Fundamentos Químicos de la Ingeniería · tema 09
Equilibrio ácido-base
Los tres regímenes de una valoración y cómo saber en cuál estás. Ácidos débiles, tampones, hidrólisis de sales y por qué el punto de equivalencia casi nunca cae en pH 7.
este tema trae un simuladorLos dos exámenes del segundo cuatrimestre transcritos piden lo mismo: un pH en tres o cuatro situaciones distintas, sobre la misma disolución de partida. Y ese es exactamente el reto del tema: no es que las cuentas sean difíciles, es que hay tres fórmulas distintas y lo primero que hay que acertar es cuál toca.
Lo primero, siempre: cuenta moles y mira quién sobra
Antes de escribir una sola fórmula, haz esta cuenta:
y compáralas. El resultado te dice en cuál de los tres regímenes estás, y con eso está decidido el 80 % del ejercicio:
| situación | qué queda en el vaso | qué fórmula |
|---|---|---|
| falta base | ácido sin neutralizar y su sal | tampón — Henderson |
| justo iguales | solo la sal | hidrólisis — |
| sobra base | la sal y base fuerte de sobra | manda el exceso, y nada más |
Usar Henderson cuando ya sobra base
Es el fallo que decide el ejercicio, y da resultados absurdos sin avisar.
Henderson supone que en el vaso conviven el ácido débil y su base conjugada. Si has echado más base de la que había ácido, ya no queda ácido: el cociente tiene un cero abajo.
Cuando sobra base fuerte, todo lo demás es despreciable. Con 0,003 mol de sosa en exceso, el pH lo fija ella sola: 12,89. La sal que hay al lado no cambia la tercera cifra.
Un ácido débil solo
Y el grado de ionización es la fracción que se ha disociado, . Para el ácido láctico 1 M sale un 1,16 %: prácticamente todo el ácido sigue entero, que es lo que significa «débil».
La aproximación de despreciar la del denominador funciona cuando , y aquí introduce un error del 0,6 %. Conviene decir en el examen que se ha hecho.
El tampón
Cuando conviven el ácido y su sal, Henderson-Hasselbalch:
Y un detalle que ahorra trabajo: el cociente puede escribirse con moles en vez de concentraciones, porque los dos están en el mismo volumen y este se cancela. Es la única vez en toda la asignatura en que eso es legítimo.
De ahí sale la propiedad que hace útil a un tampón: diluirlo no le cambia el pH, porque el cociente no cambia. Y en el punto medio de la valoración, cuando queda la mitad del ácido, y exactamente.
El punto de equivalencia, que casi nunca es pH 7
Cuando la base echada iguala al ácido, en el vaso solo hay sal. Pero la sal de un ácido débil no es neutra: su anión es una base, y reacciona con el agua.
Con el lactato sale , básico. Y tiene que serlo: si neutralizas un ácido débil con una base fuerte, el que queda mandando es el resto de la base.
Dar pH 7 en el punto de equivalencia
Solo vale para ácido fuerte con base fuerte. En cuanto uno de los dos es débil, su conjugado hidroliza y el punto de equivalencia se desplaza:
- ácido débil + base fuerte → equivalencia básica (pH > 7)
- ácido fuerte + base débil → equivalencia ácida (pH < 7)
Y hay un descuido de bulto que se cuela aquí: el volumen ha cambiado. Los 0,025 mol de lactato están ahora en 37,5 mL, no en 25, así que la concentración es 0,667 M y no 1.
La receta completa
- Moles de ácido y de base. Comparar.
- Según quién sobre, elegir régimen.
- Recalcular el volumen total — es la suma de los dos.
- Aplicar la fórmula del régimen.
- Comprobar que el pH tiene sentido: ácido débil solo, entre 1 y 4; tampón, cerca del ; equivalencia de ácido débil, por encima de 7; exceso de base fuerte, por encima de 12.
Ese último paso caza casi todos los errores. Si te sale un tampón con pH 9 teniendo un de 3,86, algo está mal antes.
La pregunta que responde: ¿por qué la misma valoración necesita cuatro fórmulas distintas? Porque en cada tramo lo que hay en el vaso es otra cosa. Antes de añadir nada hay ácido débil solo; mientras sobra ácido hay una mezcla de ácido y su base conjugada, o sea un tampón; en el punto justo solo queda la base conjugada, y por eso el salto cae por encima de 7; y pasado ese punto manda la sosa que sobra. El primer paso de la receta —contar moles y ver quién sobra— es exactamente elegir en qué tramo de esta curva estás.
