equilibrio.

Energa de activacin. Es la energa que debe vencerse para que una reaccin se produzca.

CIDOS Y BASES EN DISOLUCIN ACUOSA

Objetivo 7 Conocer las Propiedades operacionales de los cidos y bases.

7.1. Caractersticas que diferencian a un cido de una base.

Introduccin. Ya en el ao 1663, el cientfico ingls Robert Boyle estableci una serie de

propiedades comunes a todos los cidos, que fueron extendindose con el transcurso del tiempo.

En los comienzos del siglo XIX los cidos y las bases fueron caracterizados mediante sus

reacciones a las que se les llam, Propiedades Operacionales :

cidos.

Compuestos que tienen un sabor agrio tpico, llamado sabor cido,(no se prueban con la boca).

Producen una sensacin picante al entrar contacto con la piel.

Sus disoluciones acuosas cambian el color de muchos colorantes vegetales; por ejemplo,

producen un color rojo en el papel tornasol azul.

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Contiene hidrgeno que puede liberarse, en forma gaseosa, cuando a sus disoluciones diluidas

o concentradas se les aade un metal activo.

Ejemplo:

2HCl (ac) + Zn (s) ZnCl2 (ac) + H2 (g)

Disuelven muchas sustancias.

Cuando reaccionan con hidrxidos metlicos, pierden todas sus propiedades caractersticas.

Ejemplo:

HCl (ac) + NaOH (ac) NaCl (ac) + H2O (l)

cido Base Sal Agua

Bases

Tienen sabor amargo caracterstico,(no deben probar).

Sus disoluciones acuosas son resbaladizas al tacto, (jabonosas).

Sus disoluciones acuosas cambian el color de muchos colorantes vegetales; por ejemplo, el color

del papel tornasol rojo cambia a azul.

Precipitan muchas sustancias, que son solubles en los cidos.

Pierden todas sus propiedades caractersticas cuando reaccionan con un cido.

Esta ltima cualidad de las bases, anloga a la de los cidos, de neutralizar sus propiedades

caractersticas cuando reaccionaban entre s, se llam neutralizacin.

Ejemplo:

KOH(ac) + HNO3 (ac) KNO3 (ac) + H2O (l)

Base Acido Sal Agua

Para diferenciar los cidos de las bases, se establecieron ciertas caractersticas que deben cumplir

las sustancias para clasificarlas como tales; es as que surgieron tres teoras con ese propsito.

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Objetivo 8. Explicar la teora de Arrhenius

Arrhenius consider a los cidos como toda sustancia que en disolucin acuosa es capaz de

producir o generar iones hidrgeno, (H+) y bases a toda sustancia que en disolucin acuosa es

capaz de producir o generar iones oxidrilos, (OH-).

HCl (ac) H+

(ac) + Cl- (ac)

KOH (ac) K+ (ac) + OH

-(ac)

Limitacin. Esta teora est restringida a disoluciones acuosas y tambin define a cidos

como sustancias que deben contener hidrgenos y bases, OH-

Cuando un cido y una base de Arrhenius reaccionan, generan una sal y agua; a esta

reaccin se le conoce como reaccin de neutralizacin.

HCl (ac) + NaOH (ac) NaCl (ac) + H2O (l)

Objetivo 9. Explicar la teora de Brnsted Lowry

Teora de Brnsted Lowry. Define como cido a toda sustancia (molcula o Ion) capaz de donar

protones y Base, toda sustancia capaz de aceptar protones

H2CO3 (ac) + H2O (l) HCO3- (ac) + H3O

+ (ac)

Dona protn acepta protn

cido Base

HSO4-(ac) + OH

- (ac) SO4

2-(ac) + H2O (l)

Dona protn acepta protn

cido Base

En virtud de que el concepto de Brnsted Lowry hace nfasis en la transferencia de protones,

tambin se aplica a reacciones que no se llevan a cabo en disolucin acuosa.

La importancia de esta teora es que introduce los conceptos de Par cido/base conjugados.

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PPaarr cciiddoo//bbaassee ccoonnjjuuggaaddoo

Siempre que una sustancia se comporta como cido (cede H+) hay otra que se comporta como base

(captura dichos H+).

Cuando un cido pierde H+ se convierte en su base conjugada y cuando una base captura H+ se

convierte en su cido conjugado.

Una extensin de la definicin de cidos y bases de la teora de Brnsted Lowry es el concepto de

par cido-Base conjugados.

Ejemplo:

CH3-COOH + H2O CH3-COO- + H3O

+

cido Base Base conjugada cido conjugado

Los pares conjugados son: CH3-COOH / CH3-COO-

y H2O / H3O+

Tambin puede expresarse de la siguiente manera.

CH3-COOH + H2O CH3-COO- + H3O

+

cido 1 Base 2 Base 1 cido 2

Aplicndolo a una base como el amoniaco.

