El documento describe los conceptos fundamentales de los equilibrios ácido-base, incluyendo las teorías de Arrhenius, Brønsted-Lowry y Lewis sobre ácidos y bases. Explica el producto iónico del agua, las escalas pH y pK, y las propiedades de ácidos y bases fuertes y débiles. Proporciona ejemplos ilustrativos de cálculos relacionados con equilibrios ácido-base en disolución.
1. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I
6. Equilibrios ácido-base I
2. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 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.
3. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 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
4. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases
5. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 5
Ácidos y bases
• Teoría de Arrhenius: (punto de partida, superada)
– Ácido: sustancia que produce protones (H+) en agua
– Base o álcali: sustancia que produce iones hidroxilo (OH-) en agua
– ¿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
2
( ) ( ) ( )
H O
g ac ac
HCl H Cl
2
( ) ( ) ( )
H O
s ac ac
NaOH Na OH
[Lectura: Petrucci 17.1]
6. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 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
[Lectura: Petrucci 17.2]
2 2
NaOH H O Na H O OH
ácido
base
3 2 4
NH H O NH OH
ácido
base
3 2 4
NH H O NH OH
3 2 4
NH H O NH OH
ácido base
ácido
base ácido base
2 3
HCl H O Cl H O
ácido base
conjugados
conjugados
7. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 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
[Lectura: Petrucci 17.9]
ácido
de Lewis
base
de Lewis
aducto
8. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases en
disolución
9. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 9
Equilibrio de autoionización. Producto iónico del agua
2 2 3
H O H O H O OH
14
,298 1,0 10
w
K
Agua pura:
3
[ ][ ] w
H O OH K
(Aunque no escribimos el subíndice
eq, nos referirnos a concentraciones
de equilibrio de aquí en adelante)
14 7
3
[ ] [ ] 1,0 10 1,0 10
H O OH M
a 25ºC:
3
[ ] [ ]
H O OH
w
K
ácido
base ácido base
débil débil fuerte fuerte
H
H
Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base
14 7
3
[ ] [ ] 9,6 10 3,1 10
H O OH M
a 60ºC:
3
[ ] [ ]
H O OH
3
[ ] [ ]
H O OH
3
[ ] [ ]
H O OH
[Lectura: Petrucci 17.3]
Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina
10. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 10
pH, pOH y pK
Def.:
4
3
[ ] 3,7 10
H O M
3
log[ ]
pH H O
Las concentraciones molares de H3O+ y de OH- en disolución suelen ser mucho
menores que 1 M; p.ej:
11
[ ] 2,7 10
OH M
3,43
3
[ ] 10
H O M
10,57
[ ] 10
OH M
log[ ]
pOH OH
3,43
pH 10,57
pH
14,00
10
w
K
log
w w
pK K
14,00
w
pK
14
1,0 10
w
K
25ºC
3
[ ][ ] w
H O OH K
3
log[ ] log[ ] log w
H O OH K
w
pH pOH pK
25º ;
C 14,00
pH pOH
[Lectura: Petrucci 17.3]
12. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 12
pH y pOH
Una muestra de agua de lluvia tiene pH=4,35. ¿Cuánto vale [H3O+]?
3
4,35 log[ ]
H O
3
log[ ] 4,35
H O
4,35 5
3
[ ] 10 4,5 10
H O M
Una muestra de un amoniaco de uso doméstico tiene pH=11,28. ¿Cuánto vale
[OH-]?
14,00 14,00 11,28 2,72
pOH pH
2,72 log[ ]
OH
2,72 3
[ ] 10 1,9 10
OH M
13. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 13
Ácidos y bases fuertes
Tienen el equilibrio de ionización muy desplazado a la derecha
2 3
HCl H O Cl H O
NaOH Na OH
- puede considerarse totalmente desplazado, salvo en disoluciones muy concentradas
- 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
2 3
2H O H O OH
Ácidos fuertes más frecuentes Bases fuertes más frecuentes
HCl HBr HI
4
HClO
3
HNO
2 4
H SO (sólo la 1ª ionización)
LiOH NaOH KOH
RbOH CsOH
2
Mg OH 2
Ca OH
2
Sr OH 2
Ba OH
[Lectura: Petrucci 17.4]
14. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 14
Ácidos y bases fuertes
Ejemplo: Disolución HCl(ac) 0,015 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares
de las especies presentes en la disolución y el pH?
