1) El documento presenta los conceptos fundamentales de los equilibrios ácido-base, incluyendo las teorías de Arrhenius, Brønsted-Lowry y Lewis sobre ácidos y bases. 2) Explica conceptos como el producto iónico del agua, las disoluciones ácidas, neutras y básicas, y la definición de pH y pOH. 3) Distingue entre ácidos y bases fuertes y débiles.
2. Contenidos Equilibrios ácido-base I• Ácidos y bases• Producto iónico del agua.• Disoluciones neutras, ácidas y básicas.• Concepto de pH.• Ácidos y bases fuertes y débiles: Ka y Kb.• Grado de ionización.• Ácidos polipróticos. Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 2
3. Bibliografía recomendada• Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003). – Secciones 17.1, 17.2, 17.3, 17.4, 17.5, 17.6, 17.9 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 3
5. Ácidos y bases• Teoría de Arrhenius: (punto de partida, superada) – Ácido: sustancia que produce protones (H+) en agua HCl ( g ) H (ac) Cl ( ac) H 2O – Base o álcali: sustancia que produce iones hidroxilo (OH-) en agua NaOH ( s) Na (ac) OH (ac) H 2O – ¿Por qué es alcalino el amoniaco, NH3? • “Porque en disolución acuosa forma NH4OH, que cede OH-.” • ¡Pero nunca se ha detectado la especie química NH4OH en agua! • Necesitamos otra teoría [Lectura: Petrucci 17.1] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 5
6. Ácidos y bases• Teoría de Brønsted y Lowry: (aceptada hoy para ácidos y bases en disolución acuosa) – Ácido: dador de protones – Base o álcali: aceptor de protones – Reacción ácido-base: reacción de intercambio de protones HCl H 2O Cl H3O ácido base NaOH H 2O Na H 2O OH base ácido NH3 H 2O NH 4 OH NH3 H 2O NH 4 OH base ácido ácido base NH3 H 2O NH 4 OH base ácido ácido base conjugados conjugados [Lectura: Petrucci 17.2] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 6
7. Ácidos y bases• Teoría de Lewis: (aceptada hoy para ácidos y bases en general) – Ácido: aceptor de pares de electrones – Base o álcali: dador de pares de electrones – Reacción ácido-base: reacción de intercambio de pares de electrones ácido base aducto de Lewis de Lewis [Lectura: Petrucci 17.9] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 7
8. Ácidos y bases en disoluciónQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
9. Equilibrio de autoionización. Producto iónico del agua H H H 2 O H 2O H3O OH K w,298 1,0 1014 base ácido ácido base débil débil fuerte fuerte Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base (Aunque no escribimos el subíndice [ H3O ][OH ] K w eq, nos referiremos a concentraciones de equilibrio de aquí en adelante) Agua pura: [ H3O ] [OH ] K w a 25ºC: [ H3O ] [OH ] 1,0 1014 1,0 107 M a 60ºC: [ H3O ] [OH ] 9,6 1014 3,1107 M Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina [ H3O ] [OH ] [ H3O ] [OH ] [ H3O ] [OH ] [Lectura: Petrucci 17.3] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 9
10. pH, pOH y pK Las concentraciones molares de H3O+ y de OH- en disolución suelen ser mucho menores que 1 M; p.ej: 25º C [ H3O ] 3,7 104 M [OH ] 2,7 1011 M K w 1,0 1014 [ H3O ] 103,43 M [OH ] 1010,57 M K w 1014,00Def.: pH log[ H3O ] pOH log[OH ] pK w log K w pH 3, 43 pH 10,57 pK w 14,00 [ H3O ] 10 pH M [OH ] 10 pOH M K w 10 pKw [ H3O ][OH ] K w log[ H3O ] log[OH ] log Kw pH pOH pK w 25º C; pH pOH 14,00 [Lectura: Petrucci 17.3] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 10
