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1 Equilibrio IónicoEquilibrio IónicoEquilibrio IónicoEquilibrio Iónico Equilibrio ácido-base I 2 Equilibrio Acido BaseEquilibrio Acido Base CaracterísticasCaracterísticas ÁCIDOS:ÁCIDOS: •• Tienen sabor agrio.Tienen sabor agrio. BASESBASES:: •• Tiene sabor amargo.Tiene sabor amargo.gg •• Son corrosivos para la Son corrosivos para la piel.piel. •• Enrojecen ciertos Enrojecen ciertos colorantes vegetales.colorantes vegetales. •• Disuelven sustanciasDisuelven sustancias •• Atacan a los metales Atacan a los metales gg •• Suaves al tacto pero Suaves al tacto pero corrosivos con la piel.corrosivos con la piel. •• Dan color azul a Dan color azul a ciertos colorantes ciertos colorantes vegetales.vegetales. •• Precipitan sustancias Precipitan sustancias di lt á iddi lt á iddesprendiendo Hdesprendiendo H22.. •• Pierden sus Pierden sus propiedades al propiedades al reaccionar con bases.reaccionar con bases. disueltas por ácidos.disueltas por ácidos. •• Disuelven grasas.Disuelven grasas. •• Pierden sus Pierden sus propiedades al propiedades al reaccionar con ácidos.reaccionar con ácidos. 2 Ácidos y basesÁcidos y bases • Teoría de Arrhenius: (punto de partida, superada) – Ácido: sustancia que produce iones hidrógeno (H+) en agua 2( ) ( ) ( ) H O g ac acHCl H Cl – Base o álcali: sustancia que produce iones hidroxilo (OH-) en agua – ¿Por qué es alcalino el amoniaco, NH3? • “Porque en disolución acuosa forma NH4OH, que cede OH-.” • ¡Pero nunca se ha detectado la especie química NH4OH en agua! • Necesitamos otra teoría 2( ) ( ) ( ) H O s ac acNaOH Na OH Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 3 [Lectura: Petrucci 17.1] Ácidos y basesÁcidos y bases • Teoría de Brønsted y Lowry: (aceptada hoy para ácidos y bases en disolución acuosa) – Ácido: dador de iones hidrógeno (H+) o iones hidronio (H3O+) – Base o álcali: aceptor de iones hidrógeno (H+) o iones hidronio (H3O+) 3 2 4NH H O NH OH á idb á id b 2 3HCl H O Cl H O ácido base Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 4 [Lectura: Petrucci 17.2] ácidobase ácido base conjugados conjugados 3 Ácidos y basesÁcidos y bases • Teoría de Lewis: (aceptada hoy para ácidos y bases en general) – Ácido: aceptor de pares de electrones – Base o álcali: dador de pares de electrones ácido de Lewis base de Lewis Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 5 [Lectura: Petrucci 17.9] de Lewis de Lewis Ácidos y bases en Ácidos y bases en di l iódi l ió Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I disolucióndisolución 4 Equilibrio de autoionización. Producto iónico del aguaEquilibrio de autoionización. Producto iónico del agua 2 2 3H O H O H O OH 14,298 1,0 10wK ácidobase ácido base H H Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base Agua pura: 3[ ][ ] wH O OH K (Aunque no escribimos el subíndice eq, nos referirnos a concentraciones de equilibrio de aquí en adelante) 14 7 3[ ] [ ] 1,0 10 1,0 10H O OH M a 25ºC: 3[ ] [ ]H O OH wK Anfótero: sustancia que puede actuar como ácido y como base 14 7[ ] [ ] 9 6 10 3 1 10H O OH M Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 7 3[ ] [ ] 9,6 10 3,1 10H O OH M a 60ºC: 3[ ] [ ]H O