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Lecciones de química

Curso: Lecciones de química > Unidad 13

Lección 2: Equilibrios ácido-base
Ciencia
Lecciones de química
Ácidos y bases
Equilibrios ácido-base
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Equilibrios ácido-base débiles

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Reacciones de ionización de ácidos y bases débiles y sus constantes de equilibrio, Ka y Kb, correspondientes. Relación de Ka y Kb con el pH y cálculos de porcentaje de disociación.

Puntos más importantes:

  • Para un ácido débil monoprótico genérico start text, H, A, end text con su base conjugada start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, la constante de equilibrio tiene la forma:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
  • La constante de disociación ácida K, start subscript, start text, a, end text, end subscript cuantifica el grado de disociación de un ácido débil. Cuanto mayor es el valor de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript más fuerte es el ácido y viceversa.
  • Para una base débil genérica start text, B, end text con su ácido conjugado start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, la constante de equilibrio tiene la forma:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
  • La constante de disociación básica (o constante de ionización básica) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript cuantifica el grado de ionización de una base débil. Cuanto mayor es el valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, más fuerte es la base y viceversa.

Ácidos y bases fuertes y débiles

Los ácidos fuertes y las bases fuertes se refieren a especies que se disocian completamente para formar los iones en solución. Por el contrario, los ácidos y bases débiles se ionizan solo parcialmente y la reacción de ionización es reversible. Así, soluciones de ácidos y bases débiles contienen, en equilibrio dinámico, múltiples especies con carga y sin carga.
En este artículo, hablaremos de reacciones de disociación de los ácidos y de las bases y sus constantes de equilibrio correspondientes: K, start subscript, start text, a, end text, end subscript la constante de disociación ácida y K, start subscript, start text, b, end text, end subscript la constante de disociación básica.

Calentamiento: comparación entre la fuerza de un ácido y el start text, p, H, end text

Problema 1: ácidos débiles frente a ácidos fuertes a la misma concentración

Tenemos dos soluciones acuosas: una solución 2, point, 0, start text, M, end text de ácido fluorhídrico, start text, H, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis y una solución 2, point, 0, start text, M, end text de ácido bromhídrico, start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis. ¿Que solución tiene el start text, p, H, end text más bajo?
Escoge 1 respuesta:

Problema 2: ácidos débiles frente a ácidos fuertes a diferentes concentraciones

Esta vez tenemos una solución 2, point, 0, start text, M, end text de ácido fluorhídrico, start text, H, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis y una solución 1, point, 0, start text, M, end text de ácido bromhídrico, start text, H, B, r, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis. ¿Qué solución tiene el start text, p, H, end text más bajo?
Asumimos que no conocemos la constante de equilibrio para la disociación de ácido fluorhídrico.
Escoge 1 respuesta:

Ácidos débiles y la constante de disociación ácida, K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

Los ácidos débiles son ácidos que no se disocian completamente en solución. En otras palabras, un ácido débil es cualquier ácido que no es un ácido fuerte.
La fuerza de un ácido débil depende de cuánto se disocia: cuanto más se disocia, más fuerte es el ácido. Para cuantificar la fuerza relativa de los ácidos débiles, debemos analizar la constante de disociación ácida K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, que representa la constante de equilibrio para la reacción de disociación de un ácido.
Para un ácido monoprótico débil genérico start text, H, A, end text, la reacción de disociación en agua puede escribirse como sigue:
start text, H, A, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis
De acuerdo con en esta reacción, podemos escribir nuestra expresión de la constante de equilibrio K, start subscript, start text, a, end text, end subscript:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
La expresión de equilibrio es la relación entre productos y reactivos. Mientras más start text, H, A, end text se disocie en start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript y en su base conjugada start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, más fuerte será el ácido y mayor será el valor de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript. Como el start text, p, H, end text está relacionado con open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, comma el start text, p, H, end text de la solución será una función de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript y de la concentración del ácido: de esta manera, el start text, p, H, end text disminuye a medida que la concentración del ácido y/o los valores de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript aumentan.

Ácidos débiles comunes

El ácido málico, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, es un ácido orgánico que se encuentra en las manzanas. Imagen tomada de Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
El ácido carboxílico es un grupo funcional común de los ácidos orgánicos débiles y tiene la fórmula minus, start text, C, O, O, H, end text. El ácido málicoleft parenthesis, start text, C, end text, start subscript, 4, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 5, end subscript, right parenthesis, un ácido orgánico que contiene dos grupos ácidos carboxílo, contribuye al sabor ácido de las manzanas y de algunas otras frutas. Puesto que hay dos grupos de ácido carboxílico en la molécula, el ácido málico puede, potencialmente, donar dos protones.
La tabla siguiente incluye algunos ejemplos de ácidos débiles y sus valores de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript respectivos.
NombreFórmulaK, start subscript, start text, a, end text, end subscript, left parenthesis, 25, degrees, start text, C, end text, right parenthesis
Amoniostart text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript5, point, 6, times, 10, start superscript, minus, 10, end superscript
Ácido clorosostart text, H, C, l, O, end text, start subscript, 2, end subscript1, point, 2, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript
Ácido fluorhídricostart text, H, F, end text7, point, 2, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Ácido acéticostart text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, C, O, O, H, end text1, point, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Verificación de conceptos: basados en la tabla anterior, ¿qué ácido es más fuerte, el ácido acético o el ácido fluorhídrico?