12. pH y pOHUna muestra de agua de lluvia tiene pH=4,35. ¿Cuánto vale [H3O+]? 4,35 log[ H3O ] log[ H3O ] 4,35 [ H3O ] 104,35 4,5 105 MUna muestra de un amoniaco de uso doméstico tiene pH=11,28. ¿Cuánto vale[OH-]? pOH 14,00 pH 14,00 11, 28 2,72 2,72 log[OH ] [OH ] 102,72 1,9 103 M Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 12
13. Ácidos y bases fuertesTienen el equilibrio de ionización muy desplazado a la derecha - puede considerarse totalmente desplazado, salvo en disoluciones muy concentradas HCl H 2O Cl H3O NaOH Na OH - el aporte de la autoionización del agua a la concentración de H3O+ en las disoluciones de ácidos fuertes y de OH- en las de bases fuertes es despreciable 2H 2O H3O OH Ácidos fuertes más frecuentes Bases fuertes más frecuentes HCl HBr HI LiOH NaOH KOH HClO4 RbOH CsOH HNO3 Mg OH 2 Ca OH 2 H 2 SO4 (sólo la 1ª ionización) Sr OH 2 Ba OH 2 [Lectura: Petrucci 17.4] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 13
14. Ácidos y bases fuertesEjemplo: Disolución HCl(ac) 0,015 M. ¿Cuánto valen las concentracionesmolares de las especies presentes en la disolución y el pH? HCl H 2O Cl H3O (c0 ) c0 c0 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w w w [Cl ] c0 0,015M 1 • los Cl- proceden de la ionización del ácido [ H 3O ] c0 w c0 0,015M 2 ~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido [OH ] w 6,7 1013 M 3 • los OH- proceden de la ionización del agua 3 • [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw 4 [OH ] K w [ H 3O ] pH log 0,015 1,82 1,0 1014 0,015 6,7 1013 M [Lectura: Petrucci 17.4] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 14
15. Ácidos y bases fuertesEjemplo: Disolución HCl(ac) 1,0x10-8 M. ¿Cuánto valen las concentracionesmolares de las especies presentes en la disolución y el pH? HCl H 2O Cl H3O (c0 ) c0 c0 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w w w [Cl ] c0 1, 0x108 M 1 • los Cl- proceden de la ionización del ácido [ H 3O ] c0 w c0 2 el H3O+ procedente de la ionización del ácido no es mucho mayor que el procedente de la ionización del agua [OH ] w 9,5 108 M 3 • los OH- proceden de la ionización del agua 3 • [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw (c0 w) w K w 4 [ H 3O ] (1, 0x108 9,5x10 8 ) M w2 c0 w K w 0 [ H 3O ] 1, 05x107 M w 9,5 108 M pH log1, 05x107 6,98 [Lectura: Petrucci 17.4] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 15
16. Ácidos y bases fuertesEjemplo: Disolución de Ca(OH)2(ac) 0,022M. ¿Cuánto valen las concentracionesmolares de las especies presentes en la disolución y el pH? Ca (OH ) 2 ( ac ) Ca 2 2OH (c0 ) c0 2c0 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w w w [Ca 2 ] c0 0,022M 1 • los Ca2+ proceden de la ionización de la base disuelta [ H 3O ] w 2,3 1013 M 3 • los H3O+ proceden de la ionización del agua [OH ] 2c0 w 2c0 0,044M 2 ~ todo el OH-procede de la ionización del la base disuelta 3 • [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw 4 pH log 2,3 1013 12,64 [ H3O ] K w [OH ] 1,0 1014 0,044 2,3 1013 M [Lectura: Petrucci 17.4] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 16
17. Ácidos y bases débilesQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I
18. Ácidos y bases débilesEs necesario considerar su equilibrio de ionización [ A ][ H 3O ] Constante de ionización HA H 2O A H3O Ka o de acidez del ácido HA [ HA] HCN H 2O CN H 3O Ka 6, 2 1010 pKa 9, 21 - ácidos más fuertes cuanto mayor Ka (cuanto menor pKa) [ HB ][OH ] Constante de ionización B H 2O HB OH Kb o de basicidad de la base B [ B] NH3 H 2O NH 4 OH Kb 1,8 105 pKb 4,74 - bases más fuertes cuanto mayor Kb (cuanto menor pKb) [Lectura: Petrucci 17.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 18
