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INTRODUCCIÓN AL EQUILIBRIO ÁCIDO BASE

INTRODUCCI N AL EQUILIBRIO . CIDO BASE. Lic. Ana Mar a Mart n EQUILIBRIO CIDO-BASE. Introducci n Los solutos que son solubles en agua pueden clasificarse como electrolitos y no electrolitos. Electrolito: son aquellas especies que en disoluci n acuosa conducen la corriente el ctrica. Presentan un comportamiento anormal respecto a las propiedades coligativas. Los electrolitos fuertes son sustancias que conducen bien la electricidad en disoluciones acuosas diluidas. Los electrolitos d biles conducen la electricidad muy poco en disoluciones acuosas. La corriente el ctrica se conduce a trav s de la disoluci n acuosa por movimiento de iones. No electrolito: son aquellas especies que en disoluci n acuosa no conducen la corriente el ctrica. Presentan comportamiento normal respecto de las propiedades coligativas.

NH 3 + H 2O qwe NH 4 + + OH-[][ ] 3 4 NH OH NH Kb La constante de ionización de un ácido ó una base se emplea como una medida cuantitativa de la fuerza del ácido ó la base en la solución acuosa.

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1 INTRODUCCI N AL EQUILIBRIO . CIDO BASE. Lic. Ana Mar a Mart n EQUILIBRIO CIDO-BASE. Introducci n Los solutos que son solubles en agua pueden clasificarse como electrolitos y no electrolitos. Electrolito: son aquellas especies que en disoluci n acuosa conducen la corriente el ctrica. Presentan un comportamiento anormal respecto a las propiedades coligativas. Los electrolitos fuertes son sustancias que conducen bien la electricidad en disoluciones acuosas diluidas. Los electrolitos d biles conducen la electricidad muy poco en disoluciones acuosas. La corriente el ctrica se conduce a trav s de la disoluci n acuosa por movimiento de iones. No electrolito: son aquellas especies que en disoluci n acuosa no conducen la corriente el ctrica. Presentan comportamiento normal respecto de las propiedades coligativas.

2 La disociaci n es el proceso por el cual un compuesto i nico se separa en sus iones en disoluci n, por ejemplo NaCl. La ionizaci n es el proceso por el cual un compuesto molecular se separa formando iones en disoluci n, por ejemplo HCl. En 1680 Robert Boyle not que los cidos disolv an muchas sustancias, cambiaban el color de algunos tintes naturales y perd an sus propiedades caracter sticas cuando se mezclaban con lcalis. En 1814 J. Gay-Lussac concluy que los cidos neutralizaban a las bases y que los dos tipos de sustancias deber an definirse en t rminos de sus reacciones entre s . En 1884 Svante Arrhenius present su teor a de disociaci n electrol tica, y enunci la teor a de las reacciones cido base, considerando cido a las sustancias que contiene hidr geno y en disoluci n acuosa producen iones H+; y base a las sustancias que contienen el grupo hidroxilo y producen iones HO- en disoluci n acuosa.

3 Aunque Arrhenius describi a los iones H+ en agua como iones aislados (protones), sabemos que en soluci n existen en forma de H(H2O)n+ donde n es un n mero entero y peque o (entre 1 y 6). Esto es debido a la atracci n de los iones H+ sobre el ox geno de las mol culas de agua. En este texto usaremos la expresi n H+ por simplicidad, pero tendremos presente que se halla hidratado. En 1923 J. N. Br nsted y T. M. Lowry presentaron independientemente sus teor as cido base, pero como resultaron muy parecidas, la unificaron como la teor a de Br nsted y Lowry. En ese mismo a o G. N. Lewis present una teor a cido base m s completa. Un cido es cualquier especie que puede aceptar compartir un par de electrones. Una base es cualquier especie que puede donar un par de electrones. Dado que muchas reacciones qu micas importantes ocurren en disoluci n acuosa, o en contacto con el agua, usaremos la teor a de Br nsted y Lowry debido a que resulta especialmente til.

4 La ionizaci n del agua El agua es un electrolito extremadamente d bil y est muy poco disociado en sus iones. La autoionizaci n del agua se puede representar mediante la siguiente reacci n: H2O qwe H+ + OH- 2 H2O qwe H3O+ + OH - La expresi n de la constante de EQUILIBRIO para esta reacci n se la puede expresar como: K=. [H ][OH ]. + . [H 2O ]. Considerando que la densidad del agua es 1 g/cm3 : 1000g [H 2O ] = = 18g / mol Entonces: Kw = k [H20]. As : Kw = [H+] [OH-] = 10-14 (t = 25 C). Acidos y bases De acuerdo con la teor a cl sica de la ionizaci n electrol tica desarrollada por Arrenhius, los electrolitos disueltos en agua, se disocian directamente en part culas cargadas (positivas y negativas) llamadas iones. Para Qu mica Anal tica, son de gran inter s aquellos electrolitos cuyos iones provocan que la disoluci n sea cida b sica.

