Ácido-Base TEMA-8 Características ÁCIDOS: BASES: · Tienen sabor agrio. · Tienen sabor amargo. · Son corrosivos para la piel. · Jabonosas al tacto pero · Enrojecen ciertos corrosivas con la piel. colorantes vegetales. · Dan color azul a ciertos · Disuelven sustancias colorantes vegetales. · Atacan a los metales · Precipitan sustancias desprendiendo H2. disueltas por ácidos. · Pierden sus propiedades al · Disuelven grasas. reaccionar con bases. · Pierden sus propiedades al reaccionar con ácidos. Definición de Arrhenius • Publica en 1887 su teoría de “disociación iónica”. • ÁCIDO: Sustancia que en disolución acuosa cede protones H+. • BASE: Sustancia que en disolución acuosa cede iones hidroxilo OH–. - SE LIMITA A DISOLUCIONES ACUOSAS Ejemplos de disociación de ácidos y bases según Arrhenius • ÁCIDOS: • HA (aq) A– + H+ • Ejemplos: – HCl (aq) Cl– + H+ – H2SO4 (aq) SO42– + 2 H+ • BASES: • BOH (aq) B + + OH– • Ejemplo: – NaOH (aq) Na+ + OH– Teoría de Brönsted-Lowry. • ÁCIDOS: • “Sustancia que cede protones H+ transformándose en su base conjugada” • BASES: • “Sustancia que acepta protones H+ transformándose en su ácido conjugado”. B + HA HB+ + Abase-1 + ácido-2 ácido c-1 + base c-2 - YA NO SE LIMITA A DISOLUCIONES ACUOSAS Ejemplos de ácidos y bases según Brönsted - Lowry 1) CH3-COOH + H2O 2) NH4+ + H2O 3) HSO4- +H2O 4) NH3 + H2O 5) S2- + H20 6) HCl + NH3 7) HS- + OH- . Indica los pares ácido-base conjugada que encuentres Equilibrio iónico del agua. • • La experiencia demuestra que el agua tiene una pequeña conductividad eléctrica lo que indica que está parcialmente disociada en iones: – AUTOIONIZACIÓN DE AGUA H2O(l) + H2O (l) ↔ H3O+(ac) + OH– (ac) H3O+ · OH– Kc = —————— H2O2 Como H2O es constante por tratarse de un líquido, llamaremos Kw = Kc · H2O2 K w [ H 3 O ] × [OH - ] • conocido como “producto iónico del agua” agua Concepto de pH. (Sörensen Bioquímico danés, en 1909) • El valor de dicho producto iónico del agua es: KW (25ºC) = 10–14 M2 • En el caso del agua pura: • ———– + – H3O = OH = 10–14 M2 = 10–7 M • Se denomina pH a: pH log [H3 O ] • Y para el caso de agua pura, como H3O+=10–7 M: • pH = – log 10–7 = 7 Tipos de disoluciones • • • • • Ácidas: H3O+ > 10–7 M pH < 7 Básicas: H3O+ < 10–7 M pH > 7 Neutras: H3O+ = 10–7 M pH = 7 En todos los casos: Kw = H3O+ · OH– luego si H3O+, entonces OH– debe disminuir para que el producto de ambas concentraciones continúe valiendo 10–14 M2 Gráfica de pH en sustancias comunes NEUTRO ÁCIDO 1 2 3 4 BÁSICO 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Leche, Zumo de Agua mar limón Cerveza agua Sangre Amoniaco potable 14 Como Kw = H3O+ · OH– = 10–14 M2 • Aplicando logaritmos y cambiando el signo tendríamos: pH + pOH = 14 • para una temperatura de 25ºC. • Siendo: pOH log [OH ] Ácidos fuertes y bases fuertes 1.- Ácidos fuertes: En agua están completamente ionizados. Todo el ion hidronio (H3O+) proviene de la ionización total del ácido. HCl + H2O Cl- + H3O+ 2.