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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS Y FARMACIA ESCUELA DE QUMICA

DEPARTAMENTO DE ANLISIS INORGNICO

ANLISIS INORGNICO I

Teoras cido-base. Fuerza cida y Bsica.

Los cidos, bases y sales se encuentran entre los compuestos con los que mayor contacto tenemos; y son utilizados como sustancias de uso domstico e industrial; adems varios conforman los fluidos biolgicos.

El agua se conoce como el disolvente universal; debido a sus

propiedades fsicas y qumicas es uno de los compuestos ms usados. Es un disolvente muy efectivo para los compuestos inicos; aunque es una molcula elctricamente neutra, un extremo de la molcula es parcialmente positivo (H+) y el otro parcialmente negativo (O2-). Al disolverse un compuesto inico, los iones quedan rodeados por molculas de agua; este proceso ayuda a estabilizar los iones en disolucin y evita que los cationes y aniones se recombinen; asimismo se dispersan uniformemente en la disolucin (electrlitos).

Cuando un compuesto molecular se disuelve en agua, casi siempre

se mantiene la integridad estructural de las molculas que se disuelven, de modo que la disolucin consiste en molculas individuales dispersas en disolucin (no electrlitos), es decir, que generalmente no forman iones cuando se disuelven. La mayora de solutos que se estudian son: 1. Electrlitos: son sustancias que al disolverse en agua, forman iones y sus disoluciones conducen la

electricidad. Se conocen como sustancias electroconductivas. Se clasifican de acuerdo al grado de ionizacin o disociacin en:

1.1. Electrolitos fuertes: son sustancias que se consideran que se ionizan completamente (100%) en

un disolvente, pero en la realidad nunca alcanzan el 100% de ionizacin por razones de equilibrio.

1.2. Electrolitos dbiles: estas sustancias se ionizan de forma parcial; por lo que conducen la electricidad en menor grado que las disoluciones de electrolitos fuertes.

Figura No. 2 Diagrama de Flujo para clasificar los compuestos solubles en agua como electrlitos fuertes,

electrlitos dbiles o no electrlitos.

Fuente: Brown, T. et al. (1 998). Qumica la Ciencia Central (7. Edicin). Mxico: Editorial Prentice-Hall. Pgina 118

Compuestos solubles en agua

NO

Probablemente sea no electrolito.

SI

S

S

Electrlito fuerte

NO

Electrlito dbil

NO

S

Electrlito dbil

NO

Electrlito fuerte

Es Inico?

Es cido?

Es cido fuerte? Es NH3 u otra

base molecular?

Figura No. 1 Molculas de agua

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Cuadro No. 1 Electrolitos fuertes y dbiles Fuente: Chang, R. (2 000). Qumica (6. Edicin). Mxico: Editorial McGraw-Hill. Pginas 110-112

Electrlitos fuertes Electrlitos dbiles

cidos inorgnicos: H2SO4, HNO3, HCl, HBr, HClO4, HClO3, HI, HBrO3

cidos Inorgnicos: H2CO3, HNO2, H2SO3, H2S, H3BO3 , HClO, HF, H3PO4, HSO4-

cidos orgnicos: HC2H3O2, H2C2O4

Hidrxidos alcalinos y alcalinotrreos: Na, K, Ca, Ba

Amonaco y mayora de bases orgnicas: NH4OH

La mayora de las sales. Sales halognicas, cianuros y tiocianatos de Ag+, Hg2+2 y Cd2+.

TEORAS CIDO-BASE

El carcter cido o bsico de una disolucin a menudo es un factor importante en las reacciones qumicas. Se han propuestos diversas teoras cido-base para explicar o clasificar las propiedades de acidez o basicidad de las sustancias. Teora de Arrhenius

Es aplicable solamente a disoluciones acuosas, y clasifica las sustancias como cidos o bases que se pueden neutralizar.

Sustancia cido Base

Definicin Sustancia que al disociarse o ionizarse parcial o completamente produce iones hidronio, H+ o H3O+.

Sustancia que al disociarse o ionizarse produce iones hidroxilo, OH-.

Ionizacin HA + H2O H3O+ + A- B + H2O BH+ + OH- M(OH)n Mn+ + nOH-

Neutralizacin Reaccin entre el cido y la base para formar agua HA + MOH H2O + MA

Ejemplo 1 Cul de los siguientes compuestos se puede clasificar como cidos segn la teora de Arrhenius?

Ba(OH)2; Na3PO4; HCOOH; CaCO3

El cido frmico se clasifica como un cido, pues al disociarse en agua produce iones hidronio. Ejemplo 2 El hidrxido de calcio se puede clasificar como un cido segn la teora de Arrhenius? No; pues al disociarse en agua produce iones hidroxilo, y los cidos segn Arrhenius deben producir iones hidronio.