Cómo saber que has terminado
- Decidir el régimen contando moles, antes de escribir ninguna fórmula.
- Calcular el grado de ionización de un ácido débil, y decir si la aproximación era legítima.
- Usar Henderson con moles y explicar por qué ahí sí se puede.
- Saber que el punto de equivalencia de un ácido débil es básico, y por qué.
- Y acordarte de que el volumen total cambia en cuanto añades algo.
Practica lo que acabas de leer
Un ácido débil al 1 %, y el pH que no es 1
Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».
Hacer el ejercicio →Un ácido débil al 1 %, y el pH que no es 1
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Calcular el pH y el grado de ionización de una disolución de ácido acético 0,10 M.
Dato: .
El pH de la disolución y el porcentaje de ácido que se ha disociado.
- 01
Reconocer el camino
COMP1Si el ácido fuera fuerte, el pH sería 1,00. ¿Por qué no lo es?
El agua aporta M, despreciable frente a los del ácido. Solo importa en disoluciones muy diluidas, por debajo de M.
Tiene cuatro hidrógenos y solo uno es ácido, pero eso no es lo que lo hace débil: el clorhídrico tiene uno solo y es fuerte. Lo que decide es la constante.
Exacto. En un ácido fuerte ; en uno débil hay un equilibrio y . Aquí se disocia un 1,3 %, y el pH pasa de 1,00 a 2,88.
Un ácido fuerte 0,10 M también está diluido y da pH 1,00 exactamente. Lo que cambia aquí no es la dilución.
- 02
El pH
COMP2¿Cuál es el pH de la disolución?
el pH, con dos cifras decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el pH si el ácido fuera fuerte y se disociara del todo. Con solo se disocia el 1,3 %.
Ese es el , que es el pH de un tampón a partes iguales, no el de un ácido solo.
Monta el equilibrio con : . Como es mucho mayor que 100, puedes despreciar la del denominador.
Desarrollo
Sin aproximar sale : la aproximación se equivoca en un 0,7 % y no cambia la segunda cifra del pH.
- 03
El grado de ionización
COMP2¿Qué porcentaje del ácido se ha disociado?
el porcentaje, con dos cifras decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te falta pasar a porcentaje: la fracción es 0,0133, y en porcentaje son 1,33.
Eso sería un ácido fuerte. El grado de ionización es justo lo que mide cuánto le falta a un ácido para serlo.
El grado de ionización es la fracción que se ha disociado, , y se suele dar en porcentaje.
Desarrollo
De cada mil moléculas de acético, trece están disociadas y 987 siguen enteras.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Disociarse poco no es no disociarse. Sigue siendo un ácido y el pH está por debajo de 7 — aquí 2,88, que es bastante ácido.
Lo que cambia respecto de un ácido fuerte es cuánto: dos unidades de pH, o sea cien veces menos protones. Pero el signo de la desviación respecto del neutro es el mismo.
El razonamiento, en orden
Un ácido débil no se disocia del todo, así que hay un equilibrio con su constante .
Con , la expresión es .
Como vale unos 5500, se puede despreciar la del denominador con un error del 0,7 %.
Sale y pH 2,88, casi dos unidades por encima del ácido fuerte.
El grado de ionización es 1,33 %, o sea que 987 de cada 1000 moléculas siguen enteras.
Débil significa «poco disociado», no «poco ácido». La diferencia con un ácido fuerte de la misma concentración son dos unidades de pH.
Resolución completa
La idea. Un ácido fuerte se disocia del todo, así que y el pH sale de un logaritmo. Uno débil establece un equilibrio, y hay que resolverlo.
Como , muy por encima de 100, se puede despreciar la del denominador:
Cuándo vale la aproximación y cómo decirlo. El criterio es . Aquí sobra: sin aproximar sale en vez de , un 0,7 % que no llega a mover la segunda cifra del pH. En el examen conviene escribir que se ha hecho y por qué — cuesta una línea y es lo que separa una aproximación de un descuido.
La comparación que da la intuición del tema:
| pH | ||
|---|---|---|
| HCl 0,10 M | 1,00 | |
| acético 0,10 M | 2,88 |
Cien veces menos protones a la misma concentración. Eso es lo que significa «débil».
