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Transformaciones químicas · Ácidos y bases

pH, Ka, Kb y grado de disociación

El jugo de limón, el agua del chorro y el destapacaños con el que se destapan las tuberías tienen algo en común: a todos se les puede asignar un único número, el pH, que resume lo ácida o básica que es la solución. Detrás de ese número hay una concentración de iones que varía en muchísimos órdenes de magnitud, y el pH es una forma cómoda de manejarla.

En los cálculos de esta página se aproximan las actividades por concentraciones en mol/L, válido para soluciones suficientemente diluidas. Si el ácido o la base fuerte aporta concentraciones próximas o inferiores a $10^{-7}\ \mathrm{M}$ a $25\,^\circ\mathrm{C}$, no se puede despreciar la autoionización del agua.

pH y pOH: medir la acidez

Con un sensor en el laboratorio se mide que el ácido muriático de limpieza tiene $[\mathrm{H_3O^+}] \approx 1\ \mathrm{M}$, el café $10^{-5}\ \mathrm{M}$, el agua destilada $10^{-7}\ \mathrm{M}$ y el cloro blanqueador $10^{-13}\ \mathrm{M}$. Manejar exponentes negativos tan dispares es incómodo: ¿cómo condensar catorce órdenes de magnitud en una escala cómoda?

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En el laboratorio de química se dispone de una disolución acuosa de ácido nítrico, $\mathrm{HNO_3}$, de concentración $0.025\,\mathrm{mol\times L^{-1}}$ a…

En el laboratorio de química se dispone de una disolución acuosa de ácido nítrico, $\mathrm{HNO_3}$, de concentración $0.025\,\mathrm{mol\times L^{-1}}$ a $25\,^\circ\mathrm{C}$. Sabiendo que el ácido nítrico se comporta como un ácido monoprótico fuerte que se disocia totalmente en agua y que el producto iónico del agua es $K_\mathrm{w} = 1.0\times 10^{-14}$ a dicha temperatura, considera el comportamiento ideal donde $\mathrm{pH} = -\log[\mathrm{H_3O^+}]$. Calcula: a) La concentración de iones hidronio, $[\mathrm{H_3O^+}]$, y el valor del $\mathrm{pH}$ de la disolución. b) La concentración de iones hidroxilo, $[\mathrm{OH^-}]$, presentes en el medio. Usa el modelo ideal y desprecia la autoprotólisis del agua cuando sea válida esa aproximación.

Resolver

Ácidos y bases fuertes y débiles

Si conectas un foco a dos electrodos sumergidos en $\mathrm{HCl}\ 0.10\ \mathrm{M}$, luce con mucha intensidad; en $\mathrm{CH_3COOH}\ 0.10\ \mathrm{M}$ (el ácido del vinagre) apenas se enciende un poco. Con la misma concentración de ácido, ¿por qué una conduce mucho mejor que la otra?

Comparación a nivel microscópico entre la disociación total de un ácido fuerte en iones y la disociación parcial de un ácido débil en equilibrio ácido fuerte 100 % disociado ácido débil solo una pequeña fracción

Los ácidos y bases débiles solo se disocian parcialmente: queda un equilibrio entre la especie molecular y sus iones, gobernado por una constante.

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Se prepara una disolución acuosa disolviendo $0.171\,\mathrm{g}$ de hidróxido de bario, $\mathrm{Ba(OH)2}$, en agua destilada hasta completar un volumen exacto de…

Se prepara una disolución acuosa disolviendo $0.171\,\mathrm{g}$ de hidróxido de bario, $\mathrm{Ba(OH)_2}$, en agua destilada hasta completar un volumen exacto de $500\,\mathrm{mL}$ a $25\,^\circ\mathrm{C}$. Se asume que este compuesto es una base fuerte que se disocia completamente según el proceso $\mathrm{Ba(OH)_2(s) \rightarrow Ba^{2+}(aq) + 2\,OH^-(aq)}$. Masa molar del $\mathrm{Ba(OH)_2}$: $171.3\,\mathrm{g\times mol^{-1}}$; $K_\mathrm{w} = 1.0\times 10^{-14}$. Bajo la aproximación ideal, determina: a) La concentración molar de iones $\mathrm{OH^-}$ en la disolución resultante. b) El $\mathrm{pOH}$ y el $\mathrm{pH}$ de la disolución final. Usa el modelo ideal y desprecia la autoprotólisis del agua cuando sea válida esa aproximación.

Resolver

Grado de disociación y aproximaciones

Esquema de decisión: si x es menor al 5 % de la concentración inicial se usa la raíz aproximada, si no se resuelve la ecuación cuadrática ¿x < 5 % de c₀? sí x ≈ √(Ka·c₀) no x² + Ka·x − Ka·c₀ = 0

Dilución, mezclas y problemas inversos

Al medir con un conductímetro una solución de ácido acético y agregarle agua poco a poco, el porcentaje de moléculas ionizadas aumenta cuanto más diluido está el ácido. ¿Por qué diluir favorece la separación en iones?

Efecto de la dilución sobre un ácido débil: la solución diluida tiene menor concentración absoluta de iones pero mayor fracción disociada concentrado α pequeño diluido ×10 α mayor

Mezcla de un ácido fuerte con una base fuerte

Si mezclas una solución de ácido fuerte con una de base fuerte, ¿la mezcla es ácida, básica o neutra? Depende de cuál de los dos quede en exceso.

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Se mezclan en un reactor de laboratorio $250\,\mathrm{mL}$ de una disolución acuosa de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, de concentración…

Se mezclan en un reactor de laboratorio $250\,\mathrm{mL}$ de una disolución acuosa de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, de concentración $0.060\,\mathrm{mol\times L^{-1}}$ con $150\,\mathrm{mL}$ de una disolución acuosa de hidróxido de bario, $\mathrm{Ba(OH)_2}$, de concentración $0.040\,\mathrm{mol\times L^{-1}}$ a $25\,^\circ\mathrm{C}$. Se asume que los volúmenes son aditivos (volumen final $400\,\mathrm{mL}$), que ambas sustancias se comportan como electrolitos fuertes totalmente disociados y que $K_\mathrm{w} = 1.0\times 10^{-14}$ a esa temperatura en disolución ideal. a) Formula la reacción de neutralización iónica neta y determina razonadamente qué reactivo se encuentra en exceso cuantificando los moles sobrantes. b) Calcula la concentración molar de todas las especies iónicas presentes en la mezcla resultante ($\mathrm{H_3O^+}$, $\mathrm{OH^-}$, $\mathrm{Ba^{2+}}$ y $\mathrm{Cl^-}$) y determina el $\mathrm{pH}$ de la disolución final. Usa el modelo ideal y desprecia la autoprotólisis del agua cuando sea válida esa aproximación.

Resolver

Vuelta al principio: el jugo de limón tiene $\mathrm{pH} \approx 2$ ($[\mathrm{H_3O^+}] \approx 10^{-2}\ \mathrm{M}$), el agua potable del chorro ronda $\mathrm{pH} \approx 7$ y el destapacaños ronda $\mathrm{pH} \approx 14$ ($[\mathrm{OH^-}] \approx 1\ \mathrm{M}$): doce órdenes de magnitud que la escala logarítmica resume en una escala de 0 a 14.

Resumen

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