NH3 + H2O NH4+

+ OH-

Base 1 cido 2 cido 1 Base 2

Los pares conjugados son: NH3 / NH4+

y H2O / OH-

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Objetivo 10.

Teora de Lewis. Introduce los conceptos de cidos y bases en funcin de electrones compartidos.

CIDO: Sustancia que contiene al menos un tomo con un orbital vaco, capaz de aceptar un par

de electrones y formar un enlace covalente coordinado.

BASE: Sustancia que contiene al menos un tomo capaz de aportar un par de electrones para

formar un enlace covalente coordinado.

Ejemplos:

HCl(g) + H2O(l) H3O+

(ac) + Cl (ac)

En este caso el HCl es un cido porque contiene un tomo (de H) que al disociarse y quedar como

H+ va a aceptar un par de electrones del oxgeno del H2O formando un enlace covalente coordinado

al formar la especie, (H3O+).

NH3(g) + H2O(l) NH4+

(ac) + OH

(ac)

En este caso el NH3 es una base porque contiene un tomo (N) capaz de aportar un par de electrones

en la formacin del enlace covalente coordinado en la especie (NH4+).

Tambien existen otros compuestos con tomos que poseen orbital vaco como el AlCl3 que puede

actuar como cido

AlCl3 + :NH3 Cl3Al:NH3

Cl H Cl H I I I ICl Al + N H Cl Al N H I I I I

:

Cl H Cl H

La teora de Lewis considera a todo cido como una especie que puede unirse a un par de

electrones de otra especie para formar un enlace covalente coordinado. Y a una Base como una

especie que tiene un par de electrones y puede utilizarlos para formar un enlace covalente

coordinado con otra especie.

H+ + H2O H3O

+

cido Base

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BF3 + :NH3 F3B : NH3

cido Base

Esta ltima reaccin se le conoce como neutralizacin de Lewis.

Objetivo 11. Interpretar la constante de Ionizacin del agua y sus propiedades cido-base.

11.1 Propiedades cido - base del agua

El Agua Posee una Propiedad Especial de actuar tanto como un cido o como una base. En

presencia de un cido como por ejemplo el HCl o CH3-COOH, su comportamiento es la de una

base y en presencia de una base como el amoniaco NH3 su comportamiento es como el de un cido;

esto es conocido como anfoterismo (propiedad que presentan algunos compuestos que pueden

actuar ya sea como cidos o como bases segn el medio en el que se encuentren).

En la reaccin anterior el agua acta como una base aceptando un protn donado por el cido

actico; mientras que en la siguiente reaccin el agua acta como un cido, donando un protn al

amoniaco.

Autoionizacin del agua

La autoionizacin del agua (tambin llamada autodisociacin del agua o autoprotlisis del agua) es

la reaccin qumica en la que dos molculas de agua reaccionan para producir un ion hidronio (H3O+)

y un ion hidrxido (OH):

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

(aq)

Este es un ejemplo de autoprotlisis, y se basa en la naturaleza anfotrica del agua.

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El agua, aunque sea pura, no es una simple coleccin de molculas de H2O. Incluso en "agua pura", un

equipo sensible puede detectar una conductividad muy leve de 0,055Scm-1(Scm-1. Significa

microSiemens/ cm). Segn las teoras de Arrhenius, esto se debe a la presencia de iones.

La auto ionizacin del agua puede escribirse de la siguiente manera.

H2O(l) H+

(ac) + OH-(ac)

Deduciendo de la ecuacin anterior la expresin de la constante de equilibrio, se obtiene:

Debido que la [H2O(l)] permanece prcticamente sin cambio constante, esta es incluida como parte

de la Keq, quedando la ecuacin de la siguiente manera:

[H2O] x Keq = [H+] [OH

-], siendo ms especfico (55.5 M x Keq) = [H

+] [OH

-]

Si [H2O] y la Keq poseen valores constantes, el producto de ambas se define como Kw; por lo que

la expresin de la constante de Ionizacion del agua queda definida de la siguiente manera:

Kw = [H+] [OH

-]

Donde Kw. es denominada constante del producto inico del agua, la cual se ha comprobado

experimentalmente que tiene un valor de 1x10-14

.

Si [H+] [OH

-] = 1x10

-14. y Si se sabe que en el equilibrio [H

+] = [OH

-], por lo tanto estas tendrn

un valor de 1x10-7

M cada una.

Keq = [H

+] [OH

-]

[H2O]

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Objetivo 12. Aplicar el principio de Le Chatelier cuando se adiciona un cido o una base al

agua.

En las reacciones cido-base, la concentracin de iones hidrgeno es muy importante, ya que

indica la acidez o basicidad de la disolucin.

En una disolucin se puede modificar tanto la concentracin de iones hidrgeno [H+], como la

concentracin de iones oxidrilos [OH-] pero no se pueden variar ambas de manera independiente.

Si se aumenta la concentracin de iones hidrgeno [H+], la concentracin de iones oxidrilos [OH

-]

deber disminuir para mantener constante el producto de las dos concentraciones en 1x10-14

.