- Bases fuertes: En agua están completamente ionizados. Todo el ion hidróxido (OH-) proviene de la ionización total de la base, normalmente los hidróxidos iónicos. NaOH + H2O Na+ + OH- Actividad: El pH de una disolución acuosa es 12,6. ¿Cual será la OH– y el pOH a la temperatura de 25ºC? • pH = – log H3O+ = 12,6, de donde se deduce que: H3O+ = 10–pH = 10–12,6 M = 2,5 · 10–13 M • Como pH + pOH = 14 • pOH = 14 – 12.6 = 1.4 • Como pOH = -log[OH-] • [OH-] = 10-pOH = 10-1.4 = 0.04 M Actividad: Una disolución de ácido sulfúrico tiene una densidad de 1,2 g/ml y una riqueza del 20 % en peso. a) Calcula su concentración expresada en moles/litro y en gramos/litro. b) Calcule el pH de una disolución preparada diluyendo mil veces la anterior. Considera disociación total. (Sol: a) [H2SO4] = 2,45 mol/L, 240 g/L; b) pH = 2.35 ) Ácidos débiles. • En disoluciones acuosas diluidas de ácidos: - (H2O constante) - la fuerza de un ácido HA depende de la constante de equilibrio: • HA + H2O ↔ A– + H3O+ A– · H3O+ A– · H3O+ Kc = —————— Kc · H2O = —————— HA · H2O HA [ A ] [H 3 O ] K C [H 2 O ] Ka [HA] constante de disociación ácida Bases débiles. • En disoluciones acuosas diluidas de bases: - (H2O constante) - la fuerza de una Base B depende de la constante de equilibrio: • • B + H2O ↔ BH+ + OH– BH+ x OH– BH+ x OH– Kc = —————— Kc x H2O = —————— B x H2O B [BH ] [OH ] K C [H 2 O ] Kb [B ] constante de disociación básica Ácidos y bases débiles • Al igual que el pH se denomina pK a: • pKa= – log Ka pKb= – log Kb • Cuanto mayor es el valor de Ka o Kb mayor es la fuerza del ácido o de la base. Actividad: Determina el pH y el pOH de una disolución 0,2 M de NH3 sabiendo que Kb (25ºC) = 1,8 · 10–5 • Equilibrio: • co (mol/l): • ce (mol/l): NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH– 0,2 0 0 0,2 – x x x NH4+ x OH– x2 Kb = ——————— = ——— = 1,8 x 10–5 NH3 0,2 – x • De donde se deduce que x = OH– = 1,9 x 10–3 M • • pOH = – log OH– = – log 1,9 x 10–3 = 2,72 • pH = 14 – pOH = 14 – 2,72 = 11,28 Simplificación de la ecuación cuadrática en los equilibrios -La “x” suma o diferencia que aparece en el equilibrio de disociación de ácidos o bases débiles se podrá despreciar frente a la concentración inicial del ácido [HA]o o de la base [B]o sin disociar, siempre que se cumpla: Co 103 K HA + H2O ↔ A- + H3O+ Ka = 1.76 10-5 Co 3 3 8 . 510 10 [C]o Co 0 0 Co = 0.15 M → K a [C]e Co-x x x La “x” diferencia se desprecia en la ecuación de Ka B + H2O ↔ HB+ + OHKb = 1.36 10-3 Co 3 110 10 [C]o Co 0 0 Co = 0.15 M → Kb [C]e Co-x x x La “x” diferencia NO se desprecia en la ecuación de Kb Grado y porcentaje de ionización Actividad: Calcula el porcentaje de ionización del ácido acético en una disolución 1 M. Ka (25ºC) = 1,8 · 10–5 CH3-COOH = HA • Equilibrio: HA + H2O ↔ A- +H3O+ • co (mol/l): 1 0 0 • ce (mol/l): 1–x x x • A- x H3O+ x2 Ka = ——————— = ——— = 1,8 x 10–5 HA 1–x • Como (Co/Ka)>103 → se desprecia la “x” diferencia. • De donde se deduce que x = H3O+ = 4,2 x 10–3 M x 4,2 10 c 1 3 3 4,2 10 (%) 100 0,42% Ácidos polipróticos • Son aquellos que pueden ceder más de un H+. Por ejemplo el H2CO3 es diprótico. • Existen pues, tantos equilibrios