practico 5. equilibrio acido base-ph

Gua laboratorio Qumica general

Universidad de la Frontera, depto.Cs. qumicas y R.R.N.N. Pgina 1

EQUILIBRIO IONICO EN SOLUCION ACUOSA . DETERMINACIN DE pH Y DETERMINACIN DE LA CONSTANTE DE ACIDEZ DE UN CIDO DBIL.

Aprendizajes esperados

- Determina el pH de diversas soluciones, mediante el uso de diferentes tcnicas experimentales.

- Determina la constante de acidez de un cido dbil

1. INTRODUCCIN Una de las clasificaciones ms importantes de las sustancias es aquella que se expresa en trminos de las propiedades cidas y bsicas de dichas sustancias. En el transcurso de la historia de la qumica se han utilizado y propuesto varios conceptos cido-base. Los primeros criterios definen a los cidos como aquellas sustancias que en solucin acuosa tienen un sabor agrio, vuelven rojo al tornasol azul, neutralizan las bases, mientras que las bases son aquellas sustancias que en solucin acuosa presentan sabor amargo, vuelven azul al tornasol rojo, resbaladizas al tacto, neutralizan los cidos. El hecho de que los cidos y bases presenten ciertas propiedades qumicas caractersticas, sugiri que ellas podran comprenderse mejor en trminos de sus estructuras y enlaces. Las propiedades de los cidos y bases dependen mucho de que el agua es el solvente en el cual se han observado tales propiedades, siendo, adems, el concepto de equilibrio qumico muy importante en su estudio.

2. Teoras Acido Base 2.1. Teora de Arrhenius

Segn el concepto de Arrhenius un cido se define como un compuesto que libera iones H+ en solucin acuosa y una base un compuesto que libera iones OH- en solucin acuosa. La fuerza de un cido o de una base se determina por el grado de disociacin del compuesto en agua. Un cido o base es fuerte cuando se disocia completamente, mientras que los cidos y bases dbiles slo se ionizan parcialmente.

2.2. Teora de Lowry -Brnsted De acuerdo a esta teora, un cido es una sustancia que pude donar un protn y una base es una sustancia que puede aceptar un protn. As, cuando se disuelve HCl en agua acta como un cido donando un protn al solvente y el solvente, agua, acta como una base aceptando el protn. El HCl es un cido fuerte que se ioniza 100% en agua:

. .

En esta reaccin, la base H2O acepta un protn y se transforma en el cido hidronio H3O

+ y, a su vez, el cido HCl al ceder su protn se transforma en la base Cl-. Un par cido-base que difieren slo en la presencia o ausencia de un H+, corresponde a un par cido-base conjugado: H2O es la base conjugada de H3O

+



H3O+ es el cido conjugado de H2O

HCl es el cido conjugado de Cl- Cl- es la base conjugada de HCl En consecuencia existen dos cidos y dos bases. Pero el HCl es un cido ms fuerte que el H3O

+, ya que presenta una mayor tendencia a perder H+, a su vez, el H2O es una base ms fuerte que el Cl

-, puesto que las molculas de agua retienen prcticamente todos los protones. Por lo tanto el cido fuerte HCl, tiene una base conjugada dbil, Cl-. Esto se cumple para todos los cidos fuertes, es decir, un cido fuerte est conjugado a una base dbil. Otro ejemplo corresponde al cido actico en agua. Este cido es dbil y slo se ioniza parcialmente en agua: 1 2 1 2

En este sistema en equilibrio existen dos bases (H2O y CH3COO

-) y dos cidos (CH3COOH y H3O+) y

en el cual existe una verdadera competencia entre las dos bases por un protn. El in acetato, CH3COO

-, es una base ms fuerte que el H2O, ya que en el equilibrio se formarn ms molculas de cido que iones hidronio H3O

+. As como las bases conjugadas de los cidos fuertes son dbiles, las bases conjugadas de cidos dbiles son fuertes, y mientras ms dbil sea el cido, ms fuerte es su base conjugada. La ecuacin anterior, cido clorhdrico en agua, se puede escribir en forma simplificada como sigue:

Sin embargo, aunque en solucin acuosa el H+ se enlaza al H2O para formar H3O

+ el protn hidratado (H3O

+ ) ser representado en lo sucesivo como H+ (ac), pero sin dejar de recordar que en las soluciones cidas ocurre una reaccin qumica en la cual un cido transfiere un protn al agua. En el caso de las bases dbiles como el amoniaco, la base slo se ioniza parcialmente en agua:

1 2 1 2

En este sistema en equilibrio, el OH- es ms bsico que el H2O, y el H2O es menos cido que el NH4

+. En general, el cido conjugado de una base dbil es un cido fuerte, y ser tanto ms fuerte cunto ms dbil sea la base.