Svante August Arrhenius (Uppsala, 1859 - Estocolmo, 1927) Fsico y qumico sueco. Perteneciente a una familia de granjeros, su padre fue administrador y agrimensor de una explotacin agrcola. Curs sus estudios en la Universidad de Uppsala, donde se doctor en 1884 con una tesis que versaba sobre la conduccin elctrica de las disoluciones electrolticas, donde expuso el germen de su teora segn la cual las molculas de los electrlitos se disocian en dos o ms iones, y que la fuerza de un cido o una base est en relacin directa con su capacidad de disociacin.

Esta teora fue fuertemente criticada por sus profesores y compaeros, quienes concedieron a su trabajo la mnima calificacin posible. Sin embargo, los grandes de la qumica extranjera, como Ostwald, Boltzmann y van't Hoff apreciaron justamente su teora, y le ofrecieron su apoyo y algn que otro contrato, con lo que su prestigio fue creciendo en su propio pas. La elaboracin total de su teora le supuso cinco aos de estudios, durante los cuales sus compaeros fueron aceptando los resultados. En 1903 gan el Premio Nobel de Qumica "en reconocimiento a los extraordinarios servicios prestados al avance de la qumica a travs de su teora de la disociacin electroltica. Seis aos despus se convirti en miembro extranjero de la Royal Society. Durante su visita a Estados Unidos en 1911 fue galardonado con la primera Medalla Willard Gibbs. En 1914 recibi la Medalla Faraday. Fue profesor de Fsica en la Universidad de Uppsala (1884), en el Real Instituto de Tecnologa de Estocolmo (1891), rector de la universidad de Estocolmo y director del Instituto

Nobel de Fisicoqumica (1905), cargo este ltimo creado especialmente para l.

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Teora de Brnsted-Lowry

Esta teora es aplicable tambin para las reacciones que no se llevan a cabo en disoluciones acuosas, y clasifica las sustancias como cidos, bases o anfteros que pueden neutralizarse.

Sustancia cido Base Anftero

Definicin Sustancia que dona o puede donar o transferir un protn a otra sustancia.

Sustancia que acepta un protn.

Sustancia que acepta o dona protones.

Par conjugado

cido-base

Es el cido y la base de una media reaccin. Los cidos y las bases difieren solamente en ausencia de un protn.

Se presenta en reacciones de transferencia de protones.

Los cidos se expresan como HA o H2A y las bases como A- o HA-.

Se establece la ley de conservacin de la materia y energa, pues los protones solamente se transfieren de un cido a una base, no se pierden.

Si el cido que pierde el protn es un cido fuerte la base conjugada que se forma ser dbil.

Si el cido que pierde el protn es un cido dbil la base conjugada que se forma ser fuerte.

Si la base que acepta el protn es una base fuerte el cido conjugado que se forma es dbil.

Si la base que acepta el protn es una base fuerte el cido conjugado que se forma es fuerte.

Neutralizacin Reaccin entre la sustancia que acepta protones y la que dona protones formando agua.

Ejemplo 1 En una disolucin de amonaco, en la cual se presenta el equilibrio siguiente:

NH3(ac) + H2O(l) NH4+(ac) + OH-(ac) Cul es el cido y base respectivamente de acuerdo a la teora de Brnsted-Lowry?

1. El amonaco se transforma a in amonio, ganando un protn, por lo tanto se clasifica como base.

2. El agua se transforma in hidroxilo por la prdida de un in hidronio (protn), por lo que se clasifica como cido.

Ejemplo 2 Si se considera la reaccin del cido nitroso con el agua, indique cul es el cido y base y sus respectivas bases y cidos conjugados.

HNO2(ac) + H2O(l) NO2-(ac) + H3O+(ac)

1. El cido nitroso se clasifica como cido pues dona un protn, al perder su protn se convierte en in nitrito. El cido nitroso es un cido dbil.

2. El in nitrito se convierte en una base conjugada, pues puede aceptar un protn. El anin nitrito es una base conjugada fuerte.

3. El agua es una base; pues acepta el protn que dona el cido nitroso. Y es una base dbil. 4. El in hidronio formado se convierte en un cido conjugado fuerte.

Johannes Niclaus Brnsted (Varde, 1879 - Copenhague, 1947) Qumico dans. Profesor en la Universidad de Copenhague, sus principales aportaciones a la ciencia fueron el desarrollo de la teora de la actividad qumica y la teora sobre el comportamiento de cidos y bases. Brnsted haba realizado previamente importantes investigaciones en termodinmica, campo sobre el que, con el apoyo del profesor Emil Petersen, public diversos trabajos entre 1904 y 1907.