como H+ disocie: • H2CO3 + H2O ↔ HCO3– + H3O+ • HCO3– + H2O ↔ CO32– + H3O+ • HCO3– · H3O+ Ka1 = ———————— H2CO3 • Ka1 = 4,5 · 10–7 M CO32– · H3O+ Ka2 = ——————— HCO3– Ka2 = 5,7· 10–11 M • La constantes sucesivas siempre van disminuyendo. Actividad: Sabiendo que el ácido sulfúrico tiene una ionización de ácido fuerte seguida de una segunda ionización de ácido débil, Ka2 = 1,1 x 10–2 , calcula las concentraciones de los iones H3O+, HSO4-, SO42– en una disolución de H2SO4 0,5M. Equilibrio 1: H2SO4 + H2O → HSO4– + H3O+ co (mol/l): 0,5 0 0 cf (mol/l): 0 0,5 0,5 HSO4– + H2O ↔ SO42– + H3O+ 0,5 0 0,5 0,5 – x x 0,5 + x Equilibrio 2: co (mol/l): ce (mol/l): SO H O x ( 0 ,5 x ) k 1,1 10 x 0 , 011 HSO 0 ,5 x SO 0 ,011 M ; ; ; HSO 0 , 49 M ; ; ; H O 0 ,51 M 2 4 a2 2 4 2 3 4 4 3 Actividad: Sabiendo que las constantes de acidez del ácido fosfórico son: Ka1 = 7,5 x 10–3, Ka2 = 6,2 x 10–8 y Ka3 = 2,2 x 10–13, calcular las concentraciones de los iones H3O+, H2PO4–, HPO42– y PO43– en una disolución de H3PO4 0,08M. Equilibrio 1: H3PO4 + H2O ↔ H2PO4– + H3O+ co (mol/l): 0,08 0 0 ce (mol/l): 0,08 – x x x [H 2 PO4 ] [H3O ] x2 K a1 7,5 10 3 M [H3 PO4 ] 0,08 x x = 0,021 [H2 PO4 ] [H3O ] 0,021 M Equilibrio 2: H2PO4– + H2O ↔ HPO42– + H3O+ co (mol/l): 0,021 0 0,021 ce (mol/l): 0,021 – y y 0,021 + y K a2 [ HPO 42 ] [ H 3 O ] y (0,021 y ) 0,021 y 8 = 6, 2 10 M 0,021 y 0,021 [ H 2 PO 4 ] y = 6,2 x 10–8 M [ HPO 42 ] 6, 2 10 8 M Equilibrio 3: HPO42– + H2O ↔ PO43– + H3O+ co (mol/l): 6,2 x 10–8 0 0,021 ce (mol/l): 6,2 x 10–8– z z 0,021 + z K a2 [ H 3 PO 4 ] [ H 3 O ] z (0,021 z ) 0,021 z 13 2, 2 10 M = 2 8 8 [ H PO 4 ] 6, 2 10 z 6, 2 10 z = 6,5 x 10–19 M [ PO 43 ] 6,5 10 19 M Sustancias anfipróticas - Una molécula o ión anfiprótico puede dar o aceptar un protón, actuando ya sea como un ácido o una base. HS- + H2O S2- + H3O+ HS- + H2O H2S + OH- El agua, los aminoácidos, los iones hidrogenocarbonato y los iones hidrógenosulfuro son ejemplos comunes de especies anfipróticas. - Ya que pueden dar un protón, todas las sustancias anfipróticas contienen átomos de hidrógeno. Actividad: Los aminoácidos son los componentes de las proteínas y están constituidos por un grupo amino y un grupo carboxilo: R-CH-COOH Justifica su carácter anfiprótico al reaccionar con: a) iones hidroxilo OHNH2 b) iones hidronio H3O+ c) el agua (medio neutro) → Estado dipolar iónico (zwitterion) Relación entre Ka y Kb para un par ácido/base conjugada • • • • Equilibrio de disociación de un ácido: HA + H2O ↔ A– + H3O+ Reacción de su base conjugada con el agua: A– + H2O ↔ HA + OH– A– x H3O+ HA x OH– Ka = —————— ; Kb = —————— HA A– • A– x H3O+ x HA x OH– Ka x Kb = ———————————— = KW HA x A– • K w K a Kb Hidrólisis de sales • Es la reacción de los iones de una sal con el agua. Tipos de hidrólisis. • Según procedan el catión y el anión de un ácido o una base fuerte o débil, las sales se clasifican en: • Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. – Ejemplo: NaCl • Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. – Ejemplo: NaCN • Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. – Ejemplo: NH4Cl • Sales procedentes de ácido débil y base débil. – Ejemplo: NH4CN Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. • Ejemplo: NaCl (cloruro de sodio) • NO SE PRODUCE HIDRÓLISIS ya que tanto el Na+ como el Cl– apenas reaccionan con agua. Es decir los equilibrios: • Na+ + 2 H2O NaOH + H3O+ • Cl– + H2O HCl + OH– • están muy desplazado hacia la izquierda. La reacción con el agua apenas se forma • pH = 7 (dis. Neutra) al no existir exceso de H3O+ u OH- Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. • Ejemplo: CH3–COONa (acetato de sodio) • SE PRODUCE HIDRÓLISIS BÁSICA ya que el Na+ NO reacciona con agua, Na+ + 2 H2O → NaOH + H3O+ pero el CH3–COO– proviene de un ácido débil y SÍ reacciona con el agua (se hidroliza): • CH3–COO– + H2O ↔ CH3–COOH + OH– lo que provoca que el pH > 7 (dis. básica). Actividad: a) Calcula la constante de hidrólisis del cianuro de potasio si sabemos que la Ka del ácido cianhídrico vale 4,9 · 10–10 . b) Calcula el pH de una disolución 0.5 M de cianuro de potasio. • • • • Disociación de la sal: KCN + H2O K+ + CNHidrólisis del K+: No existe Hidrólisis del CN-: Si que existe por tratarse el HCN de un ácido débil • CN– + H2O ↔ HCN + OH– • KW 10–14 Kb = —— = —————— = 2,0 x 10–5 Ka 4,9 x 10–10 Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. • Ejemplo: NH4Cl (cloruro de amonio) • SE PRODUCE HIDRÓLISIS ÁCIDA ya que el NH4+ proviene de una base débil y reacciona con agua mientras que el Cl– no lo hace de forma significativa: • NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ • lo que provoca que el pH < 7 (dis. ácida). Actividad: a) Calcula la constante de hidrólisis del cloruro de amonio si sabemos que la Kb del amoníaco vale 1,8 · 10–5 . b) Calcula el pH de una disolución 0.5 M de cloruro de amonio. • • • • Disociación de la sal: NH4Cl + H2O NH4+ + ClHidrólisis del Cl-: No existe Hidrólisis del NH4+: Si que existe por tratarse el NH3 de una base débil • NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ • KW 10–14 Ka = —— = —————— = 5,6 x 10–10 Kb 1,8 x 10–5 Sales procedentes de ácido débil y base débil. • Ejemplo: NH4CN (cianuro de amonio) • En este caso tanto el catión NH4+ como el anión CN– se hidrolizan y la disolución será ácida o básica según el valor de las constantes de hidrólisis. • Como Khb(CN–) = 2 · 10–5 M y Kha(NH4+) = 5,6 · 10–10 M , en este caso, la disolución es básica ya que Khb(CN–) > Kha(NH4+) Actividad: Razone utilizando los equilibrios correspondientes, si los pH de las disoluciones que se relacionan seguidamente son ácidos, básicos o neutros. a) Acetato potásico 0,01 M; b) Nitrato sódico 0,01 M; c) Sulfato amónico 0,01 M; d) Hidróxido de bario 0,01 M. a) Acetato potásico: pH básico, sico ya que CH3–COO– + H2O ↔ CH3–COOH + OH– por ser el ác. acetico débil, mientras que el K+ no reacciona con agua por ser el KOH base fuerte. b) nitrato sódico: pH neutro, neutro ya que ni el anión NO3– ni el catión Na+ reaccionan con agua por proceder el primero del HNO3 y del NaOH el segundo, ambos