doc apoy 6 ec charlot h h 2010 ii 11388

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QUÍMICA ANALÍTICA I Documento de apoyo (6): Cálculo del pH de sistemas monodonadores conjugados nivelados y no-nivelados. Ecuación de Charlot y reducción polinomial con base a la Ley de dilución de Ostwald. Dr. Alejandro Baeza. Semestre 2010-II. ________________________________________________________________________ Planteamiento del sistema en estudio Sistemas nivelados: Solvo ácidos: Se mezclan el monodonador solvoácido monoprótico nivelado F HX La solución se forma según los procesos I y II: HX X - + H + H 2 O = H + + OH - Al equilibrio se cumple el balance de masa, la Kw de disociación del agua y el balance de electroneutralidad: F HX = Co = [X - ] [H + ] = [OH - ] + [X - ] Solvo bases: Se mezclan el monodonador solvoácido monoprótico nivelado F MOH La solución se forma según los procesos I y II: MOH M + + OH - H 2 O = H + + OH -

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ecuaciones de Charlot.Por el Dr.Alejandro Baeza

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Page 1: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

QUÍMICA ANALÍTICA I

Documento de apoyo (6): Cálculo del pH de sistemas monodonadores conjugados

nivelados y no-nivelados. Ecuación de Charlot y reducción polinomial con base a la Ley

de dilución de Ostwald.

Dr. Alejandro Baeza. Semestre 2010-II.

________________________________________________________________________

Planteamiento del sistema en estudio

Sistemas nivelados:

Solvo ácidos:

Se mezclan el monodonador solvoácido monoprótico nivelado

FHX

La solución se forma según los procesos I y II:

HX X- + H

+

H2O = H+ + OH

-

Al equilibrio se cumple el balance de masa, la Kw de disociación del agua y el

balance de electroneutralidad:

FHX = Co = [X-]

[H+] = [OH

-] + [X

-]

Solvo bases:

Se mezclan el monodonador solvoácido monoprótico nivelado

FMOH

La solución se forma según los procesos I y II:

MOH M+ + OH

-

H2O = H+ + OH

-

Page 2: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

Al equilibrio se cumple el balance de masa, la Kw de disociación del agua y el

balance de electroneutralidad:

FMOH = Co = [M+]

[M+] + [H

+] = [OH

-]

Sistemas no-nivelados:

Se mezclan el monodonador solvoácido monoprótico de un par y su no-solvobase

conjugada:

FHA FNaA

La solución se forma según los procesos I y II:

HA = A-

+ H+

Co (1-α) αCo αCo

NaA Na+ + A

-

A- + H2O = HA + OH

-

H2O = H+ + OH

-

Al equilibrio se cumple el balance de masa, la Ka de disociación y el balance de

electroneutralidad:

FHA + FNaA = Co = [HA] + [A-]

𝐾𝑎 = 𝐴− 𝐻+

𝐻𝐴

[Na+] + [H

+] = [OH

-] + [A

-]

_________________________________________________________________________

En la sección siguiente se muestran las ecuaciones generales derivadas de los

balances de electroneutralidad, de masa, de las Ka, Kb y Kw, así como las condiciones de

dilución (Ley de dilución de Ostwald*) que permiten reducir sendos polinomios para el

cálculo del pH.

* lim α = 1

Co 0

Page 3: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

RESUMEN ácidos:

es no nivelado

Ecuación

general 𝐻+ 2 - 𝐻+ 𝐶𝑜 − 𝐾𝑤 = 0

aproximaciones al cálculo

log Co > -6 pH ≈ -log Co

log Co < -6

es

nivelado

Ecuación

general:

Ec. Charlot

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨 − 𝑯+ + 𝑶𝑯−

𝑭𝑵𝒂𝑨 + 𝑯+ − 𝑶𝑯−

aproximaciones al cálculo

𝑙𝑜𝑔𝐾𝑎

𝐶𝑜≥ 1

−2 ≤ 𝑙𝑜𝑔𝐾𝑎

𝐶𝑜≤ 1

𝑙𝑜𝑔𝐾𝑎

𝐶𝑜≤ −2

HA está

fuertemente

disociado

pH -log Co “ácido

fuerte”

pH = -log [H+]

HA está

moderadamente

disociado “ácido de fuerza media”

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑪𝒐 − 𝑯+

𝑯+

pH = -log [H+]

HA está

débilmente

disociado

“ácido

débil”

𝐻+ = 𝐾𝑎 𝐶𝑜

𝐻+

𝐻+ 2 = 𝐾𝑎𝐶𝑜 𝒑𝑯

𝟏

𝟐𝒑𝑲𝒂 −

𝟏

𝟐𝒍𝒐𝒈𝑪𝒐

FHA = Co

¿pH?