En 1908 recibi el ttulo de doctor en Filosofa y un cargo de profesor de Qumica en la Universidad de Copenhague. Sus trabajos ms importantes fueron en el campo de la termodinmica. En 1923 anunci una teora revolucionaria como resultado de los experimentos con cidos y bases en solucin, que desafiaba la definicin clsica de cidos y bases no relacionados al crear un nuevo concepto el de pares cido - base conjugados

Thomas Martin Lowry (1874 1936) fue un fsico y qumico ingls. Naci en Low Moor, Bradford, West Yorkshire. Estudi qumica con Henry Armstrong, un qumico ingls interesado mayormente en la qumica orgnica, pero tambin en la ionizacin en soluciones acuosas. En 1923, de forma independiente, el dans Johannes Nicolaus Brnsted y el ingls Lowry mejoran la teora de Arrhenius, definiendo un cido como toda sustancia capaz de transferir protones y base como toda sustancia capaz de aceptarlos.

Sus estudios de la relacin entre la rotacin ptica por medio de la ecuacin entre la rotacin y la amplitud de onda, basado en el estudio de P. K. L. Drude. Public en 1923 su "Historical Introduction to Chemistry". Formulacin de la teora sobre el comportamiento de cidos y bases. Muere el 2 de noviembre de 1936 en Cambridge (Inglaterra).

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Teora de Lewis En esta teora se introdujo un concepto ms general de cidos y bases. Su teora describe el modo en que

una sustancia con un par de electrones no compartidos toma parte en una reaccin cido-base. Es aplicable a todas las reacciones incluso en las que no hay transferencia de protones.

Sustancia cido Base

Definicin Sustancia que acepta un par de electrones no compartidos o electrfilo. Tiene carcter electropositivo; a esta clasificacin pertenecen:

1) Los cationes. 2) Los compuestos que tienen un tomo central con octeto incompleto o expandido. 3) Molculas en las que el tomo central posee uno o ms enlaces mltiples.

NOTA: Para saber si los compuestos corresponden a los numerales 2 y 3 es necesario dibujar las estructuras de Lewis.

Sustancia que dona un par de electrones no compartidos o nuclefilo; a este grupo pertenecen:

Todos los aniones.

Molculas en las que el tomo central posee electrones libres.

Neutralizacin Producto cido-base, compuesto con enlace covalente coordinado. Involucra a muchos tipos de compuestos y reacciones en fase slida y gaseosa, as como en compuestos orgnicos.

Ejemplo 1 Segn Lewis, cul de los siguientes compuestos es un cido?

HCOOH ; Cl- ; NH3 ; H2O 1. HCOOH: Es un compuesto que su tomo central tiene un enlace doble y su

octeto es expandido, es un cido.

2. Cl-: Es un anin y tiene electrones para compartir. Es una base.

3. NH3 : Tiene un par de electrones libres. Es una base.

4. H2O: Posee dos pares de electrones libres. Es una base.

Ejemplo 2 Segn Lewis, cul de los siguientes compuestos no es una base? Agua; amonaco; in nitrato; in hierro

(II)

1. El agua tiene dos pares de electrones libres. Es una base. 2. El amonaco tiene un par de electrones libres. Es una base. 3. El in nitrato es un anin. Es una base. 4. El in hierro es un catin, por lo tanto puede aceptar un par de electrones. Es un cido.

R/ El in hierro no es una base.

Gilbert Newton Lewis Naci el 23 de octubre de 1875 en Weymouth, Massachusetts. En 1884 su familia se radica en Lincoln, Nebraska. Curs estudios en las universidades de Nebraska, Harvard, Leipzig y Gotinga. Fue profesor de qumica en Harvard de 1899 hasta 1906, y en el Instituto de Tecnologa de Massachusetts desde 1907 a 1912. Posteriormente fue profesor de qumica fsica en la Universidad de California en Berkeley, y tambin fue Decano de la Escuela de Qumica. Fue el primero en proponer que los tomos podran mantenerse unidos por medio de la comparacin de pares de electrones; de acuerdo con esta idea introdujo el simbolismo de las estructuras, en las que los electrones se representan por puntos (estructuras de Lewis).