electrolitos fuertes. c) Sulfato amónico: pH ácido, cido ya que NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ por ser el amoniaco débil, mientras que el SO42– no reacciona con agua por ser el H2SO4 ácido fuerte. d) hidróxido de bario: pH básico pues se trata de una base fuerte (los hidróxidos de los metales alcalinos y alcalino-térreos son bases bastantes fuertes) Grado y porcentaje de hidrólisis Actividad: Sabiendo que Ka (HCN) = 4,0 · 10–10 M, calcular el pH y el grado de hidrólisis de una disolución acuosa de NaCN 0,01 M. • • Co (M) • Ce (M) CN– + H2O ↔ HCN + OH– 0,01 0 0 0,01-x x x HCN x OH– x2 2,5 · 10–5 = —————— = —————— CN– 0.01-x • Sabiendo que x =c se obtiene que = 0,05 –14 M2 • K 10 W –11 M H3O+ = ——— = —————— = 2,0 x 10 OH– 0,01 M x 0,05 • • pH = – log H3O+ = – log 2,0 x 10–11 M = 10,7 Valoración ácido-base • Consiste es medir la concentración de un ácido o de una base a partir de la sustancia contraria (base o ácido) de concentración conocida. • Tendremos una reacción de neutralización. BURETA PIPETA MATRAZ AFORADO PROBETA VASO PRECIPITADOS MATRAZ ERLENMEYER Neutralización ácido-base. • La neutralización de un ácido/base con una base/ácido de concentración conocida se alcanza cuando: n(OH–) = n(H3O+) PUNTO DE EQUIVALENCIA • La reacción de neutralización: a HA + b B(OH) SAL + H2O • El pH en el punto de equivalencia dependerá de la HIDRÓLISIS de la sal formada. • La relación molar en el punto de equivalencia: n( HA) a n[ B(OH )] b Actividad: 100 ml de una disolución de H2SO4 se neutralizan con 25 ml de una disolución 2M de Al(OH)3 ¿Cuál será la concentración molar del ácido sulfúrico?. n(Al(OH)3=V·M = 25 10-3 L·2M=50 10-3 moles 3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 Al2(SO4)3 + 6 H2O n(H2SO4) 3 ————— = — n[Al(OH)3 ] 2 • n(H2SO4) = 75 10-3 mol • n (H2SO4) 75 10-3 mol [H2SO4] = ————— = ———— = 0,75 M V(H2SO4) 0.1 L Actividad: Si 10,1 ml de vinagre han necesitado 50,5 ml de NaOH 0,2 M para su neutralización. a) Cuál será la molaridad del ácido en el vinagre; b) Suponiendo que su acidez se debe al ácido acético (ácido etanoico). ¿Cuál es el porcentaje en peso del ácido acético si la densidad del vinagre es de 1,06 g/ml? HA + NaOH →NaA + H2O n(HA) = n(NaOH) Va[HA] = Vb[NaOH] 50,5 ml x 0,2 N [HA] = —————— = 1 M 10,1 ml • a) • b) Supongamos que tenemos un litro de vinagre: • m(HA) = Molaridad x Mm x V = = 1 mol/L x 60 g/mol x 1 L = 60 g • m(HA) 60 g % = ———— x 100 = ——— x 100 = 5,66 % m(vinagre) 1060 g ¿Cómo sabremos que se ha llegado al punto de equivalencia? Indicadores de pH • • Son sustancias que cambian de color al pasar de la forma ácida a la forma básica: HIn + H2O ↔ In– + H3O+ Ka En medio ácido domina el color de la forma HIn, en medio básico domina el color de la forma In- • Intervalo de viraje ≈ 2 unidades de pH ¿Qué indicador elegiremos para una determinada reacción de neutralización? Aquel cuyo intervalo de viraje contenga el pH del punto de equivalencia o esté próximo al mismo. a.- El instante en el que se observa el cambio de color del indicador se denomina PUNTO FINAL de la valoración. b.