2 3
HCl H O Cl H O
0
c
0
c
0
( )
c
2 3
2H O H O OH
w
w
[ ]
Cl
3
[ ]
H O
[ ]
OH
0
c
0
c w
w
0
c
0,015M
0,015M
3
[ ] [ ]
w
OH K H O
14
1,0 10 0,015
13
6,7 10 M
13
6,7 10 M
1
3
[ ][ ] w
H O OH K
2
3
3
~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido
• los OH- proceden de la ionización del agua
• los Cl- proceden de la ionización del ácido
• [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw
log0,015 1,82
pH
4
[Lectura: Petrucci 17.4]
15. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 15
Ácidos y bases fuertes
Ejemplo: Disolución saturada de Ca(OH)2(ac). ¿Cuánto valen las concentraciones
molares de las especies presentes en la disolución y el pH?
[Ca(OH)2: solubilidad a 25ºC 0,16 g/100 ml.]
2
2 2
( ) ( )
( ) ( ) 2
s ac
Ca OH Ca OH Ca OH
s
2s
( )
s
2 3
2H O H O OH
w
w
2
[ ]
Ca
3
[ ]
H O
[ ]
OH
s
w
2s w
0,022M
13
2,3 10 M
3
[ ] [ ]
w
H O K OH
14
1,0 10 0,044
13
2,3 10 M
0,044M
1
3
[ ][ ] w
H O OH K
3
3
2 ~ todo el OH-procede de la ionización del la base disuelta
• los H3O+ proceden de la ionización del agua
• los Ca2+ proceden de la ionización de la base disuelta
• [H3O+] y [OH-] deben ser consistentes con Kw
2 2
[ ][ ] ps
Ca OH K
• la concentración de base disuelta e ionizada es su
solubilidad molar
2s
4
13
log 2,3 10 12,64
pH
[Lectura: Petrucci 17.4]
1
2
0,16 ( )
100 dsln
g Ca OH
ml
0,022M
2
2
1 ( )
74,1 ( )
mol Ca OH
g Ca OH
1000
1
ml
l
16. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos y bases
débiles
17. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 17
Ácidos y bases débiles
Es necesario considerar su equilibrio de ionización
2 3
HA H O A H O
Constante de ionización
o de acidez del ácido HA
[Lectura: Petrucci 17.5]
3
[ ][ ]
[ ]
a
A H O
K
HA
2
B H O HB OH
Constante de ionización
o de basicidad de la base B
[ ][ ]
[ ]
b
HB OH
K
B
2 3
HCN H O CN H O
10
6,2 10
a
K
9,21
a
pK
- ácidos más fuertes cuanto mayor Ka (cuanto menor pKa)
3 2 4
NH H O NH OH
5
1,8 10
b
K
4,74
b
pK
- bases más fuertes cuanto mayor Kb (cuanto menor pKb)
18. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 18
Ácidos débiles
Fuerza
del
ácido
19. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 19
Bases débiles
Fuerza
de
la
base
20. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 20
Ácidos débiles
Disolución HA(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la
disolución?
2 3
HA H O A H O
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
[ ]
A
3
[ ]
H O
[ ]
OH
x
x w
w
x
3
[ ][ ] w
H O OH K
~ todo el H3O+ procede de la ionización del ácido
(Kw<<Ka)
• los OH- proceden de la ionización del agua
• los A- proceden de la ionización del ácido
[Lectura: Petrucci 17.5]
3
[ ][ ]
[ ]
a
A H O
K
HA
[ ]
HA 0
c x
• el HA se ioniza parcialmente; ¿es Ka suficientemente
pequeña para que c0-x=c0?
2
0
a
x
K
c x
2
0 0
a a
x K x K c
2
4
2
a a o a
K K c K
x
0
c
2
0
a
x
K
c
1
1
2
2
0 a
x c K
w
K
w
x
0
¿4 ?
a
c K
0
¿4 ?
a
c K
SI
NO
21. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 21
2
0
;
a
x
K
c x
2
0 0 ;
a a
x K x K c
0
4 :
a
c K
2
4
2
a a o a
K K c K
x
0
x
Si
4
2
a o a
K c K
x
0
4 a a
c K K
2
0
4 a a
c K K
o a
c K
2
0
a
x
K
c
que equivale a aproximar 0 0
c x c
2
0 a
x c K
La aproximación se hace para calcular
Para calcular la concentración de equilibrio de HA se puede usar 0
c x
x
22. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 22
Bases débiles
[Lectura: Petrucci 17.5]
2
0
b
x
K
c x
2
0 0
b b
x K x K c
2
4
2
b b o b
K K c K
x
2
0
b
x
K
c
1 2
0 b
x c K
w
K
w
x
0
¿4 ?
b
c K
SI
NO
Disolución B(ac) c0 M. ¿Concentraciones molares de las especies presentes en la
disolución?
