equilibrios de disoluciones de electrolitos · 1 equilibrios de disoluciones de electrolitos...
TRANSCRIPT
1
EQUILIBRIOS DE DISOLUCIONES DE ELECTROLITOS
Electrolitos
Electrolitos son las sustancias que originan iones libres al disolverse en agua La mayor
parte de los compuestos ioacutenicos (que tienen como enlace principal un enlace ioacutenico) se
disuelven en sustancias polares como el agua Este proceso de disolucioacuten conlleva que
las moleacuteculas de agua se interponen entre los iones que forman el compuesto separaacutendo
los cationes (iones positivos) de los aniones (iones negativos) Por tanto las
disoluciones de este tipo de sustancias electrolitos conducen la corriente eleacutectrica los
aniones se desplazan al polo positivo del generador (pila por ejemplo) y los cationes al
polo negativo
No Electrolito son aquellas sustancias que en disolucioacuten acuosa mantienen su
integridad como moleacutecula No electrolitos son la sacarosa el etanol el oxiacutegen
o gaseoso y el monoacutexido de carbono entre otros
Los electrolitos se clasifican en fuertes y deacutebiles
Se denominan Electrolitos fuertes a aquellos que se disocian completamente en
disolucioacuten acuosa es decir aquellos que tienen elevada concentracioacuten (cantidad) de
iones al disolverse Seraacuten muy buenos conductores de la electricidad Ejemplo todas las
sales aacutecidos y bases fuertes
Se denominan Electrolitos deacutebiles a aquellos que se disocian poco en disolucioacuten es
decir aquellos que tienen Baja concentracioacuten (poca cantidad) de iones al disolverse(en
solucioacuten)Ej Aacutecidos u bases deacutebiles
Existen distintas teoriacuteas para definir un acido y una base
Definicioacuten de Arrhenius de aacutecidos y bases Esta observacioacuten fue dada a conocer
por el quiacutemico sueco Svante Arrhenius (1859-1927) a finales del siglo XIX
1 Seguacuten Arrhenius se denominan aacutecidos a aquellos electrolitos (sustancias que se
disuelven en agua formando iones) que disueltos producen iones H+ (ion
hidroacutegeno) Por tanto dichas sustancias aacutecidos disueltos dariacutean un anioacuten y el
catioacuten H+
Ejemplos de aacutecidos en disolucioacuten
HCl rarr Cl- + H
+
H2SO4 rarr SO42-
+ 2 H+
HNO3 rarr NO3- + H
+
2 Seguacuten Arrhenius se denominan bases a aquellos electrolitos (sustancias que se
disuelven formando iones) que disueltos producen iones OH- (ion hidroxilo)
2
Por tanto dichas sustancias bases disueltos dariacutean un anioacuten (OH-) y un catioacuten
(un metal)
Ejemplos de bases en disolucioacuten
NaOH rarr Na+ + OH
-
Al(OH)3 rarr Al3+
+ 3 OH-
Una limitacioacuten de la teoriacutea de Arrhenius sobre los aacutecidos y las bases es el hecho de que en ella no se
considera el efecto del solvente en el proceso de ionizacioacuten
Propiedades y manipulacioacuten de aacutecidos y bases
1 Propiedades de los aacutecidos
Conducen la corriente eleacutectrica cuando estaacuten disueltos en agua
Algunos metales (Zn Mg) reaccionan con los aacutecidos desprendiendo
hidroacutegeno (H2)
Presentan sabor agrio el denominado sabor aacutecido(1)
Reaccionan con el maacutermol desprendiendo CO2
Modifican el color de las sustancias denominadas indicadores (ver maacutes
adelante)
2 Propiedades de las bases
Conducen la corriente eleacutectrica cuando estaacuten disueltos en agua
Tienen sabor amargo (1)
y son untuosas al tacto (1)
Reaccionan con los aacutecidos produciendo sustancias totalmente diferentes (bases)
Modifican el color de las sustancias denominadas indicadores (ver maacutes
adelante)
Precauciones en la manipulacioacuten de los aacutecidos y de las bases Al ser muchas de ellas
bastante peligrosas han de mostrarse determinadas precauciones cuando se
manipulan Su ingestioacuten o el contacto con el cuerpo pueden producir graves
quemaduras (depende de la sustancia y de la concentracioacuten de la misma) Medidas a
tomar
Evitar respirar los vapores si se quiere comprobar el olor se debe echar hacia la
nariz con la mano y a cierta distancia nunca poniendo la nariz encima del
frasco
No derramarlos sobre piel ojos o ropas Llevar guantes gafas y bata para
protegerse
No mezclarlos con ninguna sustancia a menos que sepamos que sucederaacute
Seguir las normas del fabricante
En caso de contacto lavar con abundante agua la zona afectada y acudir al
meacutedico si la gravedad lo requiere
3
En caso de ingestioacuten accidental se debe acudir al centro hospitalario o llamar al
teleacutefono que viene en los envases de productos de limpieza indicando la marca
composicioacuten del producto ingerido
Los aacutecidos se pueden neutralizar en suelo y ropa con cal carbonato de sodio o
cenizas La arena o tierra puede servir para retener y absorber parte de los
mismos
Sal Es un electrolito que se forma en el proceso de
neutralizacioacuten
Teoriacutea de Bronsted y Lowry
Teoriacutea de Broumlnsted ndash Lowry La teoriacutea de Arrhenius aunque supuso un notable
avance en su tiempo tiene el inconveniente de que no incluya compuestos que aunque
se comportan como aacutecidos o bases no encajan en su definicioacuten Los quiacutemicos
Johannes Broumlnsted (1879-1947) y Thomas Lowry (1874-1936) propusieron una teoriacutea
aplicable a todos los aacutecidos y bases conocidas La teoriacutea de Broumlnsted - Lowry establece
que
Un aacutecido es toda sustancia capaz de ceder uno o maacutes protones
Una base es toda sustancia capaz de aceptarlos
Esta teoriacutea tiene una consecuencia importante soacutelo se puede hablar de aacutecido si hay
presente una base y viceversa
La neutralizacioacuten de acuerdo con esto es una reaccioacuten que
implica una transferencia de protones En este proceso se
4
pueden o no formar sales Estas relaciones se pueden
representar asiacute
El ion hidroacutegeno es un protoacuten que en solucioacuten acuosa se hidrata y se convierte en el ion
hidronio (H3O+) tal como se muestra en la siguiente ecuacioacuten