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Un tampón, y el mismo ácido echado en agua
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Se prepara una disolución mezclando 50 mL de ácido acético 0,20 M con 50 mL de acetato de sodio 0,20 M.
a) Calcular su pH.
b) Calcular el pH después de añadir 1 mmol de HCl, y compararlo con el que tendría ese mismo HCl disuelto en 100 mL de agua pura.
Dato: del ácido acético .
El pH del tampón, el pH tras añadir el ácido, y la comparación.
- 01
Reconocer el camino
COMP1En el vaso hay a la vez ácido acético y acetato. ¿Qué fórmula toca?
Esa es para cuando solo hay sal, en el punto de equivalencia. Aquí queda ácido sin neutralizar.
Eso es un tampón, y la señal es exactamente esa: los dos presentes a la vez y en cantidades comparables.
En el apartado a) todavía no hay HCl. Y cuando lo haya, no sobrará: el tampón lo absorbe.
Esa vale cuando el ácido está solo. Aquí el acetato ya está en el vaso desde el principio, y desplaza el equilibrio: no se puede suponer que la base conjugada solo viene de la disociación.
- 02
El pH del tampón
COMP2¿Cuál es el pH de la mezcla inicial?
el pH, con dos cifras decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el del ácido acético solo a 0,10 M. La presencia del acetato desplaza el equilibrio hacia la izquierda y sube el pH casi dos unidades.
Que haya ácido y base juntos no significa que se neutralicen a pH 7: no reaccionan entre sí, son la pareja conjugada. El pH lo fija el .
Al mezclar, los dos quedan en 0,010 mol cada uno. En Henderson el cociente puede ir con moles, porque el volumen es el mismo para los dos y se cancela.
Desarrollo
- 03
Y después del ácido
COMP2Tras añadir 1 mmol de HCl al tampón, ¿cuál es el nuevo pH?
el pH, con dos cifras decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el pH que daría ese HCl en 100 mL de agua pura. El tampón está para que no pase eso: la caída real es de 0,08 unidades, no de 4,7.
Has sumado el ácido al lado equivocado. El HCl consume acetato y genera acético, así que el cociente baja y el pH también.
El HCl reacciona con la base conjugada: convierte 1 mmol de acetato en 1 mmol de acético. Rehaz el cociente y vuelve a Henderson.
Desarrollo
En agua pura, ese mismo milimol en 100 mL daría y pH 2,00.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Cambia, poco pero cambia: 0,08 unidades. Un tampón amortigua, no congela.
Y esa distinción importa porque tiene un límite: si sigues añadiendo ácido, llega un momento en que el acetato se agota y entonces el pH se desploma como en el agua. La capacidad amortiguadora es finita, y es máxima justo cuando el cociente vale 1 — que es donde está este tampón.
El razonamiento, en orden
Al mezclar quedan 0,010 mol de acético y 0,010 de acetato, o sea un tampón a partes iguales.
Con el cociente igual a 1, el logaritmo se anula y el pH es el : 4,74.
El HCl añadido convierte 1 mmol de acetato en acético, así que el cociente pasa de 1 a 0,009/0,011.
El pH baja a 4,66: ocho centésimas.
El mismo milimol en agua pura daría pH 2,00, casi cinco unidades por debajo.
Un tampón no fija el pH: lo defiende. Y lo defiende mejor cuanto más cerca esté el cociente de 1.
Resolución completa
a) El tampón. Al mezclar volúmenes iguales de dos disoluciones 0,20 M quedan 0,010 mol de cada uno:
Por qué se puede usar moles en el cociente. Los dos están en el mismo volumen, así que al dividir se cancela. Es la única vez en la asignatura en que eso vale — en , en o en cualquier otra constante hay que pasar a concentración sí o sí.
b) La prueba de para qué sirve. El HCl no se queda como tal: reacciona con el acetato y lo convierte en acético.
Y el mismo milimol en 100 mL de agua pura:
| pH final | caída | |
|---|---|---|
| en el tampón | 4,66 | 0,08 |
| en agua pura | 2,00 | 5,00 |
Sesenta veces menos. Eso es lo que hace un tampón, y por eso la sangre lleva uno —bicarbonato/carbónico— y cualquier reacción biológica se arruinaría sin él.
