Ácido-base parte 1 PDF

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apuntes del tema acido base pertenecientes a l parta de química analítica de la asignatura química II de universidad de salamanca...

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Teoría de Brønsted-Lowry (1923): teoría protónica

Johannes Nicolaus Brønsted

Thomas Martin Lowry

Ácido: Especie que cede protones

Si el disolvente es H2O

Base: Especie que acepta protones

(H3O+,H+)

Ø Reacción ácido-base Ácido1 + Base2

Base1 + Ácido2 Base conjugada

Ácido conjugado

Ácidos y Bases puede ser especies neutras o cargadas ® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Teoría de Brønsted-Lowry (1923): teoría protónica Ejemplos HCl + H2 O Ácidos

HSO4 - + H2 O CH3 -COOH + H2 O

Bases

NaOH + H2 O NH3 + H2 O CO3 2- + H2 O HCl + NH3

Cl- + H3 O+ SO4 2- + H3 O+ CH3 -COO- + H3 O+ Na+ + OHNH4 + + OHHCO3 - + OHCl- + NH4 + ® B. Moreno Cordero

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1

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Clasificación de los sistemas ácido base en función del número de protones intercambiados. Monoprótidos (HA/A- ) : HCl, HClO4 , NH3 ,CH3 -COOPoliprótidos (Hn A/Hn-1 A- /.....An- ) : H2 S, H3 PO4 , CO3 2Ø En los sistemas poliprótidos es posible encontrar: ácidos, bases y anfóteras

H3 PO4

H2 PO4 -

HPO4 2-

PO4 3-

Pb2+

Pb(OH)+

Pb(OH)2

PbO2 H-

CH2NH3+-COOH

Glicina: CH2NH2-COOH

Ácidos

Anfóteras Anfolitos

CH2NH2-COO-

Bases ® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Propiedades ácido-base del agua. Autoprotólisis (autoionización) H2 O + H2 O H2 O KW = [H+ ][OH- ]

H3 O+ + OHH+ + OHKW,25ºC = 1.0 10-14

H+ = OH- = 10-7 moles/litro pH=-log[H+ ]

pOH=14-pH

disolución neutra: pH =7 disolución ácida: pH 7 ® B. Moreno Cordero

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2

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Sistemas ácido-base monoprótidos: constante de equilibrio CH3 -COOH + H2 O

CH3 -COO- + H3 O+

CH3 -COOH CH3-COOH Ka=

CH3 -COO- + H+ CH3-COO- + H2O

CH3-COO- + H+

[C [CH H 3 -COO- ][H+ ]

pKa= -logKa

[CH 3 -C -COOH] OOH]

Kb=

Kb=

NH4 + + OH-

[NH 4+ ][OH- ]

[CH 3-COO- ]

NH4 +

pKb=-logKb

[NH 3 ]

-COOH][OH ][OH- ] [CH 3-COOH

pKb= -logKb

pKa+ pKb =14

Ka Kb = 10-14 NH3 + H2 O

CH3-COOH + OH-

Ka=

NH3 + H+ [NH 3 ][H + ] [NH+4 ]

pKa= -logKa ® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Sistemas ácido-base poliprótidos: constantes de equilibrio H3 PO4

-H+

H2 PO4 -

Ka1

Ka1 =

Ka2 =

[H3PO4 ]

H3 PO4

Ka =

Ka

HPO4

[HPO42− ][H+ ]2 [H3PO4 ]

-H+

HPO4 2-

Ka2

[H2PO4− ][H+ ]

-2H+

-H+

2-

= Ka1Ka2

PO4 3-

Ka3

[HPO 42− ][H+ ] −

[H2PO4 ]

H3 PO4

Ka =

Ka3 =

-3H+

Ka

[PO43− ][H+ ]3 [H3PO4 ]

[PO 43− ][H+ ] [HPO42− ]

PO4 3-

= Ka1Ka2Ka3 ® B. Moreno Cordero

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3

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Fuerza de los ácidos y las bases Ø Extensión de la reacción ácido-base: ceder y aceptar protones Disolvente H2O: HA

HA + H2 O

H3 O+ + A-

HA= ácido fuerte si la transferencia es total: equilibrio totalmente desplazado Ejemplos: HCl, HClO4, HNO3 HA= ácido débil si la transferencia es parcial : equilibrio parcialmente desplazado Ejemplo: CH3-COOH, C6H5-OH, H2S

® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

pKa

BASES

HClO4

[OH-] [H+] [H+]