2.3. Teora de Lewis Esta teora considera los cidos y las bases en trminos de la estructura electrnica de las molculas. Segn Lewis una base es una especie que puede aportar con facilidad un par de electrones y un cido es una especie que puede aceptar un par de electrones con facilidad para la formacin de un enlace covalente. Por lo tanto, las bases deben tener disponible un par de electrones sin compartir y los cidos deben tener un orbital molecular vaco dispuesto a aceptar un par electrnico. Un ejemplo corresponde al amonaco:



3. Ionizacin del Agua El agua es una sustancia anfiprtica, por cuanto puede actuar como un cido muy dbil o como una base muy dbil, donando protones as misma en una extensin limitada. Este comportamiento se ejemplifica en la siguiente ecuacin:

En su forma simplificada la ecuacin es: La expresin para la constante de ionizacin obtenida de la ecuacin simplificada es:

En el agua y en soluciones diluidas la concentracin molar del agua es prcticamente una constante (55,5 M) y puede incluirse en la constante Keq para obtener:

La constante Keq [H2O]

se denomina producto inico del agua o constante de disociacin del agua y se representa por Kw:

En consecuencia, en agua pura y en soluciones acuosas debe cumplirse que:

Una solucin en la cual [H+] = [OH-] es neutra. Si la [H+] es mayor que la de [OH- ] la solucin es cida, y en las soluciones bsicas la [H+] es menor que la [OH- ]. Para expresar en forma cuantitativa la acidez de una solucin, Srensen introdujo en 1909 el concepto de pH.



4. Formulacin del pH De acuerdo con Srensen el pH se define como el logaritmo negativo en base 10 de la concentracin molar de iones hidrgeno. El logaritmo negativo es una manera conveniente de expresar las magnitudes de nmeros muy pequeos.

o De acuerdo a los valores del pH de una solucin, se puede distinguir como cida si pH < 7; bsica si pH > 7 y neutra si pH = 7. De igual manera, la concentracin de OH- puede expresarse como:

Al aplicar el concepto de log. negativo en la ecuacin del producto inico del agua se obtiene:

!" 1 # 10% 14

5. Medicin del pH Se disponen de varios mtodos para cuantificar el pH. El mtodo terico es a travs de la ecuacin de Srensen. Entre los mtodos experimentales pueden citarse:

Uso de papel indicador. Uso de peachmetro.

5.1. Medicin del pH con papeles indicadores

La determinacin de pH con papeles indicadores es casi directa y se realiza aplicando una o dos gotas de la solucin problema sobre un trozo de papel indicador y luego se compara el color obtenido con la carta de colores que acompaa al papel indicador. Un indicador es una sustancia coloreada que puede existir en forma cida o bsica, y en que ambas formas tienen diferente color. La tabla siguiente muestra algunos indicadores frecuentes:

Indicador color forma cida Rango pH de viraje color forma bsica

azul de timol rojo 1,2 2,8 amarillo

anaranjado de metilo rojo 3,1 4,5 amarillo

fenolftalena incoloro 8,2 10,0 rosa

amarillo de alizarina amarillo 10,1 12,0 rojo

El papel indicador se prepara sometiendo tiras de un papel filtro resistente a prelavados con cidos y bases. Despus de lavar con agua destilada, se secan y se impregnan con una solucin de mezcla de indicadores. El producto obtenido corresponde al papel indicador de pH universal y muestra un espectro completo de colores, desde rojo intenso en soluciones fuertemente cidas hasta azul intenso en soluciones fuertemente bsicas. Adems de los papeles indicadores universales tambin se usa el llamado papel Litmus o papel tornasol, el cual presenta color rojo en medio cido, azul en medio alcalino y prpura en medio neutro.