Y su límite, que es la otra mitad de la idea: el tampón funciona mientras queden los dos. Cuando el acetato se agote, el pH caerá igual que en el agua. La capacidad es máxima con el cociente en 1, que es justo donde se ha preparado este.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Un ácido débil al que diluir le sube el grado de disociación
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una solución 1M de HNO2 tiene un 2% de ácido ionizado. Calcular: a) La concentración de los iones nitrito, de protones y el pH de la solución, b) Si la solución se diluye 10 veces ¿cuál será el grado de disociación y el pH?
Las concentraciones y el pH antes de diluir, y el grado de disociación y el pH después.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El enunciado no da : da el grado de disociación. ¿Sirve para resolver el apartado b?
Ese es el camino. El grado de disociación cambia con la concentración —es lo que el problema quiere que descubras—, pero no. Se saca del apartado a y se reutiliza en el b.
No hace falta ninguna tabla: el 2% del enunciado, junto con la concentración 1 M, determina por completo. Y en el examen no habrá tabla.
El grado no se mantiene: si se mantuviera, el apartado b no tendría nada que calcular. Diluir desplaza el equilibrio hacia la disociación, así que el grado sube.
Esa aproximación es una comodidad de cálculo, no un requisito. Y aquí conviene no usarla a ciegas: al diluir, el 6% que sale ya no es tan despreciable frente al 100%.
- 02
La constante del ácido
COMP2Con la solución 1 M disociada al 2 %, ¿cuánto vale ?
un número en notación científica, como 1,08e-3 — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has puesto un solo ion en el numerador. Se disocian dos especies, el protón y el nitrito, y las dos van multiplicando: el numerador es , no .
Tienes la constante del revés. lleva los productos arriba y el ácido sin disociar abajo; así escrita estarías calculando la constante de la reacción inversa.
, con las tres concentraciones en el equilibrio.
Desarrollo
Si se disocia el 2 % de 1 M, en el equilibrio hay M de cada ion y M de ácido sin disociar:
La aproximación habitual —despreciar lo disociado en el denominador, o sea — daría . Aquí la diferencia es del 2 % y no cambia nada; conviene saber de dónde sale para reconocerla cuando sí importe.
- 03
El pH tras diluir
COMP2Diluida diez veces, la concentración pasa a 0,1 M. ¿Cuál es el pH?
un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has sumado una unidad al pH de partida, como si diluir diez veces multiplicase por diez la dilución de los protones. No funciona con un ácido débil: al diluir, el equilibrio se desplaza y repone parte de los protones perdidos.
Ese es el pH de antes de diluir. Diluir un ácido siempre sube el pH, aunque suba menos de lo que parecería.
Has tomado la concentración inicial, M, como si fuera la de protones, que es tratar el ácido nitroso como si fuera fuerte. Solo se disocia el 6 % de ella: los protones son M.
Resuelve sin despreciar la del denominador.
Desarrollo
Y el grado de disociación es , es decir el 6,2 %.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Eso vale para un ácido fuerte, que ya estaba disociado del todo y no tiene nada más que dar. Un ácido débil tiene reserva sin disociar, y al diluir la usa: los protones bajan solo de 0,02 a 0,0062, un factor de 3,2 y no de 10.
El razonamiento, en orden
Del apartado a sale la constante, que no depende de la concentración: Ka = 0,02 × 0,02 / 0,98 = 4,08 × 10⁻⁴.
Al diluir diez veces la concentración pasa a 0,1 M, y hay que volver a resolver el equilibrio con la misma Ka.
La cantidad de protones baja en términos absolutos, de 0,02 M a 6,19 × 10⁻³ M, así que el pH sube de 1,7 a 2,21.
Pero la fracción disociada sube, del 2 % al 6,2 %: al haber menos moléculas por unidad de volumen, el equilibrio se desplaza hacia los iones.
Resolución completa
a · Lo que hay en la solución 1 M. El ácido nitroso es débil y se disocia según
Disociado el 2 % de 1 M, en el equilibrio hay M de nitrito y M de protones —salen de uno en uno—, y quedan M de ácido entero.
La constante, que es lo que hay que sacar antes de seguir. El grado de disociación depende de la concentración; no. Es el único dato que se puede llevar al apartado b:
b · Al diluir diez veces. La concentración inicial pasa a M y hay que resolver el equilibrio otra vez:
Lo que enseña el problema, y por eso está el primero de la colección. Dos cosas se mueven en sentidos opuestos y las dos son ciertas a la vez:
- hay menos protones que antes —de 0,02 M a 0,0062 M—, así que el pH sube;
- está disociado en mayor proporción —del 2 % al 6,2 %—, porque al separarse las moléculas les cuesta menos volver a juntarse.