−

pH pH=pKa+ =pKa+ =pKa+log log

[H+ ]=K a

Ca y Cb >> [OH-]

Cb Ca

[H+ ]=K a

Ca Cb Ca Cb

Aceptor (base) Dador (ácido)

® B. Moreno Cordero

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11

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Cálculos gráficos: diagramas Log C-pH. Sistema HA/A- en concentración total Ci (HA, NaA, HA+NaA) HA

A- + H+

[H+ ]=

[H+ ] = [A-] + [OH-] A- + H2 O

HA + OH-

[H+ ]+K a

[OH- ]=

[OH-] = [HA] + [H+ ] HA

CiK a

CiK b -

A + H2 O

[H+ ]=Ka

HA + OH

-

+

Kw [H+ ] Kw

[OH ]+K b [OH- ]

A- + H+

-

+

Ca-[H+ ]+[OH- ] Cb+[H+ ]-[OH- ]

Ca[A-] + Ci[OH-] = Cb[HA]+Ci[H+ ] ® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Cálculos gráficos: diagramas Log C-pH. Sistema HA/A- en concentración total Ci (HA, NaA, HA+NaA) HA H2 O

Ka

A- + H+

Kw

[A- ]=

H+ + OH-

Ci = [HA]+[A ]

)

[H+ ]+K a

Ci[H+ ] [HA]= [H+ ]+K a

-

(

CiK a

(

Log [HA]=Log Ci[H+ ] - Log [H+ ]+K a

)

( )

(

Log [A- ]=Log CiK a - Log [H+ ]+K a

)

® B. Moreno Cordero

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12

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Cálculos gráficos: diagramas Log C-pH. Sistema HA/A- en concentración total Ci=0.01 M; pKa=6 0

pKa

Log [HA]

-2

[HA]=

Ci[H+ ] [H+ ]+K a

Log [A-]

[A- ]=

-4

CiK a [H+ ]+K a

LogC

-6

-8

Log[H+ ]=-pH -10

Log[OH-]=-14+pH -12

Log [OH-] -14

0

2

4

Log [H+ ] 6

8

10

12

14

pH ® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Cálculos gráficos: diagramas Log C-pH. Sistema HA/A- en concentración total Ci=0.01 M; pKa=6 0

pKa

HA

-2

A-

-4

LogC

-6

-8 -10 -12 -14

OH0

2

4

H+ 6

8

10

12

14

pH ® B. Moreno Cordero

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13

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Construcción rápida de diagramas Log C-pH. Sistema HA/A- Ci=0.1 M; pKa=6 No es el punto del sistema

Punto del sistema pKa , Log Ci

A-

HA

Log Ci

Pendiente +1

Pendiente -1

Log Ci-0.3 OH-

H+ pH=pKa

Ka +

[H ]

=

[A- ] [HA]

® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Aplicaciones del diagrama Log C-pH. Sistema HA/A- (Ci=0.01 M pKa=6). v Visualiza la variación de las concentraciones de todas las especies con el pH.

0

A

-

HA

-2

v Calcular las concentraciones de las diversas especies a un pH prefijado.

-4 -6 LogC

v Cálculo de pH en todas las situaciones en las que participe el sistema HA/A-

-8

v Elegir la aproximación adecuada para una resolución algebraica en el sistema HA/A-

- 10

OH-

- 12 - 14

0

2

4

H+

6

8 pH

10

12

14

v Otros v Curvas de valoración v Estudiar interacciones entres sistemas v Reacciones importantes ® B. Moreno Cordero

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14

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Aplicaciones del diagrama Log C-pH. Sistema HA/A- (Ci=0.01 M pKa=6). El diagrama contiene Ci= [HA]+[A-] Kw= [H+][OH-]

pH=(pCi+pKa)/2

[H+ ][A− ]

Ka =

[HA]

1. Solo contiene HA

HA

H2 O

A- + H+

0

A-

HA

-2 -4

H+ +OH-6

Ecuación que resuelve el problema Balance de cargas o balance protónico [H+] = [A-] + [OH-]

-8 -10

Log [H+] = Log ([A-] + [OH-])

OH-

-12 +

H+

-

Log [H ] = Log [A ] -14

[H+] = [A-]

0

2

4

6

8

10

12

14 ® B. Moreno Cordero

pH

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Aplicaciones del diagrama Log C-pH. Sistema HA/A- (Ci=0.01 M pKa=6). pH=(14-pCi+pKa)/2