5 De acuerdo con la misma teor a, los iones que dan origen al comportamiento cido son los protones y los iones hidr xido provocan el comportamiento alcalino. Por lo tanto, cidos son los electrolitos que en disoluci n acuosa liberan iones hidr geno, y bases son los que liberan iones hidr xido. El EQUILIBRIO cido - base se puede representar por medio de las ecuaciones siguientes: cido qwe ani n + H+. base qwe cati n + OH- Esta teor a cl sica explica satisfactoriamente muchos de los hechos observados para los equilibrios cido - base en disoluci n acuosa. Sin embargo, en disoluci n no acuosa, se observaron algunos fen menos no explicados por esta teor a. Un tratamiento correcto de los equilibrios cido - base en soluci n acuosa y no acuosa fue dado por Br nsted e independientemente por Lowry en 1923.

6 Teor a de Br snted y Lowry Acido: especie qu mica que cede un prot n y genera una base conjugada. HA qwe H+ + A- cido base conjugada Base: especie qu mica que acepta un prot n y genera un cido conjugado. B + H+ qwe BH+. base cido conjugada Un par cido base conjugado consiste en dos especies relacionadas entre s por la donaci n y aceptaci n de un simple ion hidr geno: HA / A y B/ BH+. De la definici n anterior se deduce que un cido posee un H+ m s que su base conjugada. En consecuencia, un cido puede ser un cati n, una mol cula un ani n, ocurriendo lo mismo para las bases. cido molecular: HCl, HNO3, H2SO4, CH3 COOH, H2O. cido ani nico: HSO4-, H2PO4-, HSO3- cido cati nico: NH4+, H3O+, Al(H2O)63+. Base molecular: NH3, CH3NH2, H2O. Base ani nica: HPO2-, HCO3-, SO32- Base cati nica: NH2CH2CH2NH3+.

7 El comportamiento de una especie qu mica como un cido se define en gran medida por el disolvente en el que se disuelve. Cuando un cido se disuelve en agua y se ioniza completamente se lo denomina cido fuerte: HCl + H2O sd H3O+ + Cl- Por el contrario, cuando un cido se disuelve en agua y se ioniza parcialmente se lo denomina cido d bil: CH3 COOH + H2O qwe H3O+ + CH3 COOH- An logamente, cuando una base se disuelve en agua y se disocia completamente se la denomina base fuerte: NaOH sd Na + + OH - mientras que si se ioniza parcialmente se la denomina base d bil: NH3 + H2O qwe NH4+ + OH- Es importante resaltar la diferencia entre los conceptos concentrado diluido y los conceptos fuerte d bil, los primeros se refieren a la cantidad de soluto disuelto en la disoluci n, en general, expresado en n mero de moles de cido o base presentes en un litro de disoluci n.

8 Los segundos se refieren al poder dador o aceptor de protones del cido o la base con respecto al disolvente. Un cido fuerte como el HCl, puede estar concentrado (por ejemplo, 0,1 M) o diluido (1 x 10-3 M); en cualquier caso el cido estar completamente ionizado en disoluci n acuosa. Un cido d bil puede estar concentrado, por ejemplo: CH3 COOH 0,1 M y se encuentra que s lo cerca del 1,3% de las mol culas de CH3 COOH est n ionizadas, o puede estar diluido: 1 x 10-3 M en que el 12,4 % de las mol culas est n ionizadas, o sea, en ambos casos, concentrado o diluido, el cido d bil esta parcialmente ionizado. Como toda reacci n de EQUILIBRIO qu mico, la ionizaci n de los cidos y bases d biles est . gobernada por una constante termodin mica, que en rigor debe expresarse como relaci n de actividades de las especies, pero para disoluciones diluidas se puede usar concentraciones como aproximaci n: CH3 COOH + H2O qwe H30+ + CH3 COOH- [.]

9 Ka = 3. ][ ]. H O + CH 3 COO . [CH 3 COOH ]. NH3 + H2O qwe NH4+ + OH- Kb =. [OH ][NH ].. 4. +. [NH 3 ]. La constante de ionizaci n de un cido una base se emplea como una medida cuantitativa de la fuerza del cido la base en la soluci n acuosa. Si la constante de EQUILIBRIO es mayor a 1000, el EQUILIBRIO est muy desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse que las especies est n casi totalmente ionizadas. En este caso se denomina cido base fuerte. Por otro lado, si la contante de EQUILIBRIO es menor que 1, el EQUILIBRIO est poco desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse que las especies est n poco ionizadas, por lo cual se denomina cido base d bil. pH y otras funciones logar tmicas Dado que la mayor a de las concentraciones de especies en soluciones acuosas son potencias negativas de 10, se define el operador matem tico p = - log.

10 Para una especie de concentraci n C, pC = - log C. En el caso de la especie H+, pH = - log [H+]. El operador p tambi n puede aplicarse a constantes de EQUILIBRIO . Para un cido de Ka = 1 x 10-5, pKa = 5. Resoluci n de problemas Se usa una metodolog a sistem tica que permite trabajar en la resoluci n de problemas en el que intervienen varios equilibrios i nicos simult neos. En todos los casos se debe plantear: 1. Ecuaciones qu micas de todas las reacciones que ocurren en el sistema. 2. Las expresiones de las constantes de EQUILIBRIO , cuando corresponda. 3. Balance de masa del sistema (principio de conservaci n de la masa). 4. Balance de carga del sistema (condici n de electroneutralidad). 5. Realizar las aproximaciones necesarias para simplificar el c lculo dentro de la incerteza aceptada, en este texto se considera aceptable hasta un 10 %.


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