Es la ley de dilución de Ostwald, y es el error típico del tema: dar por hecho que diluir «debilita» el ácido en todos los sentidos. Lo debilita en concentración de protones y lo refuerza en grado de disociación.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
El mismo ácido, con y sin su sal al lado
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Calcular el grado de ionización y el pH de: a) Una solución 0,05 M de ácido acético b) De la misma solución a la que se agregan, por litro, 0,05 moles de acetato sódico.
Dato: Ka(CH3-COOH) = 1,77 x 10⁻⁵
El grado de ionización y el pH en los dos casos.
- 01
Reconocer el camino
COMP1En el apartado b se añade acetato sódico, que es una sal soluble del mismo ácido. ¿Qué hace al equilibrio?
Eso es el efecto del ion común. El acetato es uno de los productos del equilibrio, y meter más producto empuja la reacción hacia atrás: se disocia menos ácido y hay menos protones.
«Sal» no significa «inerte». El acetato sódico se disocia por completo y suelta acetato, que es exactamente una de las especies del equilibrio que estamos estudiando.
El Na⁺ es el catión de una base fuerte y no reacciona con nada en disolución: es un espectador. Quien actúa es el acetato.
Añadir soluto no desplaza en una dirección u otra por sí solo: depende de qué soluto. Aquí el que entra está en el lado de los productos, así que el desplazamiento va hacia atrás.
- 02
El grado de ionización sin la sal
COMP2Para la solución 0,05 M de ácido acético sola, ¿cuál es el grado de ionización, en tanto por ciento?
un número, con dos decimales, en tanto por ciento — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el grado en tanto por uno. El enunciado pide tanto por ciento, así que hay que multiplicar por cien.
Parece que has doblado el resultado, o que has usado la concentración de otro apartado. Comprueba que con la de este.
Resuelve y divide la entre .
Desarrollo
Y el pH es .
- 03
El pH con la sal
COMP2Con 0,05 moles de acetato sódico por litro, ¿cuál es el pH?
un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el pH sin la sal. Si el acetato no cambiara nada, el apartado b no existiría: el ion común sube el pH en más de una unidad y tres cuartos.
Has calculado el pOH y lo has dado como pH, o has usado del acetato. La disolución sigue siendo ácida: hay tanto ácido como base conjugada, y el ácido es acético.
Revisa el cociente de Henderson-Hasselbalch. Como las concentraciones de ácido y de sal son iguales, su logaritmo es cero y el pH tiene que salir exactamente .
Ácido y base conjugada a la misma concentración. ¿Cuánto vale entonces ?
Desarrollo
Es una disolución reguladora, y con las dos concentraciones iguales Henderson-Hasselbalch se queda en un solo término:
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
No hay reacción entre el acético y su propio acetato: son las dos caras del mismo equilibrio. El ácido no se consume, sigue ahí entero; lo que pasa es que se disocia menos porque el producto ya está presente. Confundir «se desplaza» con «se consume» es el error clásico de Le Chatelier.
El razonamiento, en orden
Sola, la solución 0,05 M se disocia hasta x = 9,32 × 10⁻⁴ M, o sea un 1,86 %, y da pH = 3,03.
El acetato sódico se disocia por completo y aporta 0,05 M de acetato, que es uno de los productos del equilibrio.
Por el efecto del ion común, el equilibrio retrocede y el ácido se disocia mucho menos: el grado cae a 3,54 × 10⁻² %.
Con ácido y base conjugada a la misma concentración, el pH es exactamente pKa = 4,75.
Resolución completa
a · El ácido solo. Con y M:
b · El ácido con su sal. El acetato sódico es una sal soluble y se disocia del todo, así que aporta M de acetato. El sodio es espectador. Ahora hay a la vez M de ácido y M de su base conjugada, que es la definición de una disolución reguladora.
Y el grado de ionización se desploma: , o sea . Cincuenta veces menos que antes.
Lo que hay que llevarse. El ácido es el mismo y la concentración es la misma; lo único que ha cambiado es que ahora hay producto en el vaso desde el principio. Eso empuja el equilibrio hacia atrás —el efecto del ion común— y el resultado es una disolución que resiste los cambios de pH.
