10 Reacciones de transferencia de protones

ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN
10
1.
Reacciones de transferencia de protones
Si 100 mL de una disolución de ácido hipocloroso contienen 0,001 moles de dicho ácido (Ka ⫽ 3,2·10⫺8), calcula:
a) El pH de la disolución.
b) El grado de disociación del ácido.
c) Si esos 100 mL de disolución se diluyen hasta un volumen total de 1 litro, ¿cuál es el nuevo pH?
2.
Calcula el pH de una disolución 0,20 N de ácido sulfúrico.
Dato: Ka (HSO⫺4 ) ⫽ 1,26·10⫺2
3.
Se colocan 20 mL de una disolución 0,1 molar de amoniaco en un matraz aforado de 500 mL y se completa
con agua hasta conseguir dicha cantidad de disolución. ¿Qué color tomará la disolución al añadir unas gotas de
fenolftaleı́na?
Dato: Kb ⫽ 1,75·10⫺5
Nota: La fenolftaleı́na es un indicador cuyo intervalo de viraje se encuentra entre 8 y 9,5. Por debajo de pH ⫽ 7
es incolora, pasando a color rosa cuando alcanza el pH ⫽ 8 y volviéndose completamente roja a partir de 9,5.
QUÍMICA – 2.o Bachillerato
Actividades de ampliación
SOLUCIONES
1.
Se trata de un ácido débil cuyo equilibrio podemos escribir: HClO ⫹ H2O
ClO⫺ ⫹ H3O⫹
HClO
ClO⫺
H3O⫹
0,01
0
0
Variación en la concentración (M)
⫺x
x
x
Concentración en el equilibrio (M)
0,01 ⫺ x
x
x
Concentración inicial (M)
a) A partir de la constante de disociación:
Ka ⫽
[ClO⫺] [H3O⫹]
x2
x2
⬇
⯝
⫽ 3,2·10⫺8
[HClO]
0,01 ⫺ x
0,01
x ⫽ 1,8·10⫺5 mol/L ⫽ [H3O⫹]
pH ⫽ ⫺log 1,8·10⫺5 ⫽ 4,7
x
1,8·10⫺5 (mol/L)
⫽
⫽ 1,8·10⫺3. El grado de disociación del ácido es del 0,18 %.
c
10⫺2 (mol/L)
0,001 (mol)
c) La nueva concentración de la disolución es: c ⫽
⫽ 10⫺3 mol/L
1 (L)
b) Como ␣ ⫽
Procediendo de la misma forma que en el apartado a:
Ka ⫽
2.
x2
⫽ 3,2·10⫺8
10⫺3
x ⫽ 5,7·10⫺6 ⫽ [H3O⫹]
pH ⫽ 5,2
El ácido sulfúrico es un ácido diprótico que sufre dos disociaciones. La primera de ellas es completa, pues es un
ácido fuerte: H2SO4 ⫹ H2O
HSO⫺4 ⫹ H3O⫹
La segunda es un equilibrio: HSO⫺4 ⫹ H2O
SO2⫺
⫹ H3O⫹
4
1.a reacción
H2SO4
HSO⫺4
H3O⫹
Concentración inicial (M)
0,20
0
0
0
0,20
0,20
Concentración final (M)
HSO⫺4
SO2⫺
4
H3O⫹
0,20
0
0,20
Variación en la concentración (M)
⫺x
x
x
Concentración en el equilibrio (M)
0,20 ⫺ x
x
0,20 ⫹ x
2.a reacción
Concentración inicial (M)
Sustituyendo en la constante de equilibrio de la 2.a reacción (sin aproximar el denominador, pues ahora la
constante del ácido es elevada y el grado de disociación es alto y, por tanto, lo es la fracción disociada):
Ka ⫽
⫹
[SO2⫺
x (0,20 ⫹ x)
4 ] [H3O ]
⫽
⫽ 1,26·10⫺2
⫺
[HSO4 ]
0,20 ⫺ x
x ⫽ 0,01 mol/L
[H3O⫹] ⫽ 0,20 ⫹ 0,01 ⫽ 0,21
pH ⫽ ⫺log 0,21 ⫽ 0,68
3.
Calculamos los moles iniciales de amoniaco contenidos en los 20 mL: n ⫽ 0,1 (mol/L) · 0,02 (L) ⫽ 2·10⫺3 moles de NH3.
La concentración de la disolución preparada será: [NH3] ⫽
namoniaco
2·10⫺3 (mol)
⫽
⫽ 4·10⫺3 M
V
0,5 (L)
El amoniaco es una base débil cuyo equilibrio viene dado por: NH3 ⫹ H2O
NH⫹4 ⫹ OH⫺
NH3
NH⫹4
OH⫺
4·10⫺3
0
0
Variación en la concentración (M)
⫺x
x
x
Concentración en el equilibrio (M)
⫺3
x
x
Concentración inicial (M)
4·10
⫺x
La constante de disociación (despreciamos la variación en la concentración de amoniaco frente a la concentración
inicial, al ser base débil):
Ka ⫽ 1,75·10⫺5 ⫽
[NH⫹4 ] [OH⫺]
x2
x2
⫽
⬇
[NH3]
4·10⫺3 ⫺ x
4·10⫺3
x ⫽ [OH⫺] ⫽ 2,65·10⫺4; pOH ⫽ 3,58; pH ⫽ 10,42
La coloración es roja pues la disolución es básica.