OH 3[ ] [ ]H O OH 3[ ] [ ]H O OH [Lectura: Petrucci 17.3] Dsln. ácida Dsln. neutra Dsln. básica o alcalina pH, pOH y pKpH, pOH y pK 4 3[ ] 3,7 10H O M Las concentraciones molares de H3O+ y de OH- en disolución suelen ser mucho menores que 1 M; p.ej: 11[ ] 2,7 10OH M 141,0 10wK 25ºC Def.: 3log[ ]pH H O 3,43 3[ ] 10H O M 10,57[ ] 10OH M log[ ]pOH OH 3,43pH 14,0010wK logw wpK K 14,00wpK 3[ ][ ] wH O OH K pOH = 10,57 Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 8 3 w 3log[ ] log[ ] log wH O OH K wpH pOH pK 25º ;C 14,00pH pOH [Lectura: Petrucci 17.3] 5 pH, pOH y pKpH, pOH y pK 3[ ] /H O M [ ] /OH MpH pOH 121,0 10 12,00 2,00 21,0 10 11,00111,0 10 9,0091,0 10 7,0071,0 10 5,0051,0 10 1,0 10 , 101,0 10 10,00 81,0 10 8,00 61,0 10 6,00 3,00 5,00 7,00 9,00 , 4,00 6,00 8,00 31,0 10 51,0 10 71,0 10 91,0 10 1,0 10 41,0 10 61,0 10 81,0 10A ci d ez B asicid ad Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 9 , 3,0031,0 10 41,0 10 4,00 2,0021,0 10 11,00 10,00 12,00 , 111,0 10 101,0 10 121,0 10 d [Lectura: Petrucci 17.3] Electrolitos fuertes y débilesElectrolitos fuertes y débiles • Electrolito: es una sustancia que en solución está presente como iones y conduce la corriente lé t ieléctrica. • Las sales, los ácidos y las bases son electrolitos. • Un electrolito fuerte forma una solución en la que el soluto está presente casi en su totalidad como iones Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 10 como iones. • Un electrolito débil forma una solución en la que el soluto esta presente en una pequeña fracción como iones. 6 Ácidos y bases Ácidos y bases ff 6. Equilibrio ácido-base I fuertesfuertes Ácidos y bases fuertesÁcidos y bases fuertes Tienen el equilibrio de ionización muy desplazado a la derecha 2 3HCl H O Cl H O NaOH Na OH - puede considerarse totalmente desplazado, salvo en disoluciones muy concentradas 2 3Cl O Cl O NaOH Na OH - el aporte de la autoionización del agua a la concentración de H3O+ en las disoluciones de ácidos fuertes y de OH- en las de bases fuertes es despreciable 2 32H O H O OH Ácidos fuertes Bases fuertes Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 12 HCl HBr HI 4HClO 3HNO 2 4H SO (sólo la 1ª ionización) LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 2Mg OH 2Ca OH 2Sr OH 2Ba OH [Lectura: Petrucci 17.4] 7 Ácidos y bases Ácidos y bases débildébil 6. Equilibrio ácido-base I débilesdébiles Ácidos y bases débilesÁcidos y bases débiles Es necesario considerar su equilibrio de ionización 2 3HA H O A H O Constante de ionizacióno de acidez del ácido HA 3[ ][ ] [ ] a A H O K HA [ ]HA 2B H O HB OH Constante de ionizacióno de basicidad de la base B [ ][ ] [ ] b HB OH K B 2 3HCN H O CN H O 106, 2 10aK 9, 21apK - ácidos más fuertes cuanto mayor Ka (cuanto menor pKa) 6. Equilibrio ácido-base I 14 [Lectura: Petrucci 17.5] 2 o de basicidad de la base B[ ] bB 3 2 4NH H O NH OH 51,8 10bK 4,74bpK - bases más fuertes cuanto mayor Kb (cuanto menor pKb) 8 Ácidos débilesÁcidos débiles FFu erza d el ácid o Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 15 Bases débilesBases débiles e Fu er za d e la b as e Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 16 9 Grado de Grado de disociacióndisociación (de un ácido o de una base débiles)(de un ácido o de una base débiles) 2 3HA H O A H O x xx 3[ ][ ] [ ] a A H O K HA Concentracióndel ácido disociado 100%Grado de Disociación = [ ]A x [ ]HA 0c x 0 0 [ ]A x c c Concentración del ácido disociado Concentración de ácido inicial 0c 0 (1 )c 3[ ]H O x 0c 100% Ácido fuerte 1 Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 17 [Lectura: Petrucci 17.5] 3[ ] x 0c 2 2 0 0 (1 ) a c K c 2 0 (1 ) a c K 0c Ácido débil 0 0,5 2 0 4 2 a a o aK K c K c 18 Relación entre KRelación entre Ka a y Ky Kbb conjugadaconjugada •• Equilibrio de disociación de un ácido:Equilibrio de disociación de un ácido: HA HA + H+ H22O O AA–– + H+ H33OO++ •• Reacción Reacción de la base conjugada con el agua:de la base conjugada con el agua: AA–– + H+ H22O O HAHA + OH+ OH–– •• AA–– xx HH33OO++ HAHA xx OHOH––KKaa = = ———————————— ; ; KKb b = = ————————————HAHA AA–– •• AA–– xx HH33OO++ xx HAHA xx OHOH––•• AA xx HH33OO xx HAHA xx OHOH KKaa xx KKb b = = ———————————————————————— = K= KWWHAHA xx AA–– 10 19 Relación entre KRelación entre Ka a y Ky Kbb conjugada (cont.).conjugada (cont.). •• En la práctica, esta relación (En la práctica, esta relación (KKaa xx KKb b = = KKWW) significa ) significa que:que: -- Si Si un ácido es fuerte su base conjugada es débil.un ácido es fuerte su base conjugada es débil. -- Si Si un ácido es débil su base conjugada es fuerteun ácido es débil su base conjugada es fuerte.. •• A la constante del ácido o base conjugada en la A la constante del ácido o base conjugada en la reacción con el agua se reacción con el agua se la llama la llama constante de reacción con el agua se reacción con el agua se la llama la llama constante de hidrólisis (Kh). 20 Hidrólisis de salesHidrólisis de sales •• Es la reacción de los iones de una sal con el aguaEs la reacción de los iones de una sal con el agua.. •• Sólo es apreciable cuando estos iones proceden de Sólo es apreciable cuando estos iones proceden de un ácido o una base débil:un ácido o una base débil: •• Hidrólisis Hidrólisis (de (de un catión)un catión):: NHNH44++ + H+ H22O O NHNH33 + H+ H33OO++ •• Hidrólisis Hidrólisis (de un anión)(de un anión)::•• Hidrólisis Hidrólisis (de un anión)(de un anión):: CHCH33––COOCOO–– + H+ H22O O CHCH33––COOCOOHH + OH+ OH–– 11 21 Tipos de Tipos de hidrólisishidrólisis •• Según procedan el catión y el anión de un ácido o Según procedan el catión y el anión de un ácido o una base fuerte o débil, las sales se clasifican enuna base fuerte o débil, las sales se clasifican en::,, •• Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte. –– Ejemplo: Ejemplo: NaClNaCl •• Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. Sales procedentes de ácido débil y base fuerte. –– Ejemplo: Ejemplo: NaCNNaCN •• Sales procedentes de ácido fuerte y base débil Sales procedentes de ácido fuerte y base débil •• Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. Sales procedentes de ácido fuerte y base débil. –– Ejemplo: NHEjemplo: NH44ClCl •• Sales procedentes de ácido débil y base débil. Sales procedentes de ácido débil y base débil. –– Ejemplo: NHEjemplo: NH44CNCN 22 Sales procedentes de ácido fuerte y base Sales procedentes de ácido fuerte y base fuerte.fuerte. Ejemplo: Ejemplo: NaClNaClj pj p •• NO SE PRODUCE HIDRÓLISISNO SE PRODUCE HIDRÓLISIS ya ya que tanto el que tanto el NaNa++ proviene de base fuerte y el proviene de base fuerte y el ClCl–– proviene de ácido fuerte. proviene de ácido fuerte. 