Y un atajo que conviene reconocer al vuelo: cuando ácido y base conjugada están a la misma concentración, el pH es el y no hay nada que calcular. Es el punto medio de una valoración, y en el examen aparece más de una vez.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Una reguladora básica, y el pOH que hay que acordarse de convertir
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Calcular el pH de una solución 0,1 M en amoniaco y 0,05 M en cloruro amónico.
Dato: Kb(NH4OH) = 1,8 x 10⁻⁵
El pH de la disolución reguladora.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué papel juega cada una de las dos especies del enunciado?
Exacto, y por eso esto es una reguladora: hay a la vez una base débil y su ácido conjugado en cantidades comparables. El cloruro se disocia del todo y el ion cloruro es espectador.
No hay neutralización: no se está mezclando un ácido fuerte con una base fuerte, sino una base débil con su propio conjugado. Los dos conviven en equilibrio, y de eso vive una reguladora.
Casi. El ácido conjugado del amoniaco es el amonio, NH₄⁺, que es lo que aporta la sal. El cloruro, Cl⁻, viene de un ácido fuerte y no participa en nada.
El cloruro amónico no es una base: al disolverse suelta NH₄⁺, que es un ácido débil —cede un protón y se convierte en amoniaco—. Los dos no se suman, se compensan.
- 02
El pOH de la mezcla
COMP2Aplicando Henderson-Hasselbalch en su forma básica, ¿cuánto vale el pOH?
un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Tienes el cociente del revés. En la forma básica va , o sea amonio entre amoniaco: , que es menor que uno y resta.
Ese es a secas, que sería el pOH si las dos concentraciones fueran iguales. Aquí hay el doble de base que de ácido, así que el término logarítmico no es cero.
Desarrollo
- 03
El pH
COMP2¿Y el pH de la disolución?
un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el pOH, no el pH. Es el descuido más caro de este tema y el más fácil de detectar: una disolución de amoniaco tiene que salir básica, así que un pH por debajo de 7 es imposible antes de mirar ninguna cuenta.
Sale de invertir el cociente en el paso anterior. Comprueba el pOH antes de convertirlo.
Desarrollo
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
La conclusión es cierta y el camino está al revés. Más base significa más básico, o sea pH mayor, o sea pOH menor. Si el pOH subiera por encima de pKb, el pH bajaría y la disolución sería menos básica. Es el signo del logaritmo lo que hay que vigilar, y por eso conviene comprobar el sentido antes de dar el número.
El razonamiento, en orden
El amoniaco es una base débil y el cloruro amónico aporta su ácido conjugado, el ion amonio: la mezcla es una disolución reguladora.
pKb = −log(1,8 × 10⁻⁵) = 4,74.
Como hay el doble de base que de ácido, el término logarítmico resta 0,30 y el pOH baja a 4,44.
Y el pH es 14 − 4,44 = 9,56, básico, que es lo que cabía esperar de una disolución de amoniaco.
Resolución completa
Qué hay en el vaso. Amoniaco, una base débil, y cloruro amónico, una sal que al disolverse da NH₄⁺ —el ácido conjugado del amoniaco— y Cl⁻, que viene de un ácido fuerte y no hace nada. Base débil más su conjugado en cantidades comparables es la definición de disolución reguladora.
La forma básica de Henderson-Hasselbalch. Es la misma ecuación de siempre, escrita en pOH para no tener que pasar por :
Las dos comprobaciones que evitan los dos errores del problema.
La primera es de signo: hay el doble de base que de ácido, así que la disolución tiene que ser más básica que si estuvieran igualadas. Con las dos iguales el pOH sería ; aquí sale menor, , y por tanto el pH sale mayor. Cuadra.
La segunda es de magnitud: es amoniaco, así que el pH tiene que pasar de 7. Si te sale 4,44 no has hecho mal la cuenta, has olvidado convertir el pOH — y eso se ve sin repasar nada.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Una valoración cuyo punto de equivalencia no está en pH 7
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Se dispone en el laboratorio de un vaso que contiene 30 mL de ácido hipocloroso 0,1 M ¿Cuál será su pH?
Si se realiza una valoración de este ácido con hidróxido sódico 0,2 M, calcular: a) el volumen en el punto de equivalencia y b) el pH en el punto de equivalencia.
Dato: Ka (HClO) = 3,0 x 10⁻⁸
El pH inicial, el volumen de sosa en el punto de equivalencia y el pH en ese punto.
- 01
Reconocer el camino
COMP1En el punto de equivalencia se ha gastado exactamente la sosa necesaria. ¿Qué queda en el vaso?