H2O(l) H+

(ac) + OH-(ac)

Si en el equilibrio del agua, adicionamos un cido, segn el principio de Le Chatelier, parte de los

iones H+

agregados reaccionarn con los iones OH

- y desplazar el equilibrio hacia la izquierda,

con lo cual se reestablecer un nuevo estado de equilibrio pero sin modificar el valor de la

constante (1x10-14

). De igual manera suceder si se agrega una base. Los iones OH

- reaccionarn

con los iones H

+ y desplazarn el equilibrio hacia la izquierda, con lo cual se reestablecer un

nuevo equilibrio pero sin modificar el valor de la constante.

H2O(l) H+

(ac) + OH-(ac)

Agregando un cido fuerte, H+

(ac) o una base fuerte , OH-(ac)

El equilibrio

Ejemplo Resuelto.

Si se ajusta una disolucin, de forma que la concentracin de hidrgeno sea

[H+] = 1.0x10

-6, determine la concentracin de iones oxidrilos [OH

-].

Solucin.

Sabiendo que [H+] x [OH

-] = 1x10

-14

Despejando se obtiene [OH-] = 1x10

-14 / [H

+].

Sustituyendo el valor de la concentracin de iones hidrgenos.

[OH-] = 1x10

-14 / 1.0x10

-6

[OH-] = 1x10

-8 M

20

Ejemplo Resuelto.

Calcule la concentracin de iones hidrgeno [H+] en:

a) una disolucin con [OH-] = 0.01M

b) Una disolucin con [OH-] = 1.8x10-9 M.

Solucin.

a) Como [H+] x [OH

-] = 1x10

-14

Despejando se obtiene [H+] = 1x10

-14 / [OH

-]

Sustituyendo [OH-] = 0.01M, se obtiene para el literal a) [H+] = 1x10-14 / 0.01

[H+] = 1x10

-12

b) Sustituyendo [OH-] = 1.8x10

-9 M, se obtiene para el literal b) [H

+] = 1x10

-14 / 1.8x10

-9

[H+] = 5.556 x10

-6

Cuando en una disolucin las [H+] y [OH

-] son iguales se tiene una disolucin neutra, si la [H

+] >

[OH-], la disolucin es cida y si la [H

+] < [OH

-], la disolucin es bsica.

12.1 Comparacin de la acidez o basicidad de una disolucin, respecto a la concentracin de

iones hidrgeno.

[H+] > 1x10-

7M disolucin cida

[H+] = 1x10-

7M disolucin Neutra

[H+] < 1x10-

7M disolucin Bsica

Ejemplo Resuelto.

Calcule la [OH-] en una disolucin en donde:

a) la [H+] es 2.0x10

-6M.

b) la [H+] es 1.0x10

-7M.

c) la [H+] es 2.5 x10

-11M.

Y clasifquelas como cidas, bsicas o neutras.

21

Solucin.

Como [H+] x [OH

-] = 1x10

-14

Despejando se obtiene [OH-] = 1x10

-14 / [H

+]

a) Sustituyendo [H+] = 2.0x10

-6M. Se obtiene [OH

-] = 1x10

-14 / 2.0x10

-6

[OH-] = 5x10

-9M

b) Sustituyendo [H+] = 1.0x10

-7M. Se obtiene [OH

-] = 1x10

-14 / 1.0x10

-7

[OH-] = 1x10

-7M

c) Sustituyendo [H+] = 2.5x10

-11M. Se obtiene [OH

-] = 1x10

-14 / 2.5x10

-11

[OH-] = 4x10

-4M

La disolucin a) es cida, la disolucin b) es neutra y la disolucin c) es bsica.

Objetivo 13. Calcular el pH y pOH a partir de [H+] y [OH

-]

13.1 La escala de pH

Dado que las concentraciones de iones hidrgeno [H+] y oxidrilos [OH

-] son numricamente

valores muy pequeos que normalmente se representan en notacin cientfica, resulta un tanto

difcil su manejo por lo que se propuso el uso de una medida o escala prctica denominada pH, el

cual se define como el logaritmo negativo de la concentracin de iones hidrgeno, as: pH = -Log

[H+]. De Igual manera se determin que pOH = -Log [OH

-]

De esta manera, conociendo la concentracin de iones hidrgeno u iones oxidrilo, se puede conocer

el valor de pH o pOH.

Ejemplo Resuelto.

Calcule el pH de las siguientes disoluciones:

a) Una disolucin con [H+] = 2.0x10-6 M

b) Una disolucin con [H+] = 1.0x10-7 M

c) Una disolucin con [H+] = 2.5x10-11 M

Solucin

Como pH = -Log [H+].

Sustituyendo se obtiene:

a) pH = -Log 2.0x10-6 , pH = 5.7

b) pH = -Log 1.0x10-7 , pH = 7.0

c) pH = -Log 2.5x10-11 , pH = 10.6

22

13.2 Relacin entre pH con la acidez y basicidad de una disolucin.

13.3 Relacin entre pH y pOH.

Utilizando la expresin [H+] [OH

-] = 1x10

-14

Aplicando logaritmo negativo a cada termino de la igualdad; se obtiene.