Sin embargo por simplicidad se debe usar la forma simplificada H+
(ac) entendiendo que
existe una forma hidratada
Seguacuten Broumlnsted y Lowry los aacutecidos al donar un protoacuten dan origen a una base
conjugada es decir a una especie que es capaz de volver a captar el protoacuten y formar el
aacutecido inicial Lo mismo puede decirse de las bases al aceptar eacutestas un protoacuten dan
origen a un aacutecido conjugado especie que puede donar el protoacuten y originar nuevamente
la base inicial
La accioacuten de aacutecido y base se formula del modo siguiente
Acido base conjugada + H+
Base + H+ aacutecido conjugado
La reaccioacuten de neutralizacioacuten corresponde al proceso
aacutecido1 + base2 base conjugada1 + aacutecido conjugado2
Acido
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl-
a1 b2 a1 b2
Par aacutecido-base conjugado
5
NH3+ H2O rarr NH4+ + OH
-
b1 a2 a1 b2
Par base ndash acido conjugado
El agua es anfoacutetera puede actuar como aacutecido o como
base Cuanto maacutes fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es la
base conjugada
Teoriacutea de Lewis Aacutecidos y bases seguacuten Lewis
Aacutecido es una sustancia que puede formar un enlace covalente aceptando un par de electrones de una base
Base es una sustancia que posee un par de electrones sin compartir con el cual se
puede formar un enlace covalente con un aacutetomo una moleacutecula o un ion
Un ejemplo del concepto de Lewis pueden ser los siguientes
acido Base
H3N + BF3 H3N-BF3
Base acido
Fortaleza de los aacutecidos y bases
Aacutecidos Fuertes
Son electrolitos fuertes totalmente ionizados en solucioacuten
AH rarr A- + H+
HNO3(aq) + H2O(l) NO3-(aq) +H3O+(aq)
6
A1 b2 b1 a2
bull HCl bull HClO3 bull HBr bull HClO4bull HI bull H2SO4bull HNO3
La mayoriacutea de los hidroacutexidos ioacutenicos son bases fuertes (pej NaOH KOH RbOH
CsOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 Ba(OH)2
Generalizando Aacutecidos y bases fuertes generan pares
conjugados deacutebiles incapaces de reaccionar con agua y
regenerar la especie que le dio origen
Aacutecidos deacutebiles bull Parcialmente ionizados en solucioacuten
HA(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + A-(aq)
Los aacutecidos y bases deacutebiles generan pares conjugados fuertes capaces de
regenerar la especie que le dio origen Establecieacutendose un equilibrio en
disolucioacuten acuosa caracterizado por una Kequil como se trata de un acido
se la llama ka
Ka [H] [A
- ] TABULADA PARA CADA ACIDO DEBIL
[HA]
A gt Ka rarr maacutes fuerte es el aacutecido
EJ TODOS LOS ACIDOS ORGANICOS Acido Acetico
CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO-
Ka [H] [CH3COO
- ] x
[CH3-COOH]
Un acido fuerte la constante es infinitaEj
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl
-
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
2
Por tanto dichas sustancias bases disueltos dariacutean un anioacuten (OH-) y un catioacuten
(un metal)
Ejemplos de bases en disolucioacuten
NaOH rarr Na+ + OH
-
Al(OH)3 rarr Al3+
+ 3 OH-
Una limitacioacuten de la teoriacutea de Arrhenius sobre los aacutecidos y las bases es el hecho de que en ella no se
considera el efecto del solvente en el proceso de ionizacioacuten
Propiedades y manipulacioacuten de aacutecidos y bases
1 Propiedades de los aacutecidos
Conducen la corriente eleacutectrica cuando estaacuten disueltos en agua
Algunos metales (Zn Mg) reaccionan con los aacutecidos desprendiendo
hidroacutegeno (H2)
Presentan sabor agrio el denominado sabor aacutecido(1)
Reaccionan con el maacutermol desprendiendo CO2
Modifican el color de las sustancias denominadas indicadores (ver maacutes
adelante)
2 Propiedades de las bases
Conducen la corriente eleacutectrica cuando estaacuten disueltos en agua
Tienen sabor amargo (1)
y son untuosas al tacto (1)
Reaccionan con los aacutecidos produciendo sustancias totalmente diferentes (bases)
Modifican el color de las sustancias denominadas indicadores (ver maacutes
adelante)
Precauciones en la manipulacioacuten de los aacutecidos y de las bases Al ser muchas de ellas
bastante peligrosas han de mostrarse determinadas precauciones cuando se
manipulan Su ingestioacuten o el contacto con el cuerpo pueden producir graves
quemaduras (depende de la sustancia y de la concentracioacuten de la misma) Medidas a
tomar
Evitar respirar los vapores si se quiere comprobar el olor se debe echar hacia la
nariz con la mano y a cierta distancia nunca poniendo la nariz encima del
frasco
No derramarlos sobre piel ojos o ropas Llevar guantes gafas y bata para
protegerse
No mezclarlos con ninguna sustancia a menos que sepamos que sucederaacute
Seguir las normas del fabricante
En caso de contacto lavar con abundante agua la zona afectada y acudir al
meacutedico si la gravedad lo requiere
3
En caso de ingestioacuten accidental se debe acudir al centro hospitalario o llamar al
teleacutefono que viene en los envases de productos de limpieza indicando la marca
composicioacuten del producto ingerido
Los aacutecidos se pueden neutralizar en suelo y ropa con cal carbonato de sodio o
cenizas La arena o tierra puede servir para retener y absorber parte de los
mismos
Sal Es un electrolito que se forma en el proceso de
neutralizacioacuten
Teoriacutea de Bronsted y Lowry
Teoriacutea de Broumlnsted ndash Lowry La teoriacutea de Arrhenius aunque supuso un notable
avance en su tiempo tiene el inconveniente de que no incluya compuestos que aunque
se comportan como aacutecidos o bases no encajan en su definicioacuten Los quiacutemicos
Johannes Broumlnsted (1879-1947) y Thomas Lowry (1874-1936) propusieron una teoriacutea
aplicable a todos los aacutecidos y bases conocidas La teoriacutea de Broumlnsted - Lowry establece
que
Un aacutecido es toda sustancia capaz de ceder uno o maacutes protones
Una base es toda sustancia capaz de aceptarlos
Esta teoriacutea tiene una consecuencia importante soacutelo se puede hablar de aacutecido si hay