El punto de equivalencia es exactamente donde no queda nada del ácido de partida: los moles de sosa igualan a los del ácido. Si quedara ácido, no sería el punto de equivalencia.
Eso es lo que este problema existe para enseñar. Todo el ácido se ha convertido en su base conjugada, y una base débil en agua da pH básico. El punto de equivalencia de un ácido débil no está en 7.
Eso pasa después del punto de equivalencia, cuando sigues añadiendo sosa. En el punto justo no hay exceso de ninguno de los dos.
Sería así valorando un ácido fuerte: su base conjugada es tan débil que no hace nada. El hipoclorito, en cambio, viene de un ácido con , o sea muy débil, y su conjugada es apreciablemente básica.
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El volumen de sosa
COMP2¿Qué volumen de NaOH 0,2 M hace falta hasta el punto de equivalencia, en mililitros?
un número entero, en mililitros — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el volumen de ácido. La sosa está al doble de concentración, así que hace falta la mitad de volumen para aportar los mismos moles.
Has multiplicado por dos en vez de dividir. Fíjate en cuál de las dos disoluciones está más concentrada: la que más concentrada esté es la que menos volumen necesita.
Eso son los milimoles de ácido, que es el paso intermedio. Falta dividirlos entre la concentración de la sosa.
Iguala milimoles. .
Desarrollo
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El pH en el punto de equivalencia
COMP2En el punto de equivalencia todo el ácido es hipoclorito, repartido en los 45 mL totales. ¿Cuál es el pH?
un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Es la respuesta que sale de suponer que toda valoración termina en pH neutro. Solo vale cuando el ácido y la base son los dos fuertes; aquí la base conjugada que queda hidroliza y sube el pH tres unidades por encima.
Ese es el pOH. La disolución es básica, así que el pH tiene que quedar por encima de 7.
Ese es el pH inicial, antes de añadir nada de sosa. Al terminar la valoración ya no queda ácido en el vaso.
Calcula del hipoclorito con , y no olvides que el volumen ahora es 45 mL.
Desarrollo
La concentración de hipoclorito, ya diluida en los 45 mL:
Su constante básica:
Y la hidrólisis:
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Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Neutralizar no es lo mismo que quedar neutro. En el punto de equivalencia las cantidades se igualan, sí, pero lo que queda en el vaso es la base conjugada del ácido — y si el ácido era débil, su conjugada no lo es tanto y sube el pH. Solo con ácido y base fuertes el punto de equivalencia cae en 7.
El razonamiento, en orden
Al principio hay ácido débil solo, y el pH sale de √(Ka · C) = √(3,0 × 10⁻⁸ × 0,1), o sea pH = 4,26.
El punto de equivalencia iguala milimoles: 30 × 0,1 = V × 0,2, así que V = 15 mL.
Ahí todo el ácido se ha convertido en hipoclorito, y hay que rediluirlo en los 45 mL totales, lo que da 0,0667 M.
El hipoclorito hidroliza con Kb = 10⁻¹⁴ / Ka = 3,33 × 10⁻⁷, y de ahí sale pOH = 3,83 y pH = 10,17.
Resolución completa
El pH de partida. Ácido débil solo, con y M. Con una constante tan pequeña la aproximación es holgada:
a · El volumen del punto de equivalencia. Se igualan milimoles, no volúmenes ni concentraciones:
b · El pH en ese punto, que es lo que el problema quiere enseñar. No queda ácido: todo se ha convertido en hipoclorito. Y hay dos cosas que se olvidan, las dos por prisa.
La primera es rediluir. Los 3 mmol están ahora en mL, no en 30:
La segunda es que el hipoclorito hidroliza. Es la base conjugada de un ácido muy débil, así que su no es despreciable:
La regla que sale de aquí, y vale para todas las valoraciones. El punto de equivalencia no está en 7 salvo que ácido y base sean los dos fuertes. Lo que hay que preguntarse es qué queda en el vaso:
| se valora | queda | pH del punto |
|---|---|---|
| ácido fuerte con base fuerte | sal inerte | 7 |
| ácido débil con base fuerte | su base conjugada | mayor que 7 |
| base débil con ácido fuerte | su ácido conjugado | menor que 7 |
Aquí el pH sube más de tres unidades por encima de 7, y no es un caso raro: cuanto más débil sea el ácido, más básico será su punto de equivalencia.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.