12 23 Sales procedentes de ácido débil y base Sales procedentes de ácido débil y base fuerte.fuerte. •• Ejemplo: NaEjemplo: Na++CHCH33––COOCOO–– •• NaNa+ + no hidroliza porque proviene de base fuerte •• SE SE PRODUCE HIDRÓLISIS PRODUCE HIDRÓLISIS del del CHCH33––COOCOO–– que que proviene de ácido débil: proviene de ácido débil: proviene de ácido débil: proviene de ácido débil: CHCH33––COOCOO–– + H+ H22O O CHCH33––COOCOOHH + OH+ OH–– lo lo que provoca que el pH > 7 (que provoca que el pH > 7 (disdis. básica).. básica). 24 Sales procedentes de ácido fuerte y base Sales procedentes de ácido fuerte y base débil.débil. •• Ejemplo: Ejemplo: NHNH44ClCl •• ClCl–– proviene de un ácido fuerteproviene de un ácido fuerte •• SE SE PRODUCE HIDRÓLISIS PRODUCE HIDRÓLISIS del del NHNH44++ que proviene de que proviene de una base débil: una base débil: una base débil: una base débil: NHNH44++ + H+ H22O O NHNH33 + H+ H33OO++ lo lo que provoca que el pH < 7 (que provoca que el pH < 7 (disdis. ácida).. ácida). 13 25 Sales procedentes de ácido débil y base Sales procedentes de ácido débil y base débil.débil. •• Ejemplo: Ejemplo: NHNH44CNCN • El NHNH44++ hidroliza porque proviene de base débilhidroliza porque proviene de base débil • El CNCN–– hidrolizan porque proviene de un ácido débilhidrolizan porque proviene de un ácido débil •• La La disolución será ácida o básica según qué ion se disolución será ácida o básica según qué ion se g qg q hidrolice en mayor grado. hidrolice en mayor grado. •• Como KComo Kbb((CNCN––) = 2 · 10) = 2 · 10––55 M yM y KKaa(NH(NH44++) = 5,6 · 10) = 5,6 · 10––1010 MM , en este caso, la disolución es , en este caso, la disolución es básica ya que Kbásica ya que Kbb((CNCN––) es mayor que ) es mayor que KKaa(NH(NH44++)) 26 Disoluciones amortiguadoras Disoluciones amortiguadoras (tampón o buffer)(tampón o buffer) •• Son capaces de mantener el pH después de añadir Son capaces de mantener el pH después de añadir •• Son capaces de mantener el pH después de añadir Son capaces de mantener el pH después de añadir pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. pequeñas cantidades tanto de ácido como de base. Están formadas por:Están formadas por: •• Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido Disoluciones de ácido débil + sal de dicho ácido débil con catión neutro:débil con catión neutro: –– Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio.Ejemplo: ácido acético + acetato de sodio. •• Disoluciones de base débil + sal de dicha base Disoluciones de base débil + sal de dicha base •• Disoluciones de base débil + sal de dicha base Disoluciones de base débil + sal de dicha base débil con anión neutro:débil con anión neutro: –– Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio.Ejemplo: amoniaco y cloruro de amonio. 