-Log ([H+] [OH

-]) = -log 1x10

-14

Aplicando una de las leyes de los logaritmos que establece que el logaritmo de un producto es igual

al logaritmo del primer factor ms el logaritmo del segundo factor.

Obtenemos: pH + pOH = 14

14 7 0 pOH

0 cido 7 Bsico 14 pH

Neutro

A partir de las formulas de pH = -Log [H+] y pOH = -Log [OH

-] y conociendo el pH y pOH, se

puede deducir la formula para calcular el valor de las concentraciones de iones hidrgeno y iones

oxidrilo, de la siguiente manera:

Si pH = -Log [H+] , [H

+] = anti Log (pH) [H+] = Inverso Log (pH) [H+] = 10-pH

Si pOH = -Log [OH-], [OH

-] = anti Log (pOH) [OH-] = Inverso Log (pOH)

[OH-] = 10

-pOH

pHmetro para medir concentracin de H+

Toda disolucin cuyo pH = 7 es una disolucin neutra.

Toda disolucin cuyo pH < 7 es una disolucin cida.

Toda disolucin cuyo pH > 7 es una disolucin bsica

23

Ejercicio:

Haga los clculos necesarios y complete el siguiente cuadro:

PH pOH [OH-] [H

+]

disolucin cida, bsica

o neutra

5

4

3.6 x 10-5

M

6.25 x 10-3

M

Neutra

1x10-7

M

Ejercicio:

La sangre humana tiene un pH aproximado de 7.4. Calcule el pOH, la [H+] y la [OH-].

Calcule el pH y pOH del jugo de limn, si su [H+] es aproximadamente 3.8 x 10-4 M

Una disolucin comn de limpiador de ventanas y piso tiene una concentracin de iones

hidrgeno [H+] = 5.3 x 10

-9 M. Calcule su pH, pOH y establezca si la disolucin es cida,

bsica o neutra.

Una muestra de jugo de manzana tiene un pOH de 10.25.Calcule el pH, la [H+] y [OH-].

A continuacin se presenta un grfico donde se relaciona diferentes sustancias con su pH.

Grfica de pH en sustancias comunes

CIDO BSICO

14 1 2 3 4 6 8 9 10 11 12 13 5 7

Zumo de

limn

Cerveza Leche

Agua Pura

Sangre Agua mar Amoniaco

24

Objetivo 14 Conocer la Clasificacin de los cidos y bases como fuertes o dbiles

De acuerdo al grado de disociacin en disolucin acuosa, los cidos y las bases se pueden

clasificar en fuertes y dbiles.

14.1 cidos y bases fuertes

Los cidos y bases fuertes tambin se conocen como electrolitos fuertes, ya que existen en

disolucin acuosa casi exclusivamente como iones. Significa que los cidos y las bases fuertes

generalmente son las que se disocian por completo en disolucin acuosa.

HNO3 (ac) + H2O(l) H3O+ (ac) + NO3

- (ac)

En este caso la flecha en un solo sentido indica que las nicas especies que existen son el Ion

hidrgeno H+ y el Ion nitrato NO3

- acuosos. La siguiente tabla muestra los cidos y bases fuertes

conocidos.

Tabla 14.1.1 cidos y bases fuertes.

Nota: Los valores de Ka fueron obtenidos del Internet

Ejemplo Resuelto.

Calcule el pH para cada una de las disoluciones 0.02M de: a) HNO3, b) H2SO4 y c) NaOH.

Solucin.

a) En esta disolucin (de un cido fuerte), las nicas especies existentes en disolucin son los iones

hidrgeno y nitrato, por lo tanto la concentracin de estas tendr el mismo valor que la

concentracin inicial del cido.

cidos Fuertes Ka Bases Fuertes Kb

HCl 107 NaOH Grande

HClO4 1010

KOH Grande

HNO3 200 LiOH Grande

H2SO4 Grande RbOH Grande

HClO3 10 CsOH Grande

HBr 109 Sr(OH)2 Grande

HI 109 Ca(OH)2 Grande

Ba(OH)2 Grande

25

HNO3(ac) H+

(ac) + NO3- (ac)

0.02 M 0.02M

[H+] = 0.02M, pH = -Log [H

+] pH = -Log 0.02

pH = 1.69

En esta disolucin las nicas especies existentes son los iones hidrgeno y el ion sulfato, por lo

tanto la concentracin de iones hidrgeno tendr el mismo valor que la concentracin inicial del

cido multiplicado por el factor estequiomtrico, 2.

b) H2SO4(ac) 2H+

(ac) + SO4-2

(ac)

0.02M 2 (0.02M)

[H+] = 2 x 0.02M, [H

+] = 0.04M; pH = -Log 0.04.

pH = 1.39

c) NaOH(ac) Na+

(ac) + OH- (ac)

0.02 M 0.02 M

Las nicas especies existentes son los iones sodio y oxidrilo, por lo tanto la concentracin de estos

iones tendr el mismo valor que la concentracin inicial de la base.