5.2. Uso de peachmetro

El peachmetro es un instrumento muy sencillo usado para determinacin rpida y segura del pH. Consiste en un electrodo que se introduce en la solucin que se va a medir, y tiene sensibilidad para medir voltajes muy bajos, del orden de los milivoltios. Cuando se introduce el electrodo en la solucin, se forma una celda electroqumica (parecida a una batera) cuyo voltaje es dependiente de la . De esta manera, midiendo el voltaje puede obtenerse la medida de la [ . Dos consideraciones son importantes respecto el uso de un peachmetro:

El electrodo de vidrio siempre debe estar sumergido en agua, de modo que la membrana de vidrio permanezca hidratada y pueda actuar selectivamente permeable frente a los iones hidrgeno.

Antes de utilizar el instrumento debe efectuarse una calibracin con soluciones amortiguadoras de pH conocido.

6. Equilibrio de ionizacin de cidos y bases dbiles

6.1. pH de cidos y bases dbiles

El pH de una solucin acuosa depende de la capacidad del soluto para donar o retirar protones al agua. Segn el concepto de Lowry-Bronsted, un cido fuerte es cualquier sustancia que reacciona completamente con H2O para formar H3O

+ (H+) y un cido dbil es aquel que slo reacciona parcialmente con el agua. Dicho de otra manera, el cido fuerte se considera 100% ionizado y un cido dbil slo parcialmente ionizado. As, un cido dbil monoprtico, HA, en solucin acuosa produce el siguiente equilibrio:

' ' que en su forma simplificada puede escribirse como:

' ' ( # # #

De la constante de equilibrio para este sistema, llamada constante de acidez o constante de ionizacin del cido, se puede derivar una expresin que permite calcular el pH de la solucin. La expresin de la constante de equilibrio para la reaccin es de la forma:

*+ '

'

#

( #

#

(

Se llega a establecer que, # ,- ! # . y aplicando log [H+] en la ecuacin, se obtiene el pH. Co, corresponde a la concentracin molar del cido, HA. Aplicando este mismo tratamiento a una base dbil como el NH3, se tiene lo siguiente:

( # # #

Cuando Ka < 10-3 , x se desprecia frente a Co



Su constante de basicidad o constante de ionizacin de la base, tiene la siguiente expresin, donde [H2O] se considera constante.

*/

#

( #

#

(

Se cumple que, # ,-! # . y aplicando log [OH-] en la ecuacin, se obtiene el pOH, que restado de 14 permite obtener el pH. Co, corresponde a la concentracin molar de la base, NH3. Sin embargo, es preciso establecer que cuando la constante de ionizacin del cido o base presenta un valor superior a 10-3 la concentracin de H+ u de OH- deber ser determinada mediante ecuacin cuadrtica, ya que en estos casos x no puede ser despreciado frente a Co.

6.2. Equilibrio de ionizacion de sales

No slo la adicin de cidos o bases alteran el equilibrio del agua, tambin lo hacen ciertas sales. Esto implica que las solcuiones salinas pueden tener reaccin cida o bsica. Estas propiedades cido-basicas de las sales en solucin acuosa se deben al comportamiento de sus aniones y cationes. Muchos iones son capaces de reaccionar con el agua para formar H+(ac), o bien, OH-(ac). A este tipo de reacciones se las denomina hidrlisis.

El pH de una solucin salina puede predecirse cualitativamente al considerar el catin y el anin del cual se compone la sal y, admas, determinarse cuantitativamente a travz de la expresin de la constante de hidrlisis, Kh. Con esta finalidad se clasifica las sales en cuatro grandes categorias.

6.2.1. Sal derivada de una base fuerte y un cido dbil

Ej.: NaClO. En este caso, el cation Na+ no reacciona con el agua, en cambio el anin ClO- es la base conjugada de un cido dbil, por lo tanto, es una base relativamente fuerte y reaccionar con el agua, es decir, hidrolizar, produciendo OH-, y la solucin tendr reaccin bsica, con un pH > 7: ( # # #

*0

#

( #

#

(

# ,!0 1 ,-!"/!+. 1. Aplicando en la ecuacin , se obtiene el pOH que restado de 14 permite obtener el pH. Co, corresponde a la concentracin molar de la sal, NaClO.