2
B H O HB OH
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
3
[ ][ ] w
H O OH K
[ ][ ]
[ ]
b
HB OH
K
B
[ ]
HB
[ ]
OH
3
[ ]
H O
x
x w
w
x ~ todo el OH- procede de la ionización de la base
(Kw<<Kb)
• los H3O+ proceden de la ionización del agua
• los HB+ proceden de la ionización de la base
[ ]
B 0
c x
• la B se ioniza parcialmente; ¿es Kb suficientemente
pequeña para que c0-x=c0?
0
¿4 ?
b
c K
0
c
1 2
23. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 23
Ácidos débiles
Ejemplo: Disolución HF(ac) 0,15 M. ¿Cuánto valen las concentraciones molares
de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4]
2 3
HF H O F H O
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
0,0099M
12
1,0 10 M
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
[Lectura: Petrucci 17.5]
4
3
[ ][ ]
6,6 10
[ ]
a
F H O
K
HF
0,15M
3
9,9 10
x
0
¿4 ?
a
c K
0,60 0,00066 0,60
SI
[ ]
F
3
[ ]
H O
[ ]
OH
x
x w
w
x
[ ]
HF 0
c x
0
c
2
0
a
x
K
c
0 a
x c K
0,0099M
w
K
w
x
14
3
1,0 10
9,9 10
12
1,0 10
3
[ ] [ ] [ ] [ ]
HF F H O OH
3
log9,9 10 2,00
pH
24. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 24
Ácidos débiles
Ejemplo: Disolución HF(ac) 0,00150 M. ¿Cuánto valen las concentraciones
molares de las especies presentes en la disolución y el pH? [HF: Ka=6,6x10-4]
2 3
HF H O F H O
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
0,00072M
11
1,4 10 M
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
[Lectura: Petrucci 17.5]
4
3
[ ][ ]
6,6 10
[ ]
a
F H O
K
HF
0,00078M
4
7,2 10
x
0
¿4 ?
a
c K
0,0060 0,00066 0,0067
NO
[ ]
F
3
[ ]
H O
[ ]
OH
x
x w
w
x
[ ]
HF 0
c x
2
0
a
x
K
c x
w
K
w
x
14
4
1,0 10
7,2 10
11
1,4 10
2
4
2
a a o a
K K c K
x
0,00072M
0,00099
o a
c K
3
[ ] [ ] [ ] [ ]
HF F H O OH
4
log7,2 10 3,14
pH
25. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 25
Ácidos débiles
Ejemplo: El pH de una disolución HF(ac) 0,0015 M es 3,14. ¿Cuánto vale la
constante de ionización del HF?
2 3
HF H O F H O
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
3
[ ][ ]
[ ]
a
F H O
K
HF
3,14 4
3
[ ] 10 7,2 10
x H O
[ ]
F
3
[ ]
H O
[ ]
OH
x
x w
w
x
[ ]
HF 0
c x
4 2
4
0
(7,2 10 )
6,6 10
0,0015 0,00072
a
x x
K
c x
26. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 26
Bases débiles
2
B H O HB OH
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
9
[ ][ ]
1,5 10
[ ]
b
HB OH
K
B
[ ]
HB
[ ]
OH
3
[ ]
H O
x
x w
w
x
[ ]
B 0
c x
0
c
Ejemplo: Disolución piridina(ac) 0,0015 M. ¿Concentraciones molares de las
especies presentes en la disolución y pH? [Piridina: Kb=1,5x10-9]
6
1,5 10
x
0
¿4 ?
b
c K
9
0,0060 1,5 10 0,0060
SI
2
0
b
x
K
c
0 b
x c K
w
K
w
x
14
6
1,0 10
1,5 10
9
6,7 10
6
log1,5 10 5,82
pOH
6
1,5 10 M
9
6,7 10 M
0,0015M
3
[ ] [ ] [ ] [ ]
B HB OH H O
6
1,5 10 M
14,00 5,82 8,18
pH
27. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 27
Bases débiles
2
B H O HB OH
x
x
x
2 3
2H O H O OH
w
w
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
[ ][ ]
[ ]
b
HB OH
K
B
[ ]
HB
[ ]
OH
3
[ ]
H O
x
x w
w
x
[ ]
B 0
c x
Ejemplo: El pH de una disolución de piridina(ac) 0,0015 M es 8,18 ¿Cuánto vale
la constante de ionización de la piridina?