Desarroll una teora sobre la atraccin y valencia qumicas con el qumico Irving Langmuir, basndose en la estructura atmica de las sustancias, conocida como teora Langmuir-Lewis. En 1926 acu el trmino "fotn" para la menor unidad de energa radiante. Fue el primero tambin en preparar y estudiar, en estado puro, el agua pesada. Reconocido adems por su trabajo sobre la teora de las disoluciones y la aplicacin de los principios de la termodinmica a los problemas qumicos. Gilbert N. Lewis falleci en Berkeley el 23 de marzo de 1946. Los fundamentos de la teora de Lewis sobre los cidos y las bases ya haban sido establecidos en 1923, pero las ideas permanecieron latentes hasta que fueron enunciadas de nuevo en 1938 por este profesor y difundidas por sus discpulos. La teora de Lewis se basaba en la suposicin de que la esencia de las interacciones qumicas radica en la formacin de octetos electrnicos alrededor de los tomos. Sin embargo, esta teora no es universal, ya que se conoce un gran nmero de casos donde la formacin de un compuesto no est relacionada con la formacin de un octeto estable.

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Teora del Disolvente

En 1905, Franklin introdujo el concepto de sistemas de disolventes para cidos y bases, incluyendo otros solventes ionizables adems del agua. Se conoce como la teora del disolvente para un catin y un anin.

cido Base

Es el soluto o la especie que aumenta la concentracin del catin del disolvente.

Es la especie o soluto que aumenta la concentracin del anin del disolvente.

Los sistemas de disolvente ms utilizados son:

2H2O H3O+ + OH- 2NH3 NH4+ + NH2-

2SO2 SO2+ + SO32- Ejemplo 1 En un sistema de amonaco, el cloruro de amonio es cido o base?

Sistema 2NH3 NH4+ + NH2-

Compuesto disuelto NH4Cl NH4+ + Cl-

Como aumenta la concentracin del catin se clasifica como cido.

Ejemplo 2 El hidrxido de bario en un sistema acuoso; se puede clasificar como cido o como base?

Sistema 2H2O H3O+ + OH- Compuesto disuelto Ba(OH)2 Ba2+ + 2OH-

Como aumenta la concentracin del anin se clasifica como base.

Fuerza cida y Bsica 1. cidos:

Un cido se clasifica como una sustancia que produce iones hidronio, dona protones o acepta electrones no compartidos; cuando un cido se disuelve en agua se disocia o ioniza de forma completa o parcial, dependiendo de la fuerza del cido.

Los cidos se pueden clasificar generalmente como cidos fuertes y cidos dbiles; y segn su tipo como

hidrcidos, oxicidos, orgnicos y de Lewis.

La acidez se caracteriza por un carga positiva proveniente de los iones hidronio disociados; el cido ms fuerte es el in hidronio (H+ H3O+).

1.1 Hidrcidos:

1.1.1 La acidez de estos cidos aumenta a medida que la densidad de la carga de la base conjugada

disminuye.

1.1.2 tomos pequeos y electronegativos tienen altos valores de densidad de carga, por lo que el protn se retiene con ms fuerza, por lo que la acidez disminuye en este tipo de cidos.

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1.1.3 Los puentes de hidrgeno reducen la acidez.

1.2 Oxicidos:

1.2.1 La fuerza cida aumenta con el incremento de la electronegatividad.

1.2.2 Aumenta la acidez al aumentar el nmero de oxidacin.

1.2.3 La acidez disminuye al aumentar el tamao del tomo central; esto cuando se comparan oxicidos que tiene el mismo tomo central.

1.3 cidos Orgnicos:

1.3.1 La acidez depende de la fuerza de efectos inductivos y de resonancia.

2. Bases Las bases se pueden catalogar como sustancias que aceptan protones, que al disociarse producen iones

hidroxilo o sustancia que dona un par de electrones no compartidos. Se caracteriza por tener una carga negativa, as como por la presencia del in hidroxilo que es la base ms fuerte (OH-).

2.1 La basicidad aumenta con el incremento del nmero atmico del metal, en el mismo grupo de

elementos.

2.2 La basicidad aumenta de la base conjugada cuando proviene de un cido dbil.

Ejemplo 1 Ordenar en forma creciente segn su fuerza cida los siguientes compuestos:

Agua; in hidroxilo; cido clorhdrico; cido perclrico; hidrxido de amonio

H2O Es una sustancia generalmente considerada como neutra, de acuerdo a la teora de Lewis es una base pues tiene dos pares de electrones libres.

OH- Es la base ms fuerte.

HCl Es un cido clasificado como fuerte; es un hidrcido.

HClO4 Es un cido clasificado como fuerte; es un oxicido.

NH4OH Es una base clasificada como dbil.

Creciente: va de menos cido a ms cido, es decir, de ms bsico a menos bsico.