Actividades de ampliación
QUÍMICA – 2.o Bachillerato
ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN
10
4.
Reacciones de transferencia de protones
En un laboratorio se tienen dos matraces con distintas disoluciones. Uno contiene 15 mL de ácido clorhı́drico de
concentración 0,05 M; y otro, 15 mL de ácido etanoico (acético) de la misma concentración (Ka ⫽ 1,8·10⫺5).
Calcula:
a) El pH de cada una de las disoluciones.
b) La cantidad de agua que debemos añadir a la más ácida para que el pH de las dos disoluciones sea el mismo.
5.
Un matraz A contiene hidróxido de sodio 10⫺4 M. Se sabe que tiene el mismo pH que una disolución de hipoclorito de sodio que se encuentra en otro matraz B. Indica la concentración de sal que tiene la disolución B.
Dato: Ka(ClO⫺) ⫽ 3,5·10⫺8
6.
Clasifica las siguientes sustancias en ácidos o bases siguiendo el criterio de Lewis:
BF3, NH3, Ag⫹, PCl3, H⫹, F⫺
QUÍMICA – 2.o Bachillerato
Actividades de ampliación
SOLUCIONES
4.
El ácido clorhı́drico es un ácido fuerte y se disocia completamente: HCl ⫹ H2O
Cl⫺ ⫹ H3O⫹
El segundo matraz contiene un ácido débil, parcialmente disociado: HAc ⫹ H2O
Ac⫺ ⫹ H3O⫹
Matraz de HCl
HCl
Cl⫺
H3O⫹
Concentración inicial (M)
0,05
0
0
0
0,05
0,05
Concentración final (M)
Matraz de HAc
HAc
Ac⫺
H3O⫹
Concentración inicial (M)
0,05
0
0
Variación en la concentración (M)
⫺x
x
x
Concentración en el equilibrio (M)
0,05 ⫺ x
x
x
a) El pH del matraz de HCl: pH ⫽ ⫺log [H3O⫹] ⫽ ⫺log 0,05 ⫽ 1,3
El pH del segundo matraz lo calcularemos a partir de su constante de equilibrio de disociación:
Ka ⫽
[Ac⫺] [H3O⫹]
x2
x2
⫽
⬇
⫽ 1,8 · 10⫺5
[HAc]
0,05 ⫺ x
0,05
x ⫽ [H3O⫹] ⫽ 9,5 · 10⫺4 mol/L
pH ⫽ ⫺log 9,5 · 10⫺4 ⫽ 3
b) Para conseguir el mismo pH diluimos el más concentrado: la disolución de HCl.
Necesitamos que su pH sea 3, es decir, una concentración de ion hidronio de 10⫺3. Como es un ácido fuerte
completamente ionizado: [H3O⫹] ⫽ [HCl] ⫽ 10⫺3 mol/L. Calculamos los moles iniciales y despejamos el
volumen:
nHCl ⫽ 0,05 (mol/L) · 0,015 (L) ⫽ 7,5 · 10⫺4 mol
V(L) ⫽
n
7,5 · 10⫺4 (mol)
⫽
⫽ 0,75 L ⫽ 750 mL
M
10⫺3 (mol/L)
Como tenemos 15 mL de partida, el agua necesaria hasta enrasar esos 750 mL es 735 mL.
5.
Calculamos el pH de la disolución de sosa; el hidróxido sódico es una base fuerte, por lo que la disociación será
completa y [OH⫺] ⫽ 10⫺4 mol/L. El producto iónico del agua es:
Kw ⫽ [H3O⫹] [OH⫺] ⫽ 10⫺14 mol/L
[H3O⫹] ⫽ 10⫺10 mol/L
Y el pH: pH ⫽ ⫺log [H3O⫹] ⫽ 10 para ambas disoluciones.
El hipoclorito es una sal que se disocia totalmente en agua:
NaClO
ClO⫺ (aq) ⫹ Na⫹ (aq)
El ClO⫺ es la base conjugada de un ácido débil; se produce, pues, hidrólisis:
ClO⫺ ⫹ H2O
HClO ⫹ OH⫺
ClO⫺
HClO
OH⫺
C
0
0
Variación en la concentración (M)
⫺x
x
x
Concentración en el equilibrio (M)
C⫺x
x
x
Concentración inicial (M)
Sabemos que el pH ⫽ 10, [H3O⫹] ⫽ 10⫺10 M y [OH⫺] ⫽ 10⫺4 M, luego x ⫽ 10⫺4 M. Como la constante de
disociación viene dada por:
K⫽
6.
[HClO] [OH⫺] [H3O⫹]
Kw
10⫺14
x2
x2
10⫺8
⫺7
⫽
⫽
⫽
2,9
·
10
⫽
⬇
⫽
[ClO⫺]
[H3O⫹]
Ka
3,5 · 10⫺8
c⫺ x
c
c
c ⫽ 0,03
Según la teorı́a de ácidos y bases de Lewis, ácido es toda especie capaz de aceptar un par de electrones, y base,
toda la que es capaz de ceder un par de electrones. Ası́, las especies con pares de electrones libres en su estructura
se comportarán como bases, y aquellas con orbitales libres donde alojar un par de electrones serán ácidos. Por
tanto:
Ácidos: BF3, Ag⫹, H⫹
Bases: NH3, PCl3, F⫺
Actividades de ampliación
QUÍMICA – 2.o Bachillerato