Ejemplo 1: calcular el % de disociación de un ácido débil

Una manera de cuantificar la cantidad de un ácido débil que se ha disociado en una solución es calcular el porcentaje de disociación. La disociación porcentual de un ácido débil start text, H, A, end text se puede calcular como sigue:
Si el ácido nitroso left parenthesis, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis tiene una K, start subscript, start text, a, end text, end subscript de 4, point, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript a 25, degrees, start text, C, end text, ¿cuál es el porcentaje de disociación del ácido nitroso en una solución 0, point, 400, start text, space, M, end text?
¡Veamos este ejemplo paso a paso!

Paso 1: escribir la reacción balanceada de la disociación de un ácido

En primer lugar, vamos a escribir la reacción balanceada de disociación de start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript en agua. El ácido nitroso puede donar un protón al agua para formar start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis:
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis

Paso 2: escribir la expresión para K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

A partir de la ecuación que vimos en el paso 1, podemos escribir la expresión de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript para el ácido nitroso:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket, end fraction, equals, 4, point, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript

Paso 3: encontrar open bracket, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket y open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket al equilibrio

A continuación, podemos usar una tabla start text, I, C, E, end text para determinar las expresiones algebraicas de las concentraciones de equilibrio en nuestra expresión de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript:
start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis\rightleftharpoonsstart text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscriptstart text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript
Inicial0, point, 400, start text, M, end text00
Cambiominus, xplus, xplus, x
Equilibrio0, point, 400, start text, M, end text, minus, xxx
Insertamos las concentraciones de equilibrio en nuestra expresión de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript y obtenemos:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, left parenthesis, x, right parenthesis, left parenthesis, x, right parenthesis, divided by, left parenthesis, 0, point, 400, start text, M, end text, minus, x, right parenthesis, end fraction, equals, 4, point, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Al simplificar esta expresión, obtenemos lo siguiente:
start fraction, x, squared, divided by, 0, point, 400, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 4, point, 0, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript
Se trata de una ecuación de segundo grado que puede resolverse para x mediante la fórmula cuadrática o bien por el método de aproximación.
Cualquiera de los dos métodos dará x, equals, 0, point, 0126, start text, space, M, end text. Por lo tanto, open bracket, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, equals, 0, point, 0126, start text, space, M, end text.

Paso 4: calcular el porcentaje de disociación

Para calcular el porcentaje de disociación, podemos utilizar las concentraciones de equilibrio que se obtuvieron en el paso 3:
De esta manera, 3, point, 2, percent del start text, H, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript en solución se disocia en los iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript y start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, start superscript, minus, end superscript.

Bases débiles y K, start subscript, start text, b, end text, end subscript

Examinemos ahora la constante de disociación básica (también llamada la constante de ionización básica) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. Podemos comenzar escribiendo la reacción de ionización para una base débil genérica start text, B, end text en agua. En esta reacción, la base acepta un protón del agua para formar hidróxido y el ácido conjugado, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript:
start text, B, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis
Podemos escribir la expresión de la constante de equilibrio K, start subscript, start text, b, end text, end subscript como sigue:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
A partir de esta relación, podemos ver que entre más se ioniza la base para formar start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, más fuerte será la base y más grande el valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript. De esta manera, el start text, p, H, end text de la solución será dado en función del valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript y de la concentración de la base.

Ejemplo 2: cálculo del start text, p, H, end text de una base débil

¿Cual es el start text, p, H, end text de una solución 1, point, 50, start text, space, M, end text de amoníaco, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript? left parenthesis, K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, 1, point, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, right parenthesis?
Este ejemplo es un problema de equilibrio con un paso adicional: encontrar el start text, p, H, end text a partir de open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket. Veamos los cálculos paso a paso.