6.2.2. Sal derivada de una base dbil y un cido fuerte Ej.:NH4Cl. El Cl

- es la base conjugada de un cido fuerte, HCl, y por lo tanto es una base dbil y no hidrolizar. Pero el ion NH4

+ es el cido conjugado de una base debil, NH4OH, por tanto es un cido fuerte que reaccionar con el agua, esto es, hidrolizar:

Cuando Kb < 10-3 , x se desprecia frente a Co

Como HClO es dbil, x se desprecia frente a Co



# # #

!0 34564 47

3457

89

:1 8 8

9 :1

.

# ,!0 1 ,-!"/!/. 1 . Aplicando en la ecuacin , se obtiene el pH. Co, corresponde a la concentracin molar de la sal, NH4Cl.

6.2.3. Sal derivada de una base dbil y un cido dbil Ej.: NH4CN. En este tipo de sales ambos iones hidrolizarn. El cido NH4

+ , proviene de la base dbil NH4OH cuyo Kb=1,75 x 10

-5 y la base CN-, proviene del cido debil HCN cuyo Ka=5 x 10 -10 . Por

lo tanto CN- va a hidrolizar en mayor extensin que NH4+ y, en consecuencia, la solucin

resultante de la hidrlisis de NH4CN ser bsica.

!+ :3; 47

. !/

3457 64;

>;

La [H+] de la solucin, se obtiene haciendo el cuociente Ka/Kb y luego suponiendo que [NH4

+] = [CN-

] y tambin que [NH4OH] = [HCN], se obtiene Ka/Kb = [H+]/[OH-]. Reemplazando [OH-] por Kw/[H

+],

se obtiene que Ka/Kb = [H+]2 /Kw. Por lo tanto se tiene que ,-!+/!/. !" . Aplicando en la

ecuacin log [H+], se obtiene el pH de hidrlisis. De acuerdo con la ecuacin, se observa que la acidez de la solucin resultante no depende de la concentracin de la sal, y es funcin de la fuerza del cido y de la base que intervienen en la reaccin. Por ejemplo, el pH de una solucin 0,2 M de NH4CN ser el siguiente:

,-!/!. !@ ,-5 # 10%( /1,75 # 10D. 10% 5,3 # 10%( 5,3 # 10%( 9,28

6.2.4. Sal derivada de un cido y base fuerte

Ej.: NaCl. En este caso ninguno de los dos iones hidroliza, de ah que la solucin sea neutra, con un pH = 7

Como NH4OH es dbil, x se desprecia frente a Co



PARTE EXPERIMENTAL

Materiales: Gradilla, tubos de ensayo, placa de toque, bagueta, frasco lavador, vasos de pp de 100 y 200 mL, pipetas parciales de 5 mL, gotario, papel tornasol, papel pH universal, papel engomado, peachmetro. Reactivos : Soluciones 0,1 M de HCl, NaOH, KNO3, NH4Cl, CH3COOH, CH3COONa y CH3COONH4, bebida gaseosa, jabn lquido, detergente lquido. ACTIVIDADES

1. Medicin de acidez con papel tornasol rojo y azul

a) En la placa de toque coloque un trozo de papel tornasol y otro de color azul, y agregue a cada uno de ellos, una o dos gotas de solucin de HCl 0,1 M. Observe la coloracin que toma el papel. Anote sus observaciones.

b) Repita el experimento usando las otras soluciones de trabajo.

2. Medicin de pH con papel indicador universal

a) En la placa de toque coloque un trozo de papel indicador universal y agregue una o dos gotas de la solucin de HCl 0,1 M. Compare el color obtenido con la carta de colores impresa en la caja. Anote sus observaciones.

b) Repita el experimento usando las otras soluciones de trabajo.

3. Medicin de pH usando peachmetro Los peachmetro del laboratorio han sido previamente calibrados. Retire la cubierta del electrodo, lvelo con agua destilada, squelo con toalla de papel y sumrjalo en la solucin problema. Encienda el instrumento, agite suavemente el vaso con la solucin y lea el pH que indica el instrumento. Repita la medicin con todas las soluciones de trabajo. Anote los valores en el cuadro que se adjunta.