19. Ácidos débiles Fuerza del ácidoQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 19
20. Bases débiles Fuerza de la baseQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 20
21. Ácidos débilesDisolución HA(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en ladisolución? [ A ][ H 3O ] HA H 2O A H3O Ka x x x [ HA] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w w w ¿4c0 Ka ?[ HA] c0 x c0 2 • el HA se ioniza parcialmente; ¿es Ka suficientemente 1 pequeña para que c0-x=c0?[ A ] x • los A- proceden de la ionización del ácido[ H 3O ] xw x ~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido (Kw<<Ka)[OH ] w • los OH- proceden de la ionización del agua NO SI 1 ¿4c0 Ka ? 2 2 2 x x Ka Ka c0 x c0 x2 Ka x Ka c0 0 Kw w K a K a 4co K a 2 x c0 K a x x 2 [Lectura: Petrucci 17.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 21
22. x2 K a K a 4co K a 2 K a ; x 2 Ka x Ka c0 0 ; x x 0c0 x 2Si 4c0 Ka : 4c0 K a K a 2 K a 4co K a x co K a x 2 c0 K a 4c0 Ka Ka 2 x2 Ka que equivale a aproximar c0 x c0 c0 La aproximación se hace para calcular x Para calcular la concentración de equilibrio de HA se puede usar c0 x Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 22
23. Bases débilesDisolución B(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en ladisolución? B H 2O HB OH [ HB ][OH ] Kb x x x [ B] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w w w ¿4c0 Kb ? [ B] c0 x c0 2 • la B se ioniza parcialmente; ¿es Kb suficientemente 1 pequeña para que c0-x=c0? [ HB ] x • los HB+ proceden de la ionización de la base [OH ] x w x ~ todo el OH- procede de la ionización de la base (Kw<<Kb) [ H 3O ] w • los H3O+ proceden de la ionización del agua NO SI 1 ¿4c0 Kb ? 2 2 2 x x Kb Kb c0 x c0 x2 Kb x Kbc0 0 Kw w Kb Kb2 4co Kb x c0 Kb x x 2 [Lectura: Petrucci 17.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 23
24. Ácidos débilesEjemplo: Disolución HF(ac) 0,15 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molaresde las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4] HF H 2O F H3O [ F ][ H 3O ] K a 6, 6 104 x x x [ HF ] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w[ HF ] c0 x c0 0,15M[F ] x 0,0099M [ HF ] [ F ] [ H3O ] [OH ][ H 3O ] xw x 0,0099M[OH ] w 1,0 1012 M x2 ¿4c0 Ka ? 0,60 0,00066 0,60 SI Ka x c0 K a c0 14 x 9,9 103 K w 1, 0 10 w 1,0 1012 x 9,9 103 pH log 9,9 103 2,00 [Lectura: Petrucci 17.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 24
25. Ácidos débilesEjemplo: Disolución HF(ac) 0,00150 M. ¿Cuánto valen las concentracionesmolares de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4] HF H 2O F H3O [ F ][ H 3O ] K a 6, 6 104 x x x [ HF ] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w[ HF ] c0 x 0,00078M[F ] x 0,00072M [ HF ] [ F ] [ H3O ] [OH ][ H 3O ] xw x 0,00072M[OH ] w 1, 4 1011 M x2 K a K a 4co K a 2 ¿4c0 Ka ? 0,0060 0,00066 0,0067 NO Ka x c0 x 2 14 x 7, 2 104 K w 1, 0 10 w 1, 4 1011 co K a 0, 00099 x 7, 2 104 pH log 7, 2 104 3,14 [Lectura: Petrucci 17.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 25
26. Ácidos débilesEjemplo: El pH de una disolución HF(ac) 0,0015 M es 3,14. ¿Cuánto vale laconstante de ionización del HF? HF H 2O F H3O [ F ][ H 3O ] Ka x x x [ HF ] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w[ HF ] c0 x x [ H3O ] 103,14 7, 2 104[F ] x[ H 3O ] xw x x x (7, 2 104 ) 2 Ka 6, 6 104[OH ] w c0 x 0, 0015 0, 00072 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 26
