Saltar al contenido
Road to IngenieríaFundamentos Químicos de la Ingeniería · tema 09

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.

Los 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:

naˊcido=VaManbase=VbMbn_{\text{ácido}} = V_a\,M_a \qquad n_{\text{base}} = V_b\,M_b

y compáralas. El resultado te dice en cuál de los tres regímenes estás, y con eso está decidido el 80 % del ejercicio:

situaciónqué queda en el vasoqué fórmula
falta baseácido sin neutralizar y su saltampón — Henderson
justo igualessolo la salhidrólisis — Kb=Kw/KaK_b = K_w/K_a
sobra basela sal y base fuerte de sobramanda 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 [A]/[HA][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}] 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

Ka=x2Cxcon x=[H+]K_a = \frac{x^{2}}{C-x} \qquad\text{con } x = [\mathrm{H^+}]

Y el grado de ionización es la fracción que se ha disociado, α=x/C\alpha = x/C. 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 xx del denominador funciona cuando C/Ka>100C/K_a > 100, 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:

pH=pKa+log[A][HA]\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}

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, [A]=[HA][\mathrm{A^-}] = [\mathrm{HA}] y pH=pKa\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a 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.

Kb=KwKa[OH]=KbCK_b = \frac{K_w}{K_a} \qquad [\mathrm{OH^-}] = \sqrt{K_b\,C}

Con el lactato sale pH=8,84\mathrm{pH} = 8{,}84, 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

  1. Moles de ácido y de base. Comparar.
  2. Según quién sobre, elegir régimen.
  3. Recalcular el volumen total — es la suma de los dos.
  4. Aplicar la fórmula del régimen.
  5. Comprobar que el pH tiene sentido: ácido débil solo, entre 1 y 4; tampón, cerca del pKa\mathrm{p}K_a; 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 pKa\mathrm{p}K_a de 3,86, algo está mal antes.

Los cuatro regímenes de una valoración de ácido débil con base fuerteCurva de pH frente al volumen de base añadida al valorar un ácido débil con una base fuerte. Empieza baja, en la zona del ácido débil solo. Sube despacio por la zona tampón, donde a mitad de camino el pH es igual al pKa. Da un salto vertical en el punto de equivalencia, que queda por encima de pH 7 porque lo que hay en el vaso es la base conjugada. Y después se aplana arriba, en la zona donde manda el exceso de base fuerte. Cada tramo se resuelve con una fórmula distinta.mL de base añadidospH7½ V eqaquí el pH vale pKaV eqpor encima de 71 · ácido solo2 · tampón3 · equivalencia4 · exceso de basecada tramo, su fórmula

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 →

nivel: ejemploEjemplo introductorio · Road to Ingeniería. No es de examen ni de los problemas propuestos de la asignatura.

Un ácido débil al 1 %, y el pH que no es 1

paso 1 de 4

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: Ka=1,8105K_a = 1{,}8\cdot 10^{-5}.

El pH de la disolución y el porcentaje de ácido que se ha disociado.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    Si el ácido fuera fuerte, el pH sería 1,00. ¿Por qué no lo es?

  2. 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…
  3. 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…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: ejemploEjemplo introductorio · Road to Ingeniería. No es de examen ni de los problemas propuestos de la asignatura.

Un tampón, y el mismo ácido echado en agua

paso 1 de 4

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: KaK_a del ácido acético =1,8105= 1{,}8\cdot 10^{-5}.

El pH del tampón, el pH tras añadir el ácido, y la comparación.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    En el vaso hay a la vez ácido acético y acetato. ¿Qué fórmula toca?

  2. 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…
  3. 03

    Y después del ácido

    COMP2

    Tras 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…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 1 · Problemas propuestos del tema 9, Equilibrio ácido-base · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

Un ácido débil al que diluir le sube el grado de disociación

paso 1 de 4

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.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    El enunciado no da KaK_a: da el grado de disociación. ¿Sirve para resolver el apartado b?

  2. 02

    La constante del ácido

    COMP2

    Con la solución 1 M disociada al 2 %, ¿cuánto vale KaK_a?

    un número en notación científica, como 1,08e-3 — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  3. 03

    El pH tras diluir

    COMP2

    Diluida 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…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 6 · Problemas propuestos del tema 9, Equilibrio ácido-base · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

El mismo ácido, con y sin su sal al lado

paso 1 de 4

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.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    En el apartado b se añade acetato sódico, que es una sal soluble del mismo ácido. ¿Qué hace al equilibrio?

  2. 02

    El grado de ionización sin la sal

    COMP2

    Para 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…
  3. 03

    El pH con la sal

    COMP2

    Con 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…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 7 · Problemas propuestos del tema 9, Equilibrio ácido-base · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

Una reguladora básica, y el pOH que hay que acordarse de convertir

paso 1 de 4

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.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    ¿Qué papel juega cada una de las dos especies del enunciado?

  2. 02

    El pOH de la mezcla

    COMP2

    Aplicando 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…
  3. 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…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 11 · Problemas propuestos del tema 9, Equilibrio ácido-base · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

Una valoración cuyo punto de equivalencia no está en pH 7

paso 1 de 4

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.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    En el punto de equivalencia se ha gastado exactamente la sosa necesaria. ¿Qué queda en el vaso?

  2. 02

    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…
  3. 03

    El pH en el punto de equivalencia

    COMP2

    En 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…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

Entrena COMP1 · COMP2 · COMP4

Adaptado del Tema 9 y de los problemas propuestos de Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975) · Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa, UPV/EHU