Page 4: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

RESUMEN Bases:

Ecuación

general

𝐻+ 2 + 𝐻+ 𝐶𝑜 − 𝐾𝑤 = 0

aproximaciones al cálculo

log Co > -6 pH ≈ 𝟏𝟒 + log Co

log Co < -6 Ecuación

general:

Ec. Charlot

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨 − 𝑯+ + 𝑶𝑯−

𝑭𝑵𝒂𝑨 + 𝑯+ − 𝑶𝑯−

aproximaciones al cálculo

𝑙𝑜𝑔𝐾𝑏

𝐶𝑜≥ 1

−2 ≤ 𝑙𝑜𝑔𝐾𝑏

𝐶𝑜≤ 1

𝑙𝑜𝑔𝐾𝑏

𝐶𝑜≤ −2

A- está

fuertemente

hidrolizante

“base

fuerte”

pH = -log [H+]

A- está

moderadamente

hidrolizante “base de fuerza media”

pH = -log [H+]

A- está

débilmente

hidrolizante

“base

débil”

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑶𝑯−

𝑪𝒐

𝐻+ 2 =𝐾𝑎𝐾𝑤

𝐶𝑜 𝒑𝑯 𝟕 +

𝟏

𝟐𝒑𝑲𝒂 +

𝟏

𝟐𝒍𝒐𝒈𝑪𝒐

FNaA = Co

¿pH?

pKw = pKa + pKb = 14

pH ≈ 𝟏𝟒 + log Co

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑶𝑯−

𝑪𝒐 − 𝑶𝑯−

𝑯+ = 𝑲𝒂

𝑲𝒘 𝑯+

𝑪𝒐 −𝑲𝒘 𝑯+

𝑯+ = 𝑲𝒂

𝑲𝒘 𝑯+

𝑪𝒐

es

nivelada

es no

nivelada

Page 5: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

RESUMEN par conjugado :

Ecuación general:

Ec. Charlot

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨 − 𝑯+

𝑭𝑵𝒂𝑨 + 𝑯+

aproximaciones al cálculo

Ecuación de

Henderson-Hasselbalch

FHA = HACo,

FNaA = ACo,

¿pH?

2 < pKa < 12

pKa < 2

pKa > 12

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨

𝑭𝑵𝒂𝑨

𝒑𝑯 = 𝒑𝑲𝒂 + 𝒍𝒐𝒈 𝑭𝑯𝑨

𝑭𝑵𝒂𝑨

𝒑𝑯 ≈ 𝒑𝑲𝒂 + 𝒍𝒐𝒈 𝑨−

𝑯𝑨

Ecuación de “buffer ácido”

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨 − 𝑯+ + 𝑶𝑯−

𝑭𝑵𝒂𝑨 + 𝑯+ − 𝑶𝑯−

𝒑𝑯 = 𝒑𝑲𝒂 + 𝒍𝒐𝒈 𝑭𝑯𝑨 − 𝑯+

𝑭𝑵𝒂𝑨 + 𝑯+

𝒑𝑯 ≈ 𝒑𝑲𝒂 + 𝒍𝒐𝒈𝐀

𝐇𝐀

Ecuación de “buffer alcalino”

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨 + 𝑶𝑯−

𝑭𝑵𝒂𝑨 − 𝑶𝑯−

𝑯+ = 𝑲𝒂 𝑭𝑯𝑨 +

𝑲𝒘

𝑯+

𝑭𝑵𝒂𝑨 −𝑲𝒘

𝑯+

𝒑𝑯 = 𝒑𝑲𝒂 + 𝒍𝒐𝒈 𝑭𝑯𝑨 +

𝑲𝒘 𝑯+

𝑭𝑵𝒂𝑨 −𝑲𝒘 𝑯+

Page 6: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

RESUMEN anfolito:

Ecuación general:

Ec. Charlot

aproximaciones al cálculo

FNaHA = HACo,

¿pH?

pKa1+pKa2+pCo > pKa1 + pKw

pKa2 > pCo

𝑯+ = 𝑲𝒂𝟏𝑲𝒂𝟐𝑪𝒐 + 𝑲𝒂𝟐𝑲𝒘

𝑲𝒂𝟐 + 𝑪𝒐

𝑯+ = 𝑲𝒂𝟏𝑲𝒂𝟐𝑪𝒐

𝑪𝒐

𝒑𝑯 =𝟏

𝟐 𝒑𝑲𝒂𝟏 + 𝒑𝑲𝒂𝟐

Page 7: Doc Apoy 6 Ec Charlot h h 2010 II 11388

Bibliografía de apoyo:

1.0 J. N. Butler

“Solubility and pH Calculations”

Addison-Wesley Publishing Company, Inc.

1964.

2.0 Richard W. Remette

“Equilibrio y Análisis Químico”

Fondo Educativo Interamericano.

1983.

3.0 Alfred Martin

“Physical Pharmacy”

Fourth Edition

Lea & Febiger, Philadelphia, London.

1993.

4.0 Alejandro Baeza

“Química Analítica. Expresión Gráfica de las Reacciones Químicas”

S. y G. Editores.

2006.

5.0 Ma. del Pilar Cañizares, Georgina A. Duarte

“Fundamentos de Química Analítica”

Facultad de Química. UNAM.

2007.

__________________________________________________________________________