Paso 1: escribir la reacción balanceada de ionización

En primer lugar, vamos a escribir la reacción de ionización básica del amoniaco. El amoniaco acepta un protón del agua para formar iones amonio, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript:
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \rightleftharpoons, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis

Paso 2: escribir la expresión para K, start subscript, start text, a, end text, end subscript

A partir de esta ecuación balanceada, podemos escribir una expresión para K, start subscript, start text, b, end text, end subscript:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, close bracket, end fraction, equals, 1, point, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript

Paso 3: encontrar open bracket, start text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscript, close bracket y open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket de equilibrio

Para determinar las concentraciones de equilibrio, utilizamos una tabla start text, I, C, E, end text:
start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis\rightleftharpoonsstart text, N, H, end text, start subscript, 4, end subscript, start superscript, plus, end superscriptstart text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript
Inicial1, point, 50, start text, M, end text00
Cambiominus, xplus, xplus, x
Equilibrio1, point, 50, start text, M, end text, minus, xxx
Al insertar los valores de equilibrio en nuestra expresión de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, obtenemos lo siguiente:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, left parenthesis, x, right parenthesis, left parenthesis, x, right parenthesis, divided by, 1, point, 50, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 1, point, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Simplificando, obtenemos:
start fraction, x, squared, divided by, 1, point, 50, start text, M, end text, minus, x, end fraction, equals, 1, point, 8, times, 10, start superscript, minus, 5, end superscript
Se trata de una ecuación de segundo grado que puede resolverse para x mediante la fórmula cuadrática o bien por el método de aproximación. Cualquier método producirá la solución
x, equals, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, equals, 5, point, 2, times, 10, start superscript, minus, 3, end superscript, start text, space, M, end text

Paso 4: determinar el start text, p, H, end text a partir de open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket

Ya que conocemos la concentración de hidróxido, podemos entonces calcular start text, p, O, H, end text:
pOH=−log⁡[OH−]=−log⁡(5.2×10−3)=2.28\begin{aligned}\text{pOH}&=-\log[\text{OH}^-]\\ \\ &=-\log(5.2\times10^{-3})\\ \\ &=2.28\end{aligned}
Recordemos que a 25, degrees, start text, C, end text, start text, p, H, end text, plus, start text, p, O, H, end text, equals, 14. Al reorganizar esta ecuación, obtenemos:
start text, p, H, end text, equals, 14, minus, start text, p, O, H, end text
Insertamos nuestro valor de start text, p, O, H, end text y obtenemos:
start text, p, H, end text, equals, 14, point, 00, minus, left parenthesis, 2, point, 28, right parenthesis, equals, 11, point, 72
Por lo tanto, el start text, p, H, end text de la solución es de 11.72.

Bases débiles comunes

Del lado izquierdo, se encuentra la estructura de la piridina. Del lado derecho, la estructura de una amina genérica: un átomo de nitrógeno neutro con enlaces simples a R1, R2 y R3.
La piridina (izquierda) es un compuesto cíclico que contiene nitrógeno. Las aminas (derecha) son compuestos orgánicos que contienen un átomo de nitrógeno neutro con tres enlaces simples a hidrógeno o carbono. Ambas moléculas actúan como bases débiles.
Desde los jabones a los productos de limpieza, las bases débiles están en todas partes. Las aminas, un nitrógeno neutro con tres enlaces con otros átomos (normalmente un carbono o un hidrógeno), son grupos funcionales comunes en las bases orgánicas débiles.
Las aminas actúan como bases porque el par solitario de electrones del nitrógeno puede aceptar un start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. El amoniaco, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, es un ejemplo de una base aminada. La piridina, start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, es otro ejemplo de una base que contiene nitrógeno.

Resumen

  • Para un ácido débil monoprótico genérico start text, H, A, end text con su base conjugada start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, la constante de equilibrio tiene la forma:
K, start subscript, start text, a, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, A, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, H, A, end text, close bracket, end fraction
  • La constante de disociación ácida K, start subscript, start text, a, end text, end subscript cuantifica el grado de disociación de un ácido débil. Cuanto mayor es el valor de K, start subscript, start text, a, end text, end subscript más fuerte es el ácido y viceversa.
  • Para una base débil genérica start text, B, end text con su ácido conjugado start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, la constante de equilibrio tiene la forma:
K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, equals, start fraction, open bracket, start text, B, H, end text, start superscript, plus, end superscript, close bracket, open bracket, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket, divided by, open bracket, start text, B, end text, close bracket, end fraction
  • La constante de disociación básica (o constante de ionización básica) K, start subscript, start text, b, end text, end subscript cuantifica el grado de ionización de una base débil. Cuanto mayor es el valor de K, start subscript, start text, b, end text, end subscript, más fuerte es la base y viceversa.

¡Inténtalo!

Problema 1: encontrar la K, start subscript, start text, b, end text, end subscript a partir del start text, p, H, end text

Una solución 1, point, 50, start text, space, M, end text de piridina, start text, C, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 5, end subscript, start text, N, end text, tiene un start text, p, H, end text de 9, point, 70 a 25, degrees, start text, C, end text. ¿Cuál es la K, start subscript, start text, b, end text, end subscript de la piridina?
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