presente una base y viceversa
La neutralizacioacuten de acuerdo con esto es una reaccioacuten que
implica una transferencia de protones En este proceso se
4
pueden o no formar sales Estas relaciones se pueden
representar asiacute
El ion hidroacutegeno es un protoacuten que en solucioacuten acuosa se hidrata y se convierte en el ion
hidronio (H3O+) tal como se muestra en la siguiente ecuacioacuten
Sin embargo por simplicidad se debe usar la forma simplificada H+
(ac) entendiendo que
existe una forma hidratada
Seguacuten Broumlnsted y Lowry los aacutecidos al donar un protoacuten dan origen a una base
conjugada es decir a una especie que es capaz de volver a captar el protoacuten y formar el
aacutecido inicial Lo mismo puede decirse de las bases al aceptar eacutestas un protoacuten dan
origen a un aacutecido conjugado especie que puede donar el protoacuten y originar nuevamente
la base inicial
La accioacuten de aacutecido y base se formula del modo siguiente
Acido base conjugada + H+
Base + H+ aacutecido conjugado
La reaccioacuten de neutralizacioacuten corresponde al proceso
aacutecido1 + base2 base conjugada1 + aacutecido conjugado2
Acido
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl-
a1 b2 a1 b2
Par aacutecido-base conjugado
5
NH3+ H2O rarr NH4+ + OH
-
b1 a2 a1 b2
Par base ndash acido conjugado
El agua es anfoacutetera puede actuar como aacutecido o como
base Cuanto maacutes fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es la
base conjugada
Teoriacutea de Lewis Aacutecidos y bases seguacuten Lewis
Aacutecido es una sustancia que puede formar un enlace covalente aceptando un par de electrones de una base
Base es una sustancia que posee un par de electrones sin compartir con el cual se
puede formar un enlace covalente con un aacutetomo una moleacutecula o un ion
Un ejemplo del concepto de Lewis pueden ser los siguientes
acido Base
H3N + BF3 H3N-BF3
Base acido
Fortaleza de los aacutecidos y bases
Aacutecidos Fuertes
Son electrolitos fuertes totalmente ionizados en solucioacuten
AH rarr A- + H+
HNO3(aq) + H2O(l) NO3-(aq) +H3O+(aq)
6
A1 b2 b1 a2
bull HCl bull HClO3 bull HBr bull HClO4bull HI bull H2SO4bull HNO3
La mayoriacutea de los hidroacutexidos ioacutenicos son bases fuertes (pej NaOH KOH RbOH
CsOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 Ba(OH)2
Generalizando Aacutecidos y bases fuertes generan pares
conjugados deacutebiles incapaces de reaccionar con agua y
regenerar la especie que le dio origen
Aacutecidos deacutebiles bull Parcialmente ionizados en solucioacuten
HA(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + A-(aq)
Los aacutecidos y bases deacutebiles generan pares conjugados fuertes capaces de
regenerar la especie que le dio origen Establecieacutendose un equilibrio en
disolucioacuten acuosa caracterizado por una Kequil como se trata de un acido
se la llama ka
Ka [H] [A
- ] TABULADA PARA CADA ACIDO DEBIL
[HA]
A gt Ka rarr maacutes fuerte es el aacutecido
EJ TODOS LOS ACIDOS ORGANICOS Acido Acetico
CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO-
Ka [H] [CH3COO
- ] x
[CH3-COOH]
Un acido fuerte la constante es infinitaEj
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl
-
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
3
En caso de ingestioacuten accidental se debe acudir al centro hospitalario o llamar al
teleacutefono que viene en los envases de productos de limpieza indicando la marca
composicioacuten del producto ingerido
Los aacutecidos se pueden neutralizar en suelo y ropa con cal carbonato de sodio o
cenizas La arena o tierra puede servir para retener y absorber parte de los
mismos
Sal Es un electrolito que se forma en el proceso de
neutralizacioacuten
Teoriacutea de Bronsted y Lowry
Teoriacutea de Broumlnsted ndash Lowry La teoriacutea de Arrhenius aunque supuso un notable
avance en su tiempo tiene el inconveniente de que no incluya compuestos que aunque
se comportan como aacutecidos o bases no encajan en su definicioacuten Los quiacutemicos
Johannes Broumlnsted (1879-1947) y Thomas Lowry (1874-1936) propusieron una teoriacutea
aplicable a todos los aacutecidos y bases conocidas La teoriacutea de Broumlnsted - Lowry establece
que
Un aacutecido es toda sustancia capaz de ceder uno o maacutes protones
Una base es toda sustancia capaz de aceptarlos
Esta teoriacutea tiene una consecuencia importante soacutelo se puede hablar de aacutecido si hay
presente una base y viceversa
La neutralizacioacuten de acuerdo con esto es una reaccioacuten que
implica una transferencia de protones En este proceso se
4
pueden o no formar sales Estas relaciones se pueden
representar asiacute
El ion hidroacutegeno es un protoacuten que en solucioacuten acuosa se hidrata y se convierte en el ion
hidronio (H3O+) tal como se muestra en la siguiente ecuacioacuten
Sin embargo por simplicidad se debe usar la forma simplificada H+
(ac) entendiendo que
existe una forma hidratada
Seguacuten Broumlnsted y Lowry los aacutecidos al donar un protoacuten dan origen a una base
conjugada es decir a una especie que es capaz de volver a captar el protoacuten y formar el
aacutecido inicial Lo mismo puede decirse de las bases al aceptar eacutestas un protoacuten dan
origen a un aacutecido conjugado especie que puede donar el protoacuten y originar nuevamente
la base inicial
La accioacuten de aacutecido y base se formula del modo siguiente
Acido base conjugada + H+
Base + H+ aacutecido conjugado
La reaccioacuten de neutralizacioacuten corresponde al proceso
aacutecido1 + base2 base conjugada1 + aacutecido conjugado2
Acido
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl-
a1 b2 a1 b2
Par aacutecido-base conjugado
5
NH3+ H2O rarr NH4+ + OH
-
b1 a2 a1 b2
Par base ndash acido conjugado
El agua es anfoacutetera puede actuar como aacutecido o como
base Cuanto maacutes fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es la
base conjugada
Teoriacutea de Lewis Aacutecidos y bases seguacuten Lewis