5,82 6
[ ] 10 1,5 10
x OH
6 2
9
6
0
(1,5 10 )
1,5 10
0,0015 1,5 10
b
x x
K
c x
14,00 8,18 5,82
pOH
no es necesario considerar si
se desprecia frente a c0 o no
28. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 28
Grado de ionización
(de un ácido o de una base débiles)
[Lectura: Petrucci 17.5]
Grado de ionización =
2 3
HA H O A H O
x
x
x
3
[ ][ ]
[ ]
a
A H O
K
HA
[ ]
A
x
[ ]
HA 0
c x
0 0
[ ]
A x
c c
Molaridad de ácido ionizado
Molaridad de ácido inicial
0
c
0 (1 )
c
3
[ ]
H O
x
0
c
2 2
0
0 (1 )
a
c
K
c
2
0
(1 )
a
c
K
100%
0
c
Ácido fuerte
Ácido débil
1
0
0,5
2
0
4
2
a a o a
K K c K
c
29. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 29
Grado de ionización
(de un ácido o de una base débiles)
0
c
Ácido fuerte
Ácido débil
1
0
0,5
Ej.: ¿Cuál es el grado de ionización del HF(ac) 0,0015 M y del HF(ac) 0,15 M de
los ejemplos de más atrás?
HF(ac) 0,0015 M:
HF(ac) 0,15 M:
0 0
[ ]
F x
c c
0,00072
0,48 48%
0,0015
0,0099
0,066 6,6%
0,15
30. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I
Ácidos polipróticos
31. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 31
Ácidos polipróticos
[Lectura: Petrucci 17.6]
Ejemplo: H3PO4, con Ka1 >> Ka2 >> Ka3
3 4 2 2 4 3
H PO H O H PO H O
3
1 7,1 10
a
K
8
2 6,2 10
a
K
13
3 4,4 10
a
K
x
x
x
y
y
y
z
z
z
3 4
[ ]
H PO
2 4
[ ]
H PO
2
4
[ ]
HPO
3
4
[ ]
PO
3
[ ]
H O
[ ]
OH
x y
y z
z
x y z w
w
]
[
]
][
[
2
4
3
3
4
HPO
O
H
PO
]
[
]
][
[
4
2
3
2
4
PO
H
O
H
HPO
]
[
]
][
[
4
3
3
4
2
PO
H
O
H
PO
H
2
2 4 2 4 3
H PO H O HPO H O
2 3
4 2 4 3
HPO H O PO H O
2 3
2H O H O OH
w
w
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
0
c x
x 2 1
( )
a a
K K
y 3 2
( )
a a
K K
x 1
(& )
w a
K K
2
1
0
a
x
K
c x
2
a
y K
3
a
z x
K
y
w
x w K
y
1
x
2
z
w
3
4
32. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 32
Ácidos polipróticos
[Lectura: Petrucci 17.6]
3 4
[ ]
H PO
2 4
[ ]
H PO
2
4
[ ]
HPO
3
4
[ ]
PO
3
[ ]
H O
[ ]
OH
x y
y z
z
x y z w
w
0
c x
x
y
x
2
1
0
a
x
K
c x
2
a
y K
3
a
z x
K
y
w
x w K
y
1
x
2
z
w
3
4
Ejemplo: Disolución H3PO4(ac) 3.00 M. ¿Cuánto valen las concentraciones
molares de las especies presentes en la disolución y el pH?
0 1
¿4 ?
a
c K
3
12,00 7,1 10 12,00
SI
2
1
0
a
x
K
c
3
0 1 3,00 7,1 10
a
x c K
1
8
2 6,2 10
a
y K
2
3
a
y
z K
x
0,15
x
8
13 19
6,2 10
4,4 10 1,9 10
0,15
3
4 w
K
w
x
14
14
1,0 10
6,7 10
0,15
2,85M
0,15M
0,15M
8
6,2 10 M
19
1,9 10 M
14
6,7 10 M
log0,15 0,82
pH
33. Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 33
Ácidos polipróticos: El ácido sulfúrico H2SO4
[Lectura: Petrucci 17.6]
2 4
[ ]
H SO
4
[ ]
HSO
2
4
[ ]
SO
3
[ ]
H O
[ ]
OH
0
c x
x
0
c x w
w
0
0
c x
0
2
0
( )
a
x c x
K
c x
0
w
K
w
c x
0,49M
0,51M
0,011M
14
2,0 10 M
log0,51 2,92
pH
1ª ionización: ácido fuerte; 2ª ionización: ácido débil
2 4 2 4 3
H SO H O HSO H O
2
2 1,1 10
a
K
0
( )
c
0
c
0
c
x
x
x
2
4 3
4
[ ][ ]
[ ]
SO H O
HSO
2
4 2 4 3
HSO H O SO H O
2 3
2H O H O OH
w
w
14
3
[ ][ ] 1,0 10
w
H O OH K
0
2
0
a
c x
K
c
0,011
x
Ejemplo: Disolución H2SO4(ac) 0,50 M. ¿Concentraciones molares de las
especies presentes en la disolución y pH? [Ka2=1,1x10-2]
14
14
1,0 10
2,0 10
0,51
2 0,011
a
x K