14 pH de soluciones BufferpH de soluciones Buffer El pH de una solución buffer se calcula con la ecuación de El pH de una solución buffer se calcula con la ecuación de Henderson Henderson HasselbachHasselbach:: -- Para una solución de ácido débil y su sal de base fuertePara una solución de ácido débil y su sal de base fuerte pH = pH = ppKKaa + log (+ log (base conjugadabase conjugada / / ácidoácido)) -- Para una solución buffer de base débil y su sal de ácido Para una solución buffer de base débil y su sal de ácido fuertefuertefuertefuerte pOHpOH = = ppKKbb + log (+ log (acido conjugadaacido conjugada / / basebase)) pH = 14 pH = 14 -- pOHpOH Química (1S, Grado Biología, G12) UAM 2009/10 6. Equilibrio ácido-base I 27 28 Indicadores de pHIndicadores de pH (ácido(ácido-- basebase)) •• Son sustancias que cambian de color al pasar de la Son sustancias que cambian de color al pasar de la forma ácida a la básica:forma ácida a la básica: •• HInHIn + H+ H22O O InIn–– + H+ H33OO++ forma ácida forma básicaforma ácida forma básica •• El cambio de color se considera apreciable cuando El cambio de color se considera apreciable cuando [[HInHIn] > 10·[In] > 10·[In––] o [] o [HInHIn]< 1/10·[In]< 1/10·[In––] ] •• InIn–– ·· HH33OO++ HInHInInIn HH33OO HInHInKKaa = = ———————————— HH33OO++ = = KKaa ·· ——————HInHIn InIn–– •• pH = pH = ppKKaa + log + log InIn–– / / HInHIn = = ppKKaa 11 15 29 Algunos indicadores de Algunos indicadoresde pHpH I di d Color forma Color forma Zona de viraje Indicador ácida básica j (pH) Violeta de metilo Amarillo Violeta 0-2 Rojo Congo Azul Rojo 3-5 Rojo de metilo Rojo Amarillo 4 6Rojo de metilo Rojo Amarillo 4-6 Tornasol Rojo Azul 6-8 Fenolftaleína Incoloro Rosa 8-10 Equilibrio de solubilidadEquilibrio de solubilidadEquilibrio de solubilidadEquilibrio de solubilidad 30 16 CONCEPTOS BÁSICOS.CONCEPTOS BÁSICOS. vvdisolucdisoluc = v= vcristaliz cristaliz EquilibrioEquilibrio Disolución saturada: Aquélla que contiene la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura dada. Solubilidad de un soluto en un disolvente dado: Cantidad de soluto necesaria para formar una disolución saturada en una cantidad dada de disolvente. Máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una Máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cantidad fija de disolvente. [p.ej. NaCl en agua a 0ºC s = 35.7 g por 100 mL agua] Sólidos iónicos cristalinos • Solubles (s 210-2 M) • Ligeramente solubles (10-5 M < s < 210-2 M) • Insolubles (s 10-5 M) 17 PbIPbI22 (s) (s) PbPb2+2+ ((aqaq) + 2 I) + 2 I-- ((aqaq) ) • Dinámico • Heterogéneo • Reacción directa: disolución [Equilibrios de solubilidad][Equilibrios de solubilidad] • Reacción inversa: precipitación Reacciones de precipitación: Aquéllas que dan como resultado la formación de un prod cto insol bleproducto insoluble. Precipitado: Sólido insoluble que se forma por una reacción en disolución. Equilibrio de solubilidad SeSe definedefine lala solubilidadsolubilidad (S)(S) comocomo lala máximamáxima cantidadcantidad dede solutosoluto disueltodisuelto permitidapermitida porpor litrolitro dede disolucióndisolucióndisolucióndisolución TodasTodas laslas sustanciassustancias enen mayormayor oo menormenor gradogrado sonson solublessolubles enen aguaagua.. Incluso las sustancias denominadas “ insolubles” experimentan el equilibrio de