- El punto final debe coincidir lo más exactamente posible con el punto de equivalencia. c.- La diferencia entre ambos puntos constituye el error de valoración. El error se disminuye si la concentración de indicador es la “adecuada”, sin exceso. Curva de valoración pH = f(V) - Se puede determinar: a.- teóricamente punto a punto b.- experimentalmente con un pH-metro Exceso de KOH Punto de equivalencia pH = 7 http://www.gobiern odecanarias.org/e ducacion/3/Usrn/le ntiscal/1CDQuimicaTIC/index.htm Curva de valoración del HNO3 con KOH ¿Qué dos indicadores utilizarías? Exceso de HNO3 Actividad: Calcula el pH de las siguientes disoluciones: a) 30 mL HNO3 0.1 M + 20 mL KOH 0.1 M Exceso de HNO3 b) 30 mL HNO3 0.1 M + 30 mL KOH 0.1 M Punto equivalencia c) 30 mL HNO3 0.1 M + 40 mL KOH 0.1 M Exceso de KOH d) 30 mL HAc 0.1 M + 20 mL KOH 0.1 M Exceso de HAc e) 30 mL HAc 0.1 M + 30 mL KOH 0.1 M Punto equivalencia f) 30 mL HAc 0.1 M + 40 mL KOH 0.1 M Ka(HAc) = 1.8 10-5 Exceso de KOH (Sol: a) 1.7; b) 7; c) 12.2; d) 5.1 ; e) 8.7; f) 12.2) Curvas de valoración: a) HNO3 con KOH b) CH3 –COOH con KOH (pH = 8.5) (pH = 7) Disoluciones amortiguadoras de pH (tampón) • Son capaces de mantener el pH después de añadir pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. Están formadas por: • Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido débil con catión neutro: – Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio. • Disoluciones de base débil + sal de dicha base débil con anión neutro: – Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio. Actividad: Calcular el pH de una disolución tampón formada por una concentración 0,2 M de ácido acético y 0,2 M de acetato de sodio. Ka (CH3–COOH) = 1,8 · 10–5 M. • El acetato está totalmente disociado: CH3–COONa + H2O CH3–COO– + Na+ Co (M) 0.2 0 0 Cf (M) 0 0.2 0.2 • El ácido acético se encuentra en equilibrio con su base conjugada (acetato): • H2O + CH3–COOH ↔ CH3–COO– + H3O+ • co (M) 0,2 0,2 0 • ce (M) 0,2 – x 0,2 + x x • CH3–COO– · H3O+ (0,2+x) · x 1,8 · 10–5 M = ————————— = —————— CH3–COOH (0,2 – x) • De donde se deduce que: • x = H3O+ = 1,8 · 10–5 M • pH = – log H3O+ = 4,74 Actividad: ¿Cómo variará el pH de la disolución anterior al añadir a un 1 litro de la misma : a) 0,01 moles de NaOH; b) 0,01 moles de HCl? a) Al añadir NaOH, el equilibrio se desplaza hacia la derecha: CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ Las nuevas concentraciones iniciales: [CH3COOH]o = (0,2 –0,01)/1 M = 0,19 M [CH3COO–]o = (0,2 + 0,01)/1 M = 0,21 M H2O + CH3–COOH ↔ CH3–COO– + H3O+ co (M) 0,19 0,21 0 ce (M) 0,19 – x 0,21 + x x 1,8 · 10–5 M (0,21 + x) · x = ——————— (0,19 – x) De donde se deduce que x = H3O+ = 1,63 · 10–5 M pH = – log H3O+ = 4,79 b) Al añadir HCl, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda: CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ Las nuevas concentraciones iniciales: [CH3COOH]o = (0,2 + 0,01) /1 M = 0,21 M [CH3COO–]o = (0,2 –0,01) /1 M = 0,19 M Repitiendo el proceso obtenemos que pH = 4,70