Aacutecido es una sustancia que puede formar un enlace covalente aceptando un par de electrones de una base
Base es una sustancia que posee un par de electrones sin compartir con el cual se
puede formar un enlace covalente con un aacutetomo una moleacutecula o un ion
Un ejemplo del concepto de Lewis pueden ser los siguientes
acido Base
H3N + BF3 H3N-BF3
Base acido
Fortaleza de los aacutecidos y bases
Aacutecidos Fuertes
Son electrolitos fuertes totalmente ionizados en solucioacuten
AH rarr A- + H+
HNO3(aq) + H2O(l) NO3-(aq) +H3O+(aq)
6
A1 b2 b1 a2
bull HCl bull HClO3 bull HBr bull HClO4bull HI bull H2SO4bull HNO3
La mayoriacutea de los hidroacutexidos ioacutenicos son bases fuertes (pej NaOH KOH RbOH
CsOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 Ba(OH)2
Generalizando Aacutecidos y bases fuertes generan pares
conjugados deacutebiles incapaces de reaccionar con agua y
regenerar la especie que le dio origen
Aacutecidos deacutebiles bull Parcialmente ionizados en solucioacuten
HA(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + A-(aq)
Los aacutecidos y bases deacutebiles generan pares conjugados fuertes capaces de
regenerar la especie que le dio origen Establecieacutendose un equilibrio en
disolucioacuten acuosa caracterizado por una Kequil como se trata de un acido
se la llama ka
Ka [H] [A
- ] TABULADA PARA CADA ACIDO DEBIL
[HA]
A gt Ka rarr maacutes fuerte es el aacutecido
EJ TODOS LOS ACIDOS ORGANICOS Acido Acetico
CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO-
Ka [H] [CH3COO
- ] x
[CH3-COOH]
Un acido fuerte la constante es infinitaEj
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl
-
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
4
pueden o no formar sales Estas relaciones se pueden
representar asiacute
El ion hidroacutegeno es un protoacuten que en solucioacuten acuosa se hidrata y se convierte en el ion
hidronio (H3O+) tal como se muestra en la siguiente ecuacioacuten
Sin embargo por simplicidad se debe usar la forma simplificada H+
(ac) entendiendo que
existe una forma hidratada
Seguacuten Broumlnsted y Lowry los aacutecidos al donar un protoacuten dan origen a una base
conjugada es decir a una especie que es capaz de volver a captar el protoacuten y formar el
aacutecido inicial Lo mismo puede decirse de las bases al aceptar eacutestas un protoacuten dan
origen a un aacutecido conjugado especie que puede donar el protoacuten y originar nuevamente
la base inicial
La accioacuten de aacutecido y base se formula del modo siguiente
Acido base conjugada + H+
Base + H+ aacutecido conjugado
La reaccioacuten de neutralizacioacuten corresponde al proceso
aacutecido1 + base2 base conjugada1 + aacutecido conjugado2
Acido
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl-
a1 b2 a1 b2
Par aacutecido-base conjugado
5
NH3+ H2O rarr NH4+ + OH
-
b1 a2 a1 b2
Par base ndash acido conjugado
El agua es anfoacutetera puede actuar como aacutecido o como
base Cuanto maacutes fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es la
base conjugada
Teoriacutea de Lewis Aacutecidos y bases seguacuten Lewis
Aacutecido es una sustancia que puede formar un enlace covalente aceptando un par de electrones de una base
Base es una sustancia que posee un par de electrones sin compartir con el cual se
puede formar un enlace covalente con un aacutetomo una moleacutecula o un ion
Un ejemplo del concepto de Lewis pueden ser los siguientes
acido Base
H3N + BF3 H3N-BF3
Base acido
Fortaleza de los aacutecidos y bases
Aacutecidos Fuertes
Son electrolitos fuertes totalmente ionizados en solucioacuten
AH rarr A- + H+
HNO3(aq) + H2O(l) NO3-(aq) +H3O+(aq)
6
A1 b2 b1 a2
bull HCl bull HClO3 bull HBr bull HClO4bull HI bull H2SO4bull HNO3
La mayoriacutea de los hidroacutexidos ioacutenicos son bases fuertes (pej NaOH KOH RbOH
CsOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 Ba(OH)2
Generalizando Aacutecidos y bases fuertes generan pares
conjugados deacutebiles incapaces de reaccionar con agua y
regenerar la especie que le dio origen
Aacutecidos deacutebiles bull Parcialmente ionizados en solucioacuten
HA(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + A-(aq)
Los aacutecidos y bases deacutebiles generan pares conjugados fuertes capaces de
regenerar la especie que le dio origen Establecieacutendose un equilibrio en
disolucioacuten acuosa caracterizado por una Kequil como se trata de un acido
se la llama ka
Ka [H] [A
- ] TABULADA PARA CADA ACIDO DEBIL
[HA]
A gt Ka rarr maacutes fuerte es el aacutecido
EJ TODOS LOS ACIDOS ORGANICOS Acido Acetico
CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO-
Ka [H] [CH3COO
- ] x
[CH3-COOH]
Un acido fuerte la constante es infinitaEj
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl
-
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
5
NH3+ H2O rarr NH4+ + OH
-
b1 a2 a1 b2
Par base ndash acido conjugado
El agua es anfoacutetera puede actuar como aacutecido o como
base Cuanto maacutes fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es la
base conjugada
Teoriacutea de Lewis Aacutecidos y bases seguacuten Lewis
Aacutecido es una sustancia que puede formar un enlace covalente aceptando un par de electrones de una base
Base es una sustancia que posee un par de electrones sin compartir con el cual se
puede formar un enlace covalente con un aacutetomo una moleacutecula o un ion
Un ejemplo del concepto de Lewis pueden ser los siguientes
acido Base
H3N + BF3 H3N-BF3
Base acido
Fortaleza de los aacutecidos y bases
Aacutecidos Fuertes
Son electrolitos fuertes totalmente ionizados en solucioacuten
AH rarr A- + H+
HNO3(aq) + H2O(l) NO3-(aq) +H3O+(aq)
6
A1 b2 b1 a2
bull HCl bull HClO3 bull HBr bull HClO4bull HI bull H2SO4bull HNO3
La mayoriacutea de los hidroacutexidos ioacutenicos son bases fuertes (pej NaOH KOH RbOH
CsOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 Ba(OH)2
Generalizando Aacutecidos y bases fuertes generan pares
