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.

1. 6. Equilibrios ácido-base IQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

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

4. Ácidos y basesQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

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 1014 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 1014  1,0 107 M a 60ºC: [ H3O ]  [OH  ]  9,6 1014  3,1107 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 104 M [OH  ]  2,7 1011 M K w  1,0 1014 [ H3O ]  103,43 M [OH  ]  1010,57 M K w  1014,00Def.: 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

11. pH, pOH y pK [ H 3O ] / M pH pOH [OH  ] / M 1, 0 1012 12, 00 2, 00 1,0 102 1, 0 1011 11, 00 3, 00 1,0 103 1, 0 1010 10, 00 4, 00 1,0 104 Basicidad 1, 0 109 9, 00 5, 00 1, 0 105 Acidez 1,0 108 8, 00 6, 00 1,0 106 1, 0 107 7, 00 7, 00 1, 0 107 1,0 106 6, 00 8, 00 1,0 108 1, 0 105 5, 00 9, 00 1, 0 109 1,0 104 4, 00 10, 00 1, 0 1010 1, 0 103 3, 00 11, 00 1, 0 1011 1,0 102 2, 00 12, 00 1, 0 1012 [Lectura: Petrucci 17.3]Química (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I 11

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 ]  104,35  4,5 105 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  ]  102,72  1,9 103 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 1013 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 1014 0,015  6,7 1013 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, 0x108 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 108 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, 0x108  9,5x10 8 ) M w2  c0 w  K w  0 [ H 3O  ]  1, 05x107 M w  9,5 108 M pH   log1, 05x107  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 1013 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 1013  12,64 [ H3O ]  K w [OH  ]  1,0 1014 0,044  2,3 1013 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 1010 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 105 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  ]  xw 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  0c0  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 104 x x x [ HF ] 2H 2O H3O  OH  [ H3O ][OH  ]  K w  1,0 1014 w w[ HF ]  c0  x c0  0,15M[F  ] x  0,0099M [ HF ]  [ F  ]  [ H3O ]  [OH  ][ H 3O  ]  xw x  0,0099M[OH  ] w  1,0 1012 M x2 ¿4c0  Ka ? 0,60  0,00066  0,60 SI  Ka x  c0 K a c0 14 x  9,9 103 K w 1, 0 10 w   1,0 1012 x 9,9 103 pH   log 9,9 103  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 104 x x x [ HF ] 2H 2O H3O  OH  [ H3O ][OH  ]  K w  1,0 1014 w w[ HF ]  c0  x  0,00078M[F  ] x  0,00072M [ HF ]  [ F  ]  [ H3O ]  [OH  ][ H 3O  ]  xw x  0,00072M[OH  ] w  1, 4 1011 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 104 K w 1, 0 10 w   1, 4 1011  co K a  0, 00099 x 7, 2 104   pH   log 7, 2 104  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 1014 w w[ HF ]  c0  x x  [ H3O ]  103,14  7, 2 104[F  ] x[ H 3O  ]  xw x x x (7, 2 104 ) 2 Ka    6, 6 104[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 109 x x x [ B] 2H 2O H3O  OH  [ H3O ][OH  ]  K w  1,0 1014 w w [ B]  c0  x c0  0,0015M [ HB  ]  x  1,5 106 M [ B]  [ HB ]  [OH  ]  [ H3O ] [OH  ]  x  w x  1,5 106 M [ H 3O  ]  w  6,7 109 M 9 x2 ¿4c0  Kb ? 0,0060  1,5 10  0,0060 SI  Kb x  c0 Kb c0 14 x  1,5 106 K w 1, 0 10 w   6,7 109 x 1,5 106 pOH   log1,5 106  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 1014 w w [ B]  c0  x pOH  14,00  8,18  5,82 [ HB  ]  x [OH  ]  x  w x  [OH  ]  105,82  1,5 106 x [ H 3O  ]  w x x (1,5 106 )2 Kb    1,5 109 c0  x 0, 0015  1,5 106 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

31. Ácidos polipróticosQuímica (1S, Grado Biología) UAM 6. Equilibrio ácido-base I

32. Ácidos polipróticosEjemplo: H3PO4, con Ka1 >> Ka2 >> Ka3   [ H 2 PO4 ][ H 3O  ]  H3 PO4  H 2O H 2 PO  H3O 4  Ka1  7,1103 x x x [ H 3 PO4 ]  [ HPO4  ][ H 3O  ] 2 H 2 PO4  H 2O HPO4   H3O 2   Ka 2  6, 2 108 y y y [ H 2 PO4 ] [ PO4  ][ H 3O  ] 3 HPO4   H 2O 2 PO4   H3O 3 2  Ka 3  4, 4 1013 z z z [ HPO4 ] 2H 2O H3O  OH  [ H3O ][OH  ]  K w  1,0 1014 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  7,1103  12,00 SI  K a1 x  c0 Ka1  3,00  7,1103 c0 2 y  Ka 2  6, 2 108 x  0,15 y 6, 2 108 3 z  Ka3  4, 4 1013  1,9 1019 x 14 0,15 K 1, 0 10 4 w w   6, 7 1014 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 108 M y  Ka 2 y 2 [ PO4  ]  z 3  1,9 1019 M zx [ H 3O  ]  x  y  z  w x  0,15 M  Ka3 z 3 y [OH  ]  w  6,7 1014 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  1,1102 x x x [ HSO4 ] 2H 2O H3O  OH  [ H3O ][OH  ]  K w  1,0 1014 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 1014 w   2, 0 1014[OH  ]  w  2,0 1014 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