Como la disolucin contiene iones oxidrilos, se deber encontrar primero el pOH, para luego

determinar el pH.

Si [OH-] = 0.02 M. y pOH = -Log [OH

-] = -Log 0.02 = 1.69

Como pH + pOH = 14 , entonces

pH = 14 1.69

pH = 12.31.

14.2 cidos y bases dbiles

Los cidos y bases dbiles son llamados tambin electrolitos dbiles debido a que estos se

disocian de forma parcial en el agua. La mayora de los cidos y bases son dbiles.

Utilizando una ecuacin general para un equilibrio de cualquier cido dbil como la siguiente.

26

HA (ac) + H2O (l) H3O+ (ac) + A

- (ac)

Un ejemplo de cido dbil es el cido actico cuya ecuacin de equilibrio y su disociacin es la

siguiente:

Para este equilibrio en disolucin acuosa existe presencia tanto de las especies ionizadas como del

cido de donde provienen, por lo que, para determinar las concentraciones de las especies en

disolucin, es necesario aplicar los conocimientos de equilibrio qumico.

CH3-COOH (ac) + H2O(l) CH3-COO-

(ac) + H3O+

(ac)

La expresin para la constante de equilibrio para la disociacin del cido actico queda de la

siguiente manera:

Para los cidos, la constante de disociacin de denomina Ka.

Un ejemplo para una base dbil es el amoniaco, su disociacin es la siguiente:

NH3(g) + H2O(l) NH4+

(ac) + OH-(ac) o tambin

NH4OH(ac) NH4+

(ac) + OH-(ac)

Para este equilibrio en disolucin acuosa existe presencia tanto de las especies ionizadas como de

la base de donde provienen. La expresin para la constante de equilibrio queda de la siguiente

manera:

Para las bases, la constante de disociacin se denomina Kb

Keq = [H3O

+] [A

-]

[HA]

Ka = [H3O

+] [ CH3-COO

-]

[ CH3-COOH ]

Kb = [ NH4

+] [ OH

-]

[ NH3]

Kb = [ NH4

+] [ OH

-]

[ NH4OH]

Nota: Recuerde que las concentraciones de los

lquidos puros no se incluyen en la expresin de la constante de equilibrio.

27

14.3 Calculo de la Ka a partir del pH.

Para calcular concentraciones de las especies en el equilibrio de la disociacin de un cido o base

dbil de concentracin inicial [a] es necesario realizar el anlisis utilizando el siguiente proceso:

I. Se representa la ecuacin de equilibrio del cido o la base en anlisis.

II. Se establece que al inicio (cuando la disociacin aun no ha ocurrido), la concentracin de los

iones es cero, mientras la de la especie molecular es igual a la inicial.

III. En la etapa de cambio se considera que la concentracin de la especie molecular ha disminuido

en X cantidad y la de las especies ionizadas ha aumentado la misma X cantidad.

IV. En el equilibrio la concentracin de todas las especies se encuentra por diferencia de la inicial

menos el cambio.

V. Por ultimo se establece la expresin para la constante de equilibrio y se resuelve.

HX(ac) H+

(ac) + X-(ac)

Inicio [ a ] M 0.0 0.0

Cambio -X +X +X

Equilibrio [ a ] - X X X

Ejemplo Resuelto.

Una disolucin de cido frmico 0.1M en equilibrio, tiene un pH de 2.38 a 25 C. Calcule: la Ka y

el porcentaje de Ionizacin.

Solucin.

I. La disociacin del cido formico se representa mediante el siguiente equilibrio.

HCOOH (ac) HCOO-(ac) + H

+(ac)

II. III. IV.

HCOOH (ac) + H2O(l) HCOO-(ac) + H3O

+(ac)

Keq = [X] [X]

[ a ] - X

Inicio 0.1 M 0.0 0.0

Cambio -X +X +X

Equilibrio 0.1 - X X X

Recuerde: Los valores de las concentraciones

utilizadas en la expresin de la constante de

equilibrio, son las de las especies en el equilibrio.

28

V. Al establecer la expresin de la constante de equilibrio, encontramos que primero ser necesario

determinar la concentracin de iones hidrgeno, la cual ser obtenida a partir del pH.

Se sabe que el pH de cualquier disolucin es obtenido a partir de la concentracin de iones

hidrgeno en el equilibrio.

Si pH = -Log [H+], por lo tanto X = [H

+] = 10

pH; al sustituir se obtiene:

[H+] = 10

-2.38, [H

+] = 4.17x10

-3 M. Como las concentraciones de las especies ionizadas son iguales

en el equilibrio, la concentracin del in formiato es por lo tanto 4.17x10-3

M.