4. Calcular el pH terico de las soluciones de trabajo preparadas aproximadamente 0,1 M. Anote los valores en el cuadro que se adjunta. Compare sus resultados con los valores experimentales.

Solucin Papel tornasol rojo Papel tornasol azul papel univ. peachmetro terico

NaOH HCl KNO3 NH4Cl CH3COOH CH3COONA NH4OH



OBSERVACIONES Escriba las ecuaciones de los equilibrios que se producen en cada una de las soluciones

salinas. Por qu ciertas sales dan soluciones neutras? Por qu el electrodo de vidrio se debe mantener sumergido en agua? Con cuntas cifras significativas se puede obtener el valor del pH en el peachmetro usado?

5. Determinacin de la constante de acidez del cido actico Reactivos: CH3COOH 2,00 M Procedimiento 1.- Marque de 1 a 5 los matraces de aforo de 100 mL. 2.- De acuerdo a la informacin de la siguiente tabla, prepare 5 soluciones de cido actico, en los matraces marcados.

Solucin Vol. cido actico 2,0 M (mL) Concentracin final (M) pH

1 2

2 4

3 5

4 7

5 10

3.- Marque los 5 vasos de pp y vace las soluciones preparadas para determinar su pH. 4.- Determine el pH de cada solucin con el peachmetro. 5.- Con los datos de su tabla, determine la constante de acidez para el cido actico para las distintas concentraciones. 6.- Compare y analice el valor promedio obtenido con el valor real tabulado.

CUESTIONARIO COMPLEMENTARIO 1. Explique las siguientes afirmaciones:

a) La [H+] en una solucin de cido fuerte se duplica si se dobla la concentracin molar del cido, pero esto no acontece para un cido dbil, donde la [H+] slo aumenta en un factor de 2

b) El pH de una solucin de HCl 10-8 M, no es 8 2. Establezca la distincin entre:

a) un cido y una base b) una base dbil y una base fuerte c) un cido de Lowry-Brnsted y un cido de Lewis



d) Ka y Kb e) pH y [H+]

3. Encuentre [H+], [OH-] y pH de las soluciones siguientes

a) 0,25 M HNO3 (R: 0,25; 4x10-14

; 0,6)

b) 0,20 M KOH (R: 5x10-14; 0,20, 13,3) c) Una solucin preparada diluyendo 50 mL de HClO4 0,2 M hasta 300 mL (R: 0,033; 3x10

-3;1,47)

d) Una solucin preparada disolviendo 1,0 g de NaOH en 200 mL de solucin. (R: 8x10-14;0,125;13,1)

4. Encuentre [H+] y [OH-] en soluciones que tengan el siguiente pH e indique para cada solucin si

es cida o bsica: a) 2,0 (R: 10- 2;10-12;A) b) 6,5 (R: 3,2x10-7;3,1x106, A) c) 13,20 (R: 6,3x10-14; 0,16;B)

5. Se solicita a un estudiante que prepare dos soluciones, cada una con un volumen de dos litros

y cada una con un pH de 11. Cuntos moles de cada soluto se requeriran si una de las soluciones debe hacerse con KOH y la otra con NH3? (R: 0,002 moles de KOH y 0,11 moles de NH3)

6. La constante Ka del cido benzoico es 6,2 x 10-5 Cul es el pH de una disolucin que contiene

5,58 g de benzoato de sodio (PM = 144 g/mol) disueltos en un litro de solucin? (R: 8,4) 7. Calcule la Ka del cido frmico (HCOOH) si una solucin de concentracin 4,0 mg/mL presenta

un pH de 2,40. (R: 1,82x10-4) 8. Ordene las siguientes soluciones 0,1 M, en orden creciente de su pH: NaBr, KOH, HF, HNO3,

CH3COONa, CH3COOH, NH4Cl. (R: HNO3 ;HF ; CH3COOH ; NH4CI ; NaBr ; CH3COONa ; NH3 , KOH

9. Determinar el pH de una solucin de KCN 2,5x10-2 M. La constante de acidez del HCN es 4x10-10. (R: 10,90)

practico 5. equilibrio acido base-ph

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