solubilidadexperimentan el equilibrio de solubilidad 18 Equilibrio de Equilibrio de solubilidadsolubilidad Ejemplo: Ba(SO)Ejemplo: Ba(SO)44Ejemplo: Ba(SO)Ejemplo: Ba(SO)44 Ba(SOBa(SO44))(s)(s) BaBa22+ + ((acac)) ++ SOSO44 22-- ((acac)) equilibrio de solubilidadequilibrio de solubilidadqq Producto de solubilidad. AgCl (s) Ag+ (aq) + Cl- (aq) KPS = [Ag+][Cl-] Producto de solubilidad Bi2S3 (s) Bi3+ (aq) + 3 S2- (aq) KPS = [Bi3+]2 [S2-]3 Relación entre la solubilidad y el producto de solubilidad: KPS = (2s)2 (3s)3 5 PS 108 K s AgCl (s) Ag+ (aq) + Cl- (aq) [ ]o [ ]eq s s KPS = [Ag+][Cl-] = s2 PSKs Si KPS s 19 Có b i f á i it d ?Có b i f á i it d ? MezclamosMezclamos dosdos disolucionesdisoluciones queque contienencontienen dosdos ionesiones queque puedenpueden formarformar unauna salsal insolubleinsoluble.. ¿Cómo saber si se formará precipitado?¿Cómo saber si se formará precipitado? QQ = = KKPSPS Equilibrio : disolución saturadaEquilibrio : disolución saturada QQ > > KKPSPS Se desplaza hacia la izquierda : precipita Se desplaza hacia la izquierda : precipita QQ < < KK No precipita : disolución no saturadaNo precipita : disolución no saturadaQQ < < KKPSPS No precipita : disolución no saturada.No precipita : disolución no saturada. Efecto Efecto del ión común.del ión común. LaLa solubilidadsolubilidad dede unun compuestocompuesto iónicoiónico pocopoco solublesoluble disminuyedisminuye enen presenciapresencia dede unun segundosegundo solutosoluto queque proporcioneproporcione unun iónión comúncomún.. FACTORESFACTORES QUEQUE AFECTANAFECTAN AA LALA SOLUBILIDADSOLUBILIDAD p pp p PbIPbI22 (s) (s) PbPb22++ ((aqaq) + 2 I) + 2 I-- ((aqaq)) KIKI (s(s)) KK++ ((aqaq) + I) + I-- ((aqaq)) Ión comúnIón común s (PbIs (PbI22 en agua) = 1.2en agua) = 1.2××1010--33 MM s (PbIs (PbI22 en una disoluciónen una disolución 0.1 M de KI) = 7.10.1 M de KI) = 7.1××1010--77 MM 20 Efecto Efecto del pH.del pH. Mg(OH)Mg(OH)22 (s) (s) MgMg2+2+ ((aqaq) + 2 OH) + 2 OH-- ((aqaq)) SiSi elel pHpH sese hacehace másmás ácidoácido menormenor [OH[OH--]] elel equilibrioequilibrio sese desplazadesplaza aa lala derechaderecha ÞÞ mayormayor solubilidadsolubilidad.. EsteEste efectoefecto ocurreocurre enen todastodas laslas salessales cuyocuyo aniónanión presentepresente caráctercarácter básicobásico.. CaFCaF22 (s) (s) CaCa2+2+ ((aqaq) + 2 F) + 2 F-- ((aqaq)) FF-- ((aqaq) + H) + H22O (lO (l) ) HF (HF (aqaq) + OH) + OH-- ((aqaq)) LaLa solubilidadsolubilidad dede laslas salessales queque contienencontienen anionesaniones básicosbásicos aumentaaumenta conformeconforme elel pHpH disminuyedisminuye.. EFECTO SALINO •Es el efecto producido por la presencia de otros iones presentes en el medio, ajenos a los constitutivos del precipitado.los constitutivos del precipitado. •Dicho efecto, contribuye a disminuir las concentraciones efectivas de los iones en disolución constitutivos del precipitado, favoreciendo su disolución (no se alcanza el valor de Kps o se incrementa su solubilidad) *Cuanto mayor sea la concentración salina , más se hace notar el efecto salino que contribuye a solubilizar el precipitado. valor de Kps o se incrementa su solubilidad)
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