27. Bases débilesEjemplo: Disolución piridina(ac) 0,0015 M. ¿Concentraciones molares de lasespecies presentes en la disolución y pH? [Piridina: Kb=1,5x10-9] B H 2O HB OH [ HB ][OH ] Kb 1,5 109 x x x [ B] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w [ B] c0 x c0 0,0015M [ HB ] x 1,5 106 M [ B] [ HB ] [OH ] [ H3O ] [OH ] x w x 1,5 106 M [ H 3O ] w 6,7 109 M 9 x2 ¿4c0 Kb ? 0,0060 1,5 10 0,0060 SI Kb x c0 Kb c0 14 x 1,5 106 K w 1, 0 10 w 6,7 109 x 1,5 106 pOH log1,5 106 5,82 pH 14,00 5,82 8,18 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 27
28. Bases débilesEjemplo: El pH de una disolución de piridina(ac) 0,0015 M es 8,18 ¿Cuánto valela constante de ionización de la piridina? B H 2O HB OH [ HB ][OH ] Kb x x x [ B] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w [ B] c0 x pOH 14,00 8,18 5,82 [ HB ] x [OH ] x w x [OH ] 105,82 1,5 106 x [ H 3O ] w x x (1,5 106 )2 Kb 1,5 109 c0 x 0, 0015 1,5 106 no es necesario considerar si se desprecia frente a c0 o no Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 28
29. Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles) HA H 2O A H3O [ A ][ H 3O ] Ka x x x [ HA] Molaridad de ácido ionizado Grado de ionización = 100% Molaridad de ácido inicial [ A ] x c0 c0 Ácido fuerte[ HA] c0 x c0 (1 ) 1[ A ] x c0 [ H 3O ] x c0 0,5 c0 2 2 c0 2 Ka Ka Ácido débilc0 (1 ) (1 ) 0 K a K a 4co K a 2 c0 2 c0 [Lectura: Petrucci 17.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 29
30. Grado de ionización (de un ácido o de una base débiles)Ej.: ¿Cuál es el grado de ionización del HF(ac) 0,0015 M y del HF(ac) 0,15 M delos ejemplos de más atrás? [F ] x c0 c0 0, 00072 HF(ac) 0,0015 M: 0, 48 48% 0, 0015 0, 0099 HF(ac) 0,15 M: 0, 066 6, 6% 0,15 Ácido fuerte 1 0,5 Ácido débil 0 c0 Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 30
32. Ácidos polipróticosEjemplo: H3PO4, con Ka1 >> Ka2 >> Ka3 [ H 2 PO4 ][ H 3O ] H3 PO4 H 2O H 2 PO H3O 4 Ka1 7,1103 x x x [ H 3 PO4 ] [ HPO4 ][ H 3O ] 2 H 2 PO4 H 2O HPO4 H3O 2 Ka 2 6, 2 108 y y y [ H 2 PO4 ] [ PO4 ][ H 3O ] 3 HPO4 H 2O 2 PO4 H3O 3 2 Ka 3 4, 4 1013 z z z [ HPO4 ] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w[ H 3 PO4 ] c0 x x2 K a1 x 1[ H 2 PO4 ] x y x ( Ka 2 Ka1 ) c0 x[ HPO4 ] y z 2 y ( Ka3 Ka 2 ) y Ka 2 y 2 [ PO4 ] z 3 zx [ H 3O ] x y z w x (& Kw Ka1 ) Ka3 z 3 y [OH ] w x w Kw w 4 [Lectura: Petrucci 17.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 32
33. Ácidos polipróticosEjemplo: Disolución H3PO4(ac) 3.00 M. ¿Cuánto valen las concentracionesmolares de las especies presentes en la disolución y el pH? x2 1 ¿4c0 Ka1 ? 12,00 7,1103 12,00 SI K a1 x c0 Ka1 3,00 7,1103 c0 2 y Ka 2 6, 2 108 x 0,15 y 6, 2 108 3 z Ka3 4, 4 1013 1,9 1019 x 14 0,15 K 1, 0 10 4 w w 6, 7 1014 x 0,15 [ H 3 PO4 ] c0 x 2,85 M x2 K a1 x 1 [ H 2 PO4 ] x y x 0,15 M c0 x [ HPO4 ] y z 2 y 6, 2 108 M y Ka 2 y 2 [ PO4 ] z 3 1,9 1019 M zx [ H 3O ] x y z w x 0,15 M Ka3 z 3 y [OH ] w 6,7 1014 M x w Kw w 4 pH log 0,15 0,82 [Lectura: Petrucci 17.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 33
34. Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico H2SO4 1ª ionización: ácido fuerte; 2ª ionización: ácido débil Ejemplo: Disolución H2SO4(ac) 0,50 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la disolución y pH? [Ka2=1,1x10-2] H 2 SO4 H 2O HSO4 H3O (c0 ) c0 c0 [ SO4 ][ H 3O ] 2 HSO4 H 2O SO4 H3O 2 Ka 2 1,1102 x x x [ HSO4 ] 2H 2O H3O OH [ H3O ][OH ] K w 1,0 1014 w w[ H 2 SO4 ] 0 x(c0 x) c0 x [ HSO4 ] c0 x 0, 49 M Ka 2 Ka2 c0 x c0 [ SO4 ] x 2 0,011M x 0,011 x Ka 2 0,011[ H 3O ] c0 x w c0 x 0,51M Kw 1, 0 1014 w 2, 0 1014[OH ] w 2,0 1014 M c0 x 0,51 pH log 0,51 2,92 [Lectura: Petrucci 17.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 34