As tambin la [HCOOH]= 0.1- 4.17x10-3

, [HCOOH]= 9.58x10-2.

Al sustituir las concentraciones en la expresin de la constante de equilibrio se obtiene:

Ka = [4.17x10-3

x 4.17x10-3

] / 9.58x10-2

Ka = 1.8 x 10 -4

El porcentaje de Ionizacion se define como la relacin entre el valor de la concentracin de las

especies ionizadas y el valor de la concentracin inicial de la especie molecular, multiplicado por

cien.

% de Ionizacion = [Especies Ionizadas]

[Acido o Base en analisis]X 100

% de Ionizacion = [4.17 x 10-3

/ 0.1] x 100

% de Ionizacion = 4.17 %

Ka = [H3O

+] [ HCOO

-]

[ HCOOH ]

29

13.4 Calculo del pH a partir de la Ka.

Ejemplo Resuelto para un cido.

Calcule el pH de una disolucin de cido cianhdrico HCN que inicialmente tiene una

concentracin de 0.2 M y cuya Ka = 4.9x10-10

.

Solucin.

HCN(ac) + H2O(l) CN-(ac) + H3O

+(ac)

Inicio 0.2 M 0.0 0.0

Cambio -X +X +X

Equilibrio 0.2 - X X X

Obteniendo la expresin de la constante de equilibrio.

Al sustituir la equivalencia de las especies en equilibrio se obtiene:

Ka =X2

0.2 - X

Considerando que la constante de equilibrio tiene un valor muy pequeo, puede asumirse que el

valor de X comparado con el valor de la concentracin inicial del cido es insignificante, por lo

tanto se asume que el trmino 0.2 X es aproximadamente igual a 0.2M, para efecto de evitar que

la expresin de la constante de equilibrio se convierta en una ecuacin cuadrtica.

Ka =X2

0.2

Al sustituir el valor de la Ka y desarrollar la ecuacin se obtiene.

X2

0.2 4.9x10-10 =

Ka = [H3O

+] [ CN

-]

[ HCN ]

30

Al despejar X se encuentra que su valor de X = 9.9x10-6

M el cual es igual a la concentracin del

Ion cianuro y de Ion hidrgeno (Hidronio).

[CN-] = [H

+] = 9.9x10

-6 M

Como el problema nos pide encontrar el pH, sustituimos el valor de la concentracin de iones

hidrgeno, y por lo tanto el pH = -Log 9.9x10-6

, dando como resultado un pH = 5.0.

Cul sera el pH si la disolucin fuese de amonaco NH3, Kb = 1.8 x10-5

? R/ pH = 11.28

Ejemplo Resuelto para una base.

Calcule el pH de una disolucin de amoniaco NH3 que inicialmente tiene una concentracin de

0.15 M y cuya Kb = 1.8x10-5

.

Solucin.

NH3(ac) + H2O(l) NH4+

(ac) + OH-(ac)

Inicio 0.15 M 0.0 0.0

Cambio -X +X +X

Equilibrio 0.15 - X X X

Obteniendo la expresin de la constante de equilibrio.

Considerando que la constante de equilibrio tiene un valor muy pequeo, puede asumirse que el

valor de X (de NH4+ y OH

-), comparado con el valor de la concentracin inicial de la base es

insignificante, por lo tanto se asume que el termino 0.15 X es aproximadamente igual a 0.15M,

para efecto de evitar que la expresin de la constante de equilibrio se convierta en una ecuacin

cuadrtica.

A partir de la expresin de la constante de equilibrio se puede obtener el valor de la concentracin

de iones oxidrilos.

Kb = [NH4

+] [ OH

-]

[ NH3 ]

Kb [NH3]

=X2

31

Sustituyendo el valor de la Kb.

Aplicando raz cuadrada a cada termino de la igualdad.

Como se sabe que pOH = - Log [OH-]

Sustituyendo. pOH = - Log 1.64x10-3,

se obtiene que pOH = 2.78

A partir de la ecuacin pH + pOH = 14 despejamos el valor de pH, resultando un pH de la

solucin de 11.22

Los distintos valores de Ka y Kb (constantes de disociacin de cidos y bases dbiles) son

directamente proporcionales a la fuerza de los cido y las bases, as entre mas pequeos son los

valores de Ka y Kb, mas dbil ser la fuerza de estos y viceversa.

Tabla 14.3.1 Constantes de disociacin de cidos dbiles.

Nombre Frmula Ka

cido nitroso HNO2 5.0 x 10-4

cido hipobromoso HBrO 2.3 x 10-9

cido hidrazico HN3 2.37 x 10-5

cido cianhdrico HCN 4 x 10-10

cido hipocloroso HOCl 3.5 x 10-8

Tabla 14.3.2 Constantes de disociacin de bases dbiles.