OH-< NH4OH< H2O< HCl< HClO4

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Ejemplo 2 Ordenar en forma decreciente de basicidad los siguientes compuestos:

cido sulfrico, in cloruro, cido clrico, cido hipocloroso, hidrxido de calcio, hidrxido de

sodio

H2SO4 Es un cido clasificado como fuerte; es un oxicido.

Cl- Es una base conjugada dbil de acuerdo a la teora de Brnsted-Lowry.

HClO3 Es un cido clasificado como fuerte; es un oxicido.

HClO Es un cido clasificado como dbil; es un oxicido.

Ca(OH)2 Es una base clasificada como fuerte.

NaOH Es una base clasificada como fuerte.

Decreciente: va de ms bsico a menos bsico de menos cido a ms cido.

NaOH> Ca(OH)2> Cl-> HClO > HClO3> H2SO4

Referencias Bibliogrficas:

1. Brown, T. et al. (1 998) Qumica La ciencia central (7. Edicin 3. Edicin en espaol). Mxico: Pretince Hall Hispanoamericana, S.A. Pginas 573-612.

2. Chang, R. (1 998) Qumica (6. Edicin). Mxico. McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. Pginas 598-634.

3. Christian, G. (2 009). Qumica Analtica (6. Edicin 1. En espaol). Mxico: Editorial McGraw-Hill. Pginas 219-221.

4. Skoog, D. et al. (2 001). Qumica Analtica (8. edicin). Mxico: Editorial McGraw-Hill. Pginas 231-236.

MRML/mrml Revisado FRVF Revisado POS 06032015.

Gua de Estudio

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ANLISIS INORGNICO I

Gua de Estudio Teoras cido-base. Fuerza cida y Bsica.

Parte 1: INSTRUCCIONES: Responda las siguientes preguntas, deber entregarlas el da jueves 09 de abril, al inicio de la clase. 1. Por qu el agua es un buen disolvente de compuestos inico si es una molcula neutra? 2. Qu son los electrolitos? 3. Qu es un electrolito fuerte? 4. A qu nos referimos con electrolito dbil? 5. Qu cidos son electrolitos fuertes? 6. Qu bases son electrolitos fuertes? 7. Qu sales son electrolitos dbiles? 8. Segn la teora de Arhenius, un cido es: 9. Segn la teora de Brnsted-Lowry, un cido es: 10. Segn la teora de Lewis, un cido es: 11. De acuerdo a la teora del Disolvente, un cido es: 12. Cul es la diferencia entre una base de Arhenius, una de Brnsted-Lowry, una de Lewis y una de la teora

del Disolvente? 13. Qu es un par cido-base? 14. Qu es un anftero? 15. Cundo un par cido-base conjugado es un cido fuerte? 16. Cundo un par cido-base conjugado es una base dbil? 17. Escriba la definicin de neutralizacin para cada una de las teoras. 18. Qu es un hidrcido? 19. Qu es un oxicido? 20. Qu relacin tiene la acidez de los hidrcidos con la densidad de la carga? 21. Cmo influye la electronegatividad en la acidez de los hidrcidos? 22. Los puentes de hidrgeno, aumentan o disminuyen la acidez de los hidrcidos? 23. Al aumentar la electronegatividad en los oxicidos, qu sucede con la acidez? 24. Cmo afecta el nmero de oxidacin la acidez en los oxicidos? 25. En los cidos orgnicos, de qu depende la acidez? 26. Cmo aumenta la basicidad en una disolucin acuosa?

Parte 2

1. Clasifique los siguientes compuestos como cidos o bases de Brnsted-Lowry; e indique su cido o la base conjugada clasificndolas como fuertes o dbiles:

Inciso Compuesto cido Base cido

conjugado

Base conjugada Fuerte o Dbil

a) HClO2

b) C2H3O2-

c) HAsO42-

d) H2S

e) HSO4-

f) NH4+

g) NH3

h) IO-

i) F-

j) HBr

2. Clasifique por orden de basicidad descendente, los siguientes compuestos:

cido perclrico, cido carbnico, agua, amonaco, in fosfato monocido. 3. Clasifique por orden creciente de acidez, lo siguientes compuestos:

Hidrxido de sodio, dixido de carbono, in fluoruro, in cloruro, agua, hidrxido de amonio. 4. Ordene en orden decreciente de acuerdo al carcter cido:

cido clorhdrico, cido perclrico, agua, in cloruro, hidrxido de amonio, cido nitroso,

hidrxido de sodio, hidrxido de potasio, cido clrico.

5. Determine el orden creciente de fuerza bsica de las siguientes especies:

cido hipocloroso, in nitrato, in perclorato, cido clrico, cido nitroso, hidrxido de

amonio, in cloruro, cido sulfuroso.