conjugados deacutebiles incapaces de reaccionar con agua y
regenerar la especie que le dio origen
Aacutecidos deacutebiles bull Parcialmente ionizados en solucioacuten
HA(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + A-(aq)
Los aacutecidos y bases deacutebiles generan pares conjugados fuertes capaces de
regenerar la especie que le dio origen Establecieacutendose un equilibrio en
disolucioacuten acuosa caracterizado por una Kequil como se trata de un acido
se la llama ka
Ka [H] [A
- ] TABULADA PARA CADA ACIDO DEBIL
[HA]
A gt Ka rarr maacutes fuerte es el aacutecido
EJ TODOS LOS ACIDOS ORGANICOS Acido Acetico
CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO-
Ka [H] [CH3COO
- ] x
[CH3-COOH]
Un acido fuerte la constante es infinitaEj
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl
-
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
6
A1 b2 b1 a2
bull HCl bull HClO3 bull HBr bull HClO4bull HI bull H2SO4bull HNO3
La mayoriacutea de los hidroacutexidos ioacutenicos son bases fuertes (pej NaOH KOH RbOH
CsOH Ca(OH)2 Mg(OH)2 Ba(OH)2
Generalizando Aacutecidos y bases fuertes generan pares
conjugados deacutebiles incapaces de reaccionar con agua y
regenerar la especie que le dio origen
Aacutecidos deacutebiles bull Parcialmente ionizados en solucioacuten
HA(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + A-(aq)
Los aacutecidos y bases deacutebiles generan pares conjugados fuertes capaces de
regenerar la especie que le dio origen Establecieacutendose un equilibrio en
disolucioacuten acuosa caracterizado por una Kequil como se trata de un acido
se la llama ka
Ka [H] [A
- ] TABULADA PARA CADA ACIDO DEBIL
[HA]
A gt Ka rarr maacutes fuerte es el aacutecido
EJ TODOS LOS ACIDOS ORGANICOS Acido Acetico
CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO-
Ka [H] [CH3COO
- ] x
[CH3-COOH]
Un acido fuerte la constante es infinitaEj
HCl + H2O rarr H3O+ + Cl
-
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
7
como des una disociacioacuten total de HCl inicial no queda
nada es decir es cero
Ka [H] [Cl- ]
0
BASES DEacuteBILES NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
Kb [H] [NH4+ ] x
[NH3 ]
NOMBRE FOacuteRMULA PRESENTE EN
Aacutecidos ORGANICOS
Aacutecido aceacutetico HC2H3O2 Vinagre
Aacutecido acetilsaliciacutelico
HC9H7O4 Aspirina
Aacutecido ascoacuterbico H2C6H6O6 Vitamina C
Aacutecido ciacutetrico H3C6H5O7 Jugo de limoacuten y de otros ciacutetricos
ACIDOS INORGANICOS Aacutecido clorhiacutedrico
HCI
Jugos gaacutestricos (liacutequidos digestivos del estoacutemago)
Aacutecido sulfuacuterico H2SO4 Pilas
Bases
Amoniacuteaco NH3 Limpiadores domeacutesticos (solucioacuten acuosa)
Hidroacutexido de calcio Ca(OH)2 Cal apagada (utilizada en construccioacuten)
Hidroacutexido de magnesio
Mg(OH)2 Lechada de magnesio (antiaacutecido y laxante)
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
8
Hidroacutexido de potasio (tambieacuten llamado potasa caacuteustica)
KOH Jaboacuten suave
Hidroacutexido de sodio NaOH Limpiadores de tuberiacuteas y hornos
EQUILIBRIO AacuteCIDO-BASE DEL AGUA La cesioacuten de protones por un aacutecido y la aceptacioacuten de protones por una base son
procesos reversibles Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto
tiempo en una situacioacuten de equilibrio su estudio puede efectuarse aplicando los
conceptos fundamentales del
equilibrio quiacutemico
El equilibrio aacutecido-base maacutes sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la
disociacioacuten
del agua
H2O + H2O H3O+ + OH
-
-
base 1 aacutecido 2 aacutecido 1 base 2
Esta reaccioacuten pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1)
ganando protones para convertirse en H3O+
(aacutecido 1) y puede actuar como un aacutecido (aacutecido 2) perdiendo protones para convertirse
en OH- (base 2) Se dice por ello que es una sustancia anfolita
Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura el equilibrio ioacutenico del
agua estaacute considerablemente desplazado hacia la izquierda lo que significa
que de acuerdo con la ley de accioacuten de masas su constante de equilibrio K es muy
pequentildea
K equil= [H3O+] [OH
-]
[H2O]2
Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ordmC han arrojado un valor para
K igual a 32 middot 10-18
lo que indica la existencia de una disociacioacuten pequentildea
La concentracioacuten de H2O es por tanto praacutecticamente igual a 1 000 glitro o en
teacuterminos de molaridad 5555 mollitro
[H2O] = 1000g 18gmol =555mollitro o M
1litro
Escribiendo la anterior expresioacuten en la forma
K [H2O]2= [H3O+] [OH-] y operando resulta
Kw=32 middot 10-18middot
(5555)2= [H3O+] [OH-] =1x 10
-14
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
9
1 x10-14
= [H3O+] [OH -
que se representa por Kw y se denomina producto ioacutenico del agua
HIDRACIDOS
Factores que afectan la fuerza del aacutecido H-X
H-X + H2O H3O+ + X
-
X =halogeno Cl-Br
-I
- F
-
(gt Polaridad gt acidez)
bullEnergiacutea de disociacioacuten del enlace
(gt Energiacutea lt acidez)
bullEstabilidad de la base conjugada X-
(gt estabilidad gt acidez)
Oxaacutecidos bull Estructura general Y-O-H
bull La fuerza del aacutecido depende de ldquoYrdquo y de los aacutetomos
unidos a eacutel
ndash Si Y es no metal
ndash Si la electronegatividad de Y es intermedia o alta se
tratariacutea de un aacutecido deacutebil
ndash A mayor nuacutemero de aacutetomos de O unidos a Y mayor
polaridad del enlace O-H mayor acidez
ndash A igualdad de nuacutemero de aacutetomos de O a mayor
electronegatividad de ldquoYrdquo mayor acidez
HOCl HClO2 HClO3 HClO4
Debil fuerte
Determinacioacuten de la Acidez y Basicidad de un medio Escala de pH
El pH es una medida relacionada con la concentracioacuten de iones hidroacutegeno (H+) A
mayor concentracioacuten de iones H+ maacutes aacutecida es la disolucioacuten y Cuanto maacutes baacutesica es
la disolucioacuten menos concentracioacuten de H+ hay y maacutes de OH
- Por consiguiente la
acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentracioacuten de iones de
hidroacutegeno
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
10
En 1909 el bioquiacutemico daneacutes Soumlren Soumlrensen inventoacute la escala pH para medir la
acidez La escala pH estaacute descrita en la foacutermula
pH = -log [H3O+] Nota la concentracioacuten es comuacutemente abreviada usando
logaritmo por consiguiente H+] = concentracioacuten de ioacuten de
hidroacutegeno Cuando se mide el pH [H+] es una unidad de
moles H+ por litro de solucioacuten
Escala de pH y pOH
pH= -log H3O+
pOH= -log OH-
bull En agua pura a 25 C
[H+]= [OH-] = 100 x10-7 M
pH = 700 solucioacuten neutra
bull En soluciones aacutecidas
[H+] gt 100 10-7
pH lt 700
bull En soluciones baacutesicas
[H+] lt 100 10-7 pH gt 700
El pH de una disolucioacuten neutra (ni aacutecida ni baacutesica) es 7 El de las disoluciones aacutecidas es
menor de siete y el de las baacutesica mayor de siete
pH Tipo de disolucioacuten
lt 7 (menor que siete) aacutecida
= 7 neutra
gt 7 (mayor que siete) baacutesica
El color de una disolucioacuten a la que le hemos antildeadido indicador universal nos indicaraacute el
pH que tiene
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
11
[H+] pH Ejemplo
Aacutecidos
1 X 100 0 HCl
1 x 10-1
1 Aumlcido estomacal
1 x 10-2
2 Jugo de limoacuten
1 x 10-3
3 Vinagre
1 x 10-4
4 Soda
1 x 10-5
5 Agua de lluvia
1 x 10-6
6 Leche
Neutral 1 x 10-7
7 Agua pura
Bases
1 x 10-8
8 Claras de huevo
1 x 10-9
9 Levadura
1 x 10-10
10 antiaacutecidos
1 x 10-11
11 Amoniacuteaco
1 x 10-12
12 Caliza Mineral - Ca(OH)2
1 x 10-13
13
1 x 10-14
14 NaOH
Tambieacuten existen unos aparatos (pHmetros) que nos indican el valor numeacuterico del pH
Estos aparatos deben calibrarse previamente con disoluciones que tiene un pH
conocidoTambien se utilizan tiras reactivas que contiene un colorante organico que
cambia de color seguacuten el pH
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
12
Relacioacuten entre pH y pOH
pKw = -log Kw -logw =-log ([H3 O
+][OH- ]) =-log10x 10- 14
pKw=-log[H O ]- log[OH ]= 1400
pKw =pH +pOH
Aacutecidos deacutebiles Grado de disociacioacuten 0tra forma de evaluar la ionizacioacuten de un acido deacutebil
es con el grado de ionizacioacuten o de ionizacioacuten
Para el acido acetico= CH3-COOH+ H2O H3O+ + CH3-COO
-
= CH3-COO - x100 = ionizado
x 100 - CH3-COOH inicial
bull A mayor α maacutes fuerte es el aacutecido
bull α disminuye a medida que aumenta la concentracioacuten
inicial del aacutecido
bull Ej
AcH 005 M rarr α = 20
AcH 015 M rarr α = 10
Aacutecidos deacutebiles Aacutecidos poliproacuteticos bull Tienen maacutes de un protoacuten ionizable
bull La disociacioacuten se realiza en pasos
Ej
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
13
H2SO3(aq) +H2O H3O+(aq) + HSO3- Ka1 = 17 x 10
-2
HSO3-(aq) +H2O H3O+ (aq) + SO3=(aq)Ka2 = 64 x 10
-8
bull La remocioacuten del primer protoacuten es siempre maacutes faacutecil
que la de los restantes
bull Ka1 gt Ka2 gt Ka3hellip
bull La mayor parte de la [H3O+] en equilibrio corresponde a
la primera ionizacioacuten del aacutecido (Ka1)-(aq)
Hidroacutelisis de sales
RELACIOacuteN ENTRE Ka
Y Kb EN UN PAR AacuteCIDO ndash BASE
CONJUGADO
Si planteamos la ecuacioacuten que representa la reaccioacuten de un aacutecido deacutebil con el agua y su constante de acidez
HA + H2O Aminus + H3O
+ [Aminus] [H3O+]
Ka =
[HA]
Y hacemos lo mismo para su base conjugada Aminus + H2O HA + OHminus [HA] [OHminus]
Kb =
[Aminus]
Si ahora multiplicamos Ka x Kb tanto [Aminus] como [HA] se simplifican y queda
[Aminus] [H3O
+] [HA] [OHminus]
Ka Kb = = [H3O+] [OHminus] = KW
[HA] [Aminus]
Por lo tanto el producto de Ka Kb en un par aacutecido ndash base conjugado es igual
a la constante del producto ioacutenico del agua son inversamente proporcionales Como
KW es una constante eso indica que cuanto mayor es Ka menor seraacute Kb Cuanto maacutes
fuerte es el aacutecido maacutes deacutebil es su base conjugada y viceversa Aplicando menos el logaritmo decimal en ambos teacuterminos de la ecuacioacuten
KW = Ka Kb
minuslog KW = minuslog Ka + (minuslog Kb)
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
14
pKW = pKa + pKb
Esta ecuacioacuten en su forma original da la relacioacuten entre la constante de acidez de un aacutecido deacutebil y la constante de basicidad de su base conjugada Utilizaacutendola es muy faacutecil obtener el valor de una conociendo el de la otra La ecuacioacuten en la forma
logariacutetmica da la relacioacuten entre pKa y pKb a temperatura ambiente su suma es 14
Conociendo uno inmediatamente se puede conocer el otro Aacutecidos poliproacuteticos son los que pueden donar maacutes de 1 protoacuten
Es la reaccioacuten de los iones de una sal con el agua Asiacute las sales pueden producir que
una disolucioacuten de las mismas sea aacutecida baacutesica o neutra Soacutelo es apreciable cuando estos
iones son conjugados fuertes proceden de un aacutecido o una base deacutebil
Ejemplo de hidroacutelisis aacutecida (de un catioacuten) NH4+ + H3O
+ CH3 NH3
+
Ejemplo de hidroacutelisis baacutesica (de un anioacuten) CH3ndashCOO
ndash + H2O
+NO2
- ClO
-
TTiippooss ddee hhiiddrroacuteoacutelliissiiss
Seguacuten procedan el catioacuten y el anioacuten de un aacutecido o una base fuerte o deacutebil las sales se
clasifican en
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base fuerte
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base fuerte (Hidroacutelisis Baacutesica)
Sales procedentes de aacutecido fuerte y base deacutebil (Hidroacutelisis Aacutecida)
Sales procedentes de aacutecido deacutebil y base deacutebil
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE FUERTE
SALES NEUTRAS
Ejemplo NaCl
NO SE PRODUCE HIDROacuteLISIS ya que tanto el Na+ que es un aacutecido muy deacutebil
como el Clndash que es una base muy deacutebil apenas reaccionan con agua (debido a que