Nombre Frmula Kb

Amoniaco NH3 1.8 x 10-5

Anilina C6H5NH2 4.0 x 10-10

Etilamina C2H5NH2 4.3 x 10-4

Hidracina H2NNH2 8.5 x 10-7

X = 0.151.8x10-5 x

[NH4+][OH-]X = = = 1.64x10-3 M

=X1.8x10-5 0.15 X2

=1.8x10-50.15

X2

32

Hidroxilamina HONH2 6.6 x 10-9

Piridina C5H5N 1.5 x 10-9

Trimetilamina (CH3)3N 7.4 x 10-5

Atropina 4.5 x 10-5

Efedrina 2.3 x 10-5

Morfina 7.4 x 10-7

Tabla 14.3.3 Constantes de disociacin de algunos antihistamnicos

Antihistamnico Kb

Clorociclizina 1.41 x 10-6

Bromoteno 4.26 x 10-6

Cloroteno 5.01 x 10-6

Metapirileno 7.07 x 10-6

Tripelenamina 8.91 x 10-6

Fenindamina 9.55 x 10-6

Prometazina 1.20 x 10-5

Objetivo 15. Interpretar el significado de disoluciones amortiguadoras.

15.1 Disoluciones amortiguadoras

Una disolucin amortiguadora conocida tambin como disolucin Buffer, disolucin tampn y

como disolucin reguladora de pH, es aquella que tiene la capacidad de soportar cambios

significativos de pH, cuando se le agrega pequeas cantidades de cido o base fuertes. Estas

disoluciones contienen tanto especies cidas (capaces de neutralizar OH-), como especies bsicas

(capaces de neutralizar H+); pero que no reaccionan entre s para neutralizarse.

Las disoluciones amortiguadoras estn compuestas por:

a) Un cido dbil con una sal proveniente de dicho cido. O dicho de otra manera un cido dbil

con su base conjugada. Estas disoluciones por tener un pH menor que 7, se les conoce tambin

como amortiguadores cidos .

33

b) Una base dbil con una sal proveniente de dicha base. O dicho de otra manera una base dbil

con su cido conjugado. Estas disoluciones por tener un pH mayor que 7, se les conoce tambin

como amortiguadores bsicos.

Ejemplos de disoluciones amortiguadoras.

CH3COOH / CH3COO-Na

+

H3PO4 / H2PO4- K

+

NH3 / NH4+Cl

-

H2CO3 / HCO3-Na

+

CH3NH2 / CH3NH3+ Cl

-

Como se establece el equilibrio de una disolucin amortiguadora.

Si se tiene por ejemplo la disolucin formada por cido actico CH3COOH(ac) y acetato de sodio

CH3COONa(ac), el equilibrio se establece entre el cido actico y el in acetato que provine de la

sal, la cual se disocia por completo. Ya que el que proviene del cido es prcticamente

insignificante. El ion sodio no afecta en nada el equilibrio, es un ion espectador.

CH3COOH (ac) + H2O(l) CH3COO-(ac) + H3O

+(ac)

CH3COONa (ac) CH3COO-(ac) + Na

+(ac)

El equilibrio que se establece es el siguiente:

CH3COOH (ac) CH3COO-(ac) + H

+(ac)

cido sal o Base conjugada

Calculo del pH de una disolucin amortiguadora.

Ejemplo Resuelto:

Calcule el pH de una disolucin amortiguadora formada por cido actico CH3-COOH 1.0 M y

acetato de sodio CH3-COONa 0.88 M. Ka = 1.8x10-5

34

Solucin.

El equilibrio establecido en la solucin amortiguadora es el siguiente.

CH3-COOH (ac) CH3-COO-

(ac) + H+

(ac)

Usando la expresin de la constante de equilibrio encontramos la concentracin de iones

hidrgeno, para luego determinar el pH.

Ka x [CH3-COOH] = [CH3-COO-] [H+]

El valor de la concentracin del cido es 1.0 M, mientras que la del in acetato es 0.88 M, ya que

este proviene de la sal, la cual se disocia por completo en disolucin acuosa. Despejando [H+]

Ka x [CH3COO-] = [H

+]

CH3COOH]

(1.8 x 10-5

) (1.0) = [H

+]

0.88

2.04 x10-5

M = [H+]

pH = -Log [H+], pH = -Log 2.04 x10

-5

pH = 4.69

Ka = [ H

+] [CH3COO

-]

[CH3COOH ]

35

Objetivo 16. Aplicacin de la ecuacin de Henderson Hasselbalch, para calcular el pH de

una disolucin amortiguadora

16.1 Deduccin de la ecuacin de Henderson Hasselbalch

Utilizando la expresin de equilibrio para el cido actico.

CH3-COOH (ac) CH3-COO-

(ac) + H+

(ac)

Despejando [H+]

Invirtiendo la ecuacin y aplicando logaritmo negativo base 10 a ambos lados de la igualdad.

Aplicando propiedades de logaritmos. (El logaritmo de un producto es igual a la suma de los

logaritmos de cada uno de los factores)

Invirtiendo el segundo factor de la derecha y aplicando propiedad de logaritmo.