Ci= [HA]+[A ] -

Kw= [H ][OH ] +

-

Ka =

[H+ ][A− ] [HA]

2. Solo contiene NaA

A- + H2 O

0

A-

HA

-2 -4

HA+OH-6

Ecuación que resuelve el problema Balance de masas y cargas o el balance protónico

8

[OH-] =[HA] + [H+]

Log [OH-] = Log =([HA] + [H+]) Log [OH-] = Log [HA] [OH-] = [HA]

-10

OH-

-12 -14

0

2

4

H+

6

8 pH

10

12

14 ® B. Moreno Cordero

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15

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Aplicaciones del diagrama Log C-pH. Sistema HA/A- (Ci=0.01 M pKa=6). 3. Contiene HA=Ca y NaA=Cb Ca=Cb=0.005; Ci = Ca+Cb =0.01 HA H2O

A- + H2O

A-+ H+ H+ + OH-

pH=pK 0

AH + OH-

[A-]= Cb + [H+] - [OH-] -

[OH-]

Cb=[A-]- [H+]

+ Multiplicar por Ca

Multiplicar por Cb

-4

[OH-] -6

C

Ca=

[AH]+[H+]

A-

HA

-2

[AH]= Ca- [H+] + [OH-]

Ecuación que resuelve el problema Ca[A-] + Ci[OH-] = Cb[HA] + Ci[H+] Ca[A-] + 2Ca[OH-] = Ca[HA] + 2Ca[H +] Log [A-] = Log [HA]

8

-10

OH-

-12 -14

[A-] = [HA]

0

2

4

H+

6

8

10

12

14 ® B. Moreno Cordero

pH

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Aplicaciones del diagrama Log C-pH. Sistemas HA/A- y HB/B0

HA

4. Contiene HA=0.1 M y HB =0.001 M -2 pKaHA =3; pKaHB=7

HA HB H2 O

0.001= [HB]+[B-]

A- + H+ B- + H+ H+ + OH-

Ecuación que resuelve el problema Balance de cargas (balance protónico) [H+] =[A-] + [B-] + [OH-] [H+] = [A-]

HB

B-

OH-

H+

-4

LogC

0.1= [HA]+[A-

A-

-6

-8

-10 -12

-14

0

2

4

6

8 pH

10

12

14

® B. Moreno Cordero

46

16

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Química II

Reacciones ácido-base

Ø Aplicaciones del diagrama Log C-pH. Sistemas HA/A- y HB/B0

HA

5. Contiene NaA=0.1 M y NaB =0.001 M pKaHA =3; pKaHB=7 -2 0.001=

A +H2 O -

[HB]+[B-]

HB

B-

-4

pH=9

HA + OH

-

B- +H2 O H2 O

HB + OHH+ + OH-

LogC

0.1= ]

[HA]+[A-

A-

-6

-8

Ecuación que resuelve el problema

-10

Balance de cargas y masas Balance a OH[OH ] =[HA] + [HB] +

-12

[OH-] = [HB]

-14

-

[H+]

OH-

0

2

4

H+

6

8

10

12

14

® B. Moreno Cordero

pH

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Química II

Reacciones ácido-base

4. Contiene HA=0.1 M y NaB =0.001 M0 pKaHA =3; pKaHB=7

HA A- + H+ + B +H HB H2 O H+ + OHEcuación que resuelve el problema Balance de cargas y masas Balance protónico [H+] = [A-] + [OH-] - [HB] [H+] + [HB] = [A-] + [OH-] [H+] = [A-]

A-

-2

0.001= [HB]+[B-]

HB

B-

-4

LogC

0.1= [HA]+[A]

HA

-6 -8

-10

OH-

-12

-14

0

2

4

H+

6

8 pH

10

12

14

® B. Moreno Cordero

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Química II

Reacciones ácido-base

5. Contiene NaA=0.1 M y HB =0.001 M pKaHA =3; pKaHB=7

A- + H+ HB H2 O A- + HB

HA B + H+ H+ + OH-

AHB

B-

-4

-

HA + B-

Ecuación que resuelve el problema Balance de cargas y masas, balance protónico o reacción A/B [H+] = [B-] + [OH-] - [HA] [H+] + [HA] = [B-] + [OH]

HA

-2

0.001= [HB]+[B-]

[HA] = [B-]

LogC

0.1= [HA]+[A-]

0

-6 -8

-10

OH-

-12

-14

0

2

4

H+

6

8 pH

10

12

14

® B. Moreno Cordero

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