procede de un acido fuerte) Es decir los equilibrios
Na+ + 2 H2O NaOH
+ H3O
+
Clndash + H2O HCl
+ OH
ndash
estaacuten muy desplazado hacia la izquierda y por tanto su reaccioacuten con el agua es
insignificante El pH en neutro debido a que el unico aporte de H3O+ es el proveniente
de agua y H3O+ = O H
- = 1 x 10
-7 pH = 7
HIDROacuteLISIS BAacuteSICA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL
Y BASE FUERTE SALES BASICAS
Ejemplo Na+CH3ndashCOO
ndash(Acetato de sodio)
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
15
Se produce HIDROacuteLISIS BAacuteSICA ya que el Na+ es un aacutecido muy deacutebil y apenas
reacciona con agua pero el CH3ndashCOOndash es una base relativamente fuerte y si reacciona
con eacutesta de forma significativa
CH3ndashCOOndash + H2O CH3ndashCOOH
+ OH
ndash Khb = Kw
Ka CH3 mdashCOOH(acido acetico)
lo que provoca que el pH gt 7 (disolucioacuten baacutesica)
HIDROacuteLISIS AacuteCIDA SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO FUERTE Y BASE
DEacuteBILSALES ACIDAS
Ejemplo NH4Cl
Se produce HIDROacuteLISIS AacuteCIDA ya que el NH4+ es un aacutecido relativamente fuerte y
reacciona con agua mientras que el Clndash es una base deacutebil y no lo hace de forma
significativa
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw
KbNH3
lo que provoca que el pH lt 7 (disolucioacuten aacutecida)
SALES PROCEDENTES DE AacuteCIDO DEacuteBIL Y BASE DEacuteBIL
Ejemplo NH4CN
En este caso tanto el catioacuten NH4+
como el anioacuten CNndash se hidrolizan y la disolucioacuten seraacute
aacutecida o baacutesica seguacuten queacute ioacuten se hidrolice en mayor grado
NH4+ + H2O NH3
+ H3O
+ Kha = Kw = 56 x 10
ndash10
KbNH3
CN- + H2O CNH + OH
- Khb = Kw = 2 x10
ndash5 M
KaCNH
Como Khb(CNndash) = 2 x10
ndash5 es mayor Kha(NH4
+) = 56 x 10
ndash10 en este caso la
disolucioacuten es baacutesica
Para saber con cual equilibrio se debe trabaja se evaluacutean las
magnitudes de las constantes de hidroacutelisis
Ejemplo
Sabiendo que Ka (HCN) = 40 middot 10ndash10 M calcular el pH y el grado de hidroacutelisis de
una disolucioacuten acuosa de NaCN 001 M
SOLUCIONES REGULADORAS (BUFFERS)AMORTIGUADORAS
Una solucioacuten reguladora del pH o buffer es una solucioacuten que tiene la
capacidad de amortiguar o minimizar los cambios de pH
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
16
Pequentildeas cantidades de iones H3O+ oacute OHminus que agregadas al agua o a una solucioacuten que
no tenga poder regulador hariacutean variar el pH en varias unidades al ser agregadas a un buffer producen un cambio de pH que es miacutenimo o inapreciable
La regulacioacuten del pH es muy importante no soacutelo cuando se hacen en el
laboratorio reacciones en las cuales el cambio en el pH puede afectar la reaccioacuten sino en todas las reacciones que ocurren en los organismos vivos Las reacciones bioloacutegicas estaacuten catalizadas (aceleradas) por enzimas que son proteiacutenas Las enzimas no solamente pueden destruirse (desnaturalizarse) con cambios bruscos de pH sino que tienen un rango de pH oacuteptimo para su trabajo Cuando se trabaja en el laboratorio con reacciones enzimaacuteticas es necesario regular el pH De la misma manera en los organismos vivos el pH estaacute regulado
Como ejemplo en nuestro organismo podemos citar la sangre El pH normal del plasma de la sangre medido a temperatura ambiente es aproximadamente 740 Valores de pH menores de 730 o mayores de 750 pueden provocar la muerte Como consecuencia de esto existen en la sangre varios sistemas que actuacutean como reguladores de los cuales los maacutes importantes son los pares H2CO3 HCO3
ndash y H2PO4ndash
HPO42ndash ademaacutes de las proteiacutenas entre las cuales en la sangre la principal es la
hemoglobina Ademaacutes tambieacuten existen en la sangre reguladores fisioloacutegicos del pH Para comprender como se forma una solucioacuten buffer veamos que ocurre si
colocamos en la misma solucioacuten un aacutecido deacutebil y su base conjugada Al hacer esto estaraacuten ocurriendo simultaacuteneamente las dos reacciones reversibles y los dos equilibrios se influiraacuten mutuamente cada uno afecta al otro
HA + H2O Aminus + H3O+
Ca minus xa xa xa
Aminus + H2O HA + OHminus
Ci (M) Ca exc 0 asymp 0 Cb exc 0
asymp 0
Ceq (M) Ca minus xa xa xa Cb minus xb
xb xb
Recordemos que la x es despreciable con respecto a la concentracioacuten inicial cuando la concentracioacuten inicial es grande o cuando el aacutecido o la base se disocian poco
(Ka o Kb chicas) En este caso si tenemos concentraciones razonablemente grandes de
Ca y Cb es mucho maacutes vaacutelido el despreciar xa y xb El equilibrio del aacutecido se veraacute
afectado por una gran concentracioacuten de Aminus (Cb) con lo cual el aacutecido se inonizaraacute menos
y a su vez el equilibrio de su base conjugada se veraacute afectado por una gran
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
17
concentracioacuten del aacutecido (Ca) y el estado de equilibrio estaraacute desplazado hacia la
formacioacuten de reactivos Por lo expresado en el paacuterrafo anterior la concentracioacuten del aacutecido en el
equilibrio seraacute Ca y la concentracioacuten de la base conjugada en el equilibrio seraacute Cb Si
planteamos la constante de ionizacioacuten del aacutecido queda
[Aminus] [H3O+] Cb [H3O
+] Ka Ca
Ka = = [H3O+] =
[HA] Ca Cb
Aplicando menos el logaritmo en ambos teacuterminos para que quede PH
minuslog [H3O+] = minuslog Ka + (minuslog Ca Cb )
Siendo minuslog Ca Cb = log Cb Ca queda
pH = pKa + log Cb Ca