Ka = [CH3COO

-] x [H

+]

[CH3COOH]

Ka x [CH3COOH]

= [H+]

[CH3COO-]

-Log [H+] = - Log Ka - Log

[CH3COOH]

[CH3COO-]

36

Sustituyendo Log [H+] por pH y - Log Ka por pKa se obtiene

La ecuacin anterior puede ser aplicada de manera general para cualquier solucin amortiguadora,

ya sea esta cida o bsica, as:

Para Cualquier amortiguador cido.

Aplicando el mismo procedimiento para un amortiguador bsico

Para Cualquier amortiguador bsico.

Aplicando la frmula de Henderson Hasselbalch al ejemplo anterior se obtiene:

pH = -Log 1.8 x10-5 + Log0.88

1.0

pH = 4.69

-Log [H+] = - Log Ka + Log

[CH3COO-]

[CH3COOH]

pH = pKa + Log [CH3COO

-]

[CH3COOH]

pH = pKa + Log [Base conjugada] o Sal

[Acido]

pOH = pKb + Log [Acido Conjugado ] o Sal

[Base]

Ecuacin de Henderson Hasselbalch

37

Objetivo 17 Clculo del pH de una disolucin amortiguadora cuando se le agrega un cido fuerte

o una base fuerte.

Calcular el pH de la disolucin amortiguadora anterior:

Cuando se agrega HCl 0.2 M

Cuando se agrega NaOH 0.2 M

El equilibrio establecido en la disolucin amortiguadora es el siguiente.

CH3-COOH (ac) CH3-COO-

(ac) + H+

(ac)

El cido clorhdrico por ser un cido fuerte, se disocia por completo de la siguiente manera:

HCl (ac) H+

(ac) + Cl-(ac)

Por lo tanto las especies en disolucin son nicamente los iones hidrgeno y cloruro, con una

concentracin de 0.2 M para ambos. Estas al ser agregadas a la solucin amortiguadora,

incrementan la concentracin de iones hidrgeno (productos), el cual reacciona con el in acetato,

desplazando el equilibrio hacia los reactivos (Principio de Le Chatelier). Esto significa que los

productos disminuyen y los reactivos aumentan.

Con base a lo anterior la concentracin de la base conjugada CH3-COO- se vera disminuida en 0.2M

y la del cido actico se ver incrementada en 0.2 M.

CH3-COOH (ac) CH3-COO-

(ac) + H+

(ac)

Sustituyendo lo datos en el equilibrio en la ecuacin de Henderson Hasselbalch se obtiene:

pH = -Log 1.8x10-5 + Log0.68

1.2

pH = 4.49

Inicio 1.0 M 0.88

Cambio +0.2 M -0.2 M

Equilibrio 1.0 + 0.2 = 1.2 M 0.88 0.2 = 0.68 M X

38

El hidrxido de sodio por ser una base fuerte, se disocia por completo de la siguiente manera:

NaOH (ac) Na+

(ac) + OH-(ac)

Por lo tanto las especies en disolucin son nicamente los iones sodio, que no afecta al equilibrio y

iones oxidrilos, con una concentracin de 0.2 M para ambas. Los iones oxidrilos agregados a la

disolucin amortiguadora, reaccionan con el cido actico, desplazando el equilibrio hacia los

productos (Principio de Le Chatelier). Esto significa que los productos aumentan y reactivos

disminuyen. Con base a lo anterior la concentracin del cido actico CH3-COOH se ver

disminuida en 0.2M y la de la base conjugada (in acetato) CH3-COO- se ver incrementada en 0.2 M.

CH3-COOH (ac) + OH-(ac) CH3-COO

-(ac) + H

+ (ac) + H2O(l)

Inicio 1.0 M 0.88

Cambio -0.2 M +0.2 M

Equilibrio 1.0 - 0.2 = 0.8 M 0.88 + 0.2 = 1.08 M X

pH = -Log 1.8x10-5 + Log 1.08

0.8 pH = 4.87

Efecto en el pH del Agua pura, cuando se agrega un cido fuerte o una base fuerte.

Efecto en el pH en una disolucin amortiguadora formada por cido actico 1.0 M y acetato

de sodio 0.88 M, cuando se agrega un cido fuerte o una base fuerte.

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A continuacin se esquematiza como acta una disolucin amortiguadora de cido carbnico y

carbonato cido de sodio cuando se le agrega cido y base fuerte.

Efecto en el pH en una disolucin amortiguadora formada por cido carbnico 0.6M y

carbonato cido de sodio 0.8M, cuando se agrega un cido fuerte o una base fuerte.

H2CO3 / HCO3-

0.8 M 0.6 M pH = 6.25

H2CO3 / HCO3-

0.4 M 1.0 M pH = 6.77

Agregar 0.2 moles de

NaOH a 1 L de

Solucin

Agregar 0.2 moles

de HCl a 1 L de

Solucin

H2CO3 / HCO3-

0.6 M 0.8 M pH = 6.5