Esta ecuacioacuten se conoce como ecuacioacuten de Henderson ndash Hasselbalch o ecuacioacuten buffer Una solucioacuten con estas caracteriacutesticas tendraacute la capacidad de regular el pH Ante el agregado de iones hidronio eacutestos se neutralizaraacuten con la base Aminus su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute en la misma cantidad la concentracioacuten en el equilibrio de el aacutecido HA pero al ir a la ecuacioacuten de Henderson este efecto queda minimizado por el logaritmo y el pH variacutea en forma miacutenima o inapreciable Lo mismo sucede ante el agregado de iones hidroacutexido eacutestos se neutralizaraacuten con el aacutecido HA su concentracioacuten en el equilibrio disminuiraacute algo y aumentaraacute algo la concentracioacuten en el equilibrio de la base Aminus
Podemos poner lo expresado en ecuaciones que nos indican coacutemo actuacutea
una solucioacuten reguladora para amortiguar el cambio de pH ante el agregado de un aacutecido fuerte o una base fuerte Debemos recordar que un aacutecido o una base fuertes se disocian totalmente y por lo tanto el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un aacutecido monoproacutetico es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidronio y el agregado de una determinada concentracioacuten molar de un hidroxido de un metal alcalino es equivalente al agregado de la misma concentracioacuten molar de iones hidroacutexido
Si tenemos el buffer formado por el aacutecido deacutebil HA y su base conjugada Aminus y
agregamos una pequentildea cantidad de moles de un aacutecido fuerte monoproacutetico (la misma de moles de iones hidronio) se produce
A minus + H3O
+ HA + H2O
La base deacutebil Aminus neutraliza los iones hidronio y forma agua Como la cantidad de iones hidronio agregada es pequentildea y la cantidad de Aminus es grande el estado de
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
18
equilibrio estaacute casi totalmente desplazado hacia los productos y por lo tanto puede considerarse como una reaccioacuten completa
Si agregamos una pequentildea cantidad de base fuerte (equivalente a agregar iones hidroacutexido) se produce
HA + OH minus A
minus + H2O
El aacutecido deacutebil HA neutraliza los iones hidroacutexido y forma agua Por igual razoacuten
que en el caso anterior tambieacuten puede considerarse como reaccioacuten completa
El buffer actuacutea neutralizando los agregados de iones hidronio o
hidroacutexido y formando agua con lo cual minimiza el cambio de pH de la
solucioacuten Esta es la accioacuten reguladora de un buffer
Para poder tener una solucioacuten buffer partimos de una solucioacuten que contiene un
aacutecido y una base deacutebiles conjugados Esta es la primera condicioacuten para que la solucioacuten tenga poder regulador El buffer se puede formar poniendo un aacutecido deacutebil y su base conjugada como sal de un aacutecido fuerte por ejemplo aacutecido aceacutetico y acetato de sodio o poniendo una base deacutebil y su aacutecido conjugado como sal de una base fuerte por ejemplo amoniacuteaco y cloruro de amonio (recordaacute lo explicado en el tema anterior
relacioacuten entre Ka y Kb en un par aacutecido base conjugado con respecto a las sales)
La segunda condicioacuten para que la solucioacuten tenga buen poder regulador es que tanto el aacutecido como su base conjugada esteacuten en concentraciones grandes No
solamente para que sea vaacutelido el desprecio de las x sino porque Ca y Cb son la
ldquoreservardquo del buffer para neutralizar el agregado de aacutecido o base Si el buffer es muy diluido soportaraacute menos agregado de iones H3O
+ oacute OHminus y en el caso extremo de que este agregado consuma totalmente al aacutecido o su base conjugada el buffer se destruye y la solucioacuten pierde por completo su capacidad reguladora En los buffers de uso maacutes
frecuente Ca y Cb se hallan entre 005 M y 100 M Dentro de este rango es vaacutelido
utilizar la ecuacioacuten de Henderson Queda una tercera condicioacuten experimentalmente puede concluirse que cuanto
menor sea la diferencia entre Ca y Cb es decir cuanto maacutes cercana a 1 sea la relacioacuten
Cb Ca mejor es el poder regulador del buffer Si 01 lt Cb Ca lt 10 o sea que una
no es maacutes de 10 veces mayor que la otra el sistema tiene una capacidad reguladora aceptable Matemaacuteticamente si se cumple esta condicioacuten el pH no puede variar en
maacutes de una unidad con respecto al pKa del aacutecido deacutebil que forma el buffer
Utilizando la ecuacioacuten de Henderson
pH = pKa + log Cb Ca
Si Cb Ca = 01 como log 01 = ndash1 pH = pKa ndash 1
Si Cb Ca = 1 como log 1 = 0 pH = pKa
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
19
Si Cb Ca = 10 como log 10 = 1 pH = pKa + 1
Resumiendo deben cumplirse estas tres condiciones para que una solucioacuten
tenga buen poder regulador si alguna de estas tres condiciones no se cumple la capacidad reguladora de la solucioacuten se veraacute disminuida o seraacute nula
Las tres condiciones para que una solucioacuten tenga buen poder regulador son
1) La solucioacuten debe contener un aacutecido deacutebil y su base deacutebil conjugada
2) Ca y Cb deben ser suficientemente grandes usualmente entre 005 M y
100 M 3) La relacioacuten Cb Ca debe estar entre 01 y 10
Indicadores Muchas sustancias presentan diferentes colores de acuerdo con el pH en que se disuelven y se
utilizan como indicadores Muchos indicadores son aacutecidos o bases orgaacutenicas deacutebiles
El equilibrio de un indicador aacutecido (HIn) se describe de manera general como
HIn + H2O harr In- + H3O+
La disociacioacuten del indicador se acompantildea con cambios en la estructura
El ojo humano es poco sensible por lo que se ha determinado que para que se pueda apreciar
uncambio de color La relacioacuten del indicador en forma aacutecida y baacutesica debe ser mayor o igual a
10 es
decir
HInge 10
In-
HInle 10
In-
pH = pKa + log In-
HIn
pH= pKa + log 1
10
ΔpH= pKa +-1 ΔpH 2
De donde se deduce que el ojo humano aprecia cambios de color perfectamente cuando el
cambio
de pH es al menos de dos unidades
Algunos indicadores de pH importantes
Azul de timol 12-18 165 rojo-amarillo
Naranja de metilo 31-5 346 rojo-naranja
Azul de bromotimol 62-76 71 amarillo-azul
Fenolftaleiacutena 83-10 - incolora-rosa
20
20