acido base
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ContenidoÁCIDOS Y BASES.........................................................................................................................3
REACCIONES ÁCIDO – BASE.....................................................................................................5
ÁCIDOS Y BASES COMUNES.....................................................................................................6
HIDRÓXIDOS SOLUBLES O BASES FUERTES.......................................................................7
SOLUCIONES ÁCIDAS Y BÁSICAS............................................................................................8
REACCIONES ÁCIDO-BASE........................................................................................................9
TITULACIONES.............................................................................................................................11
pH....................................................................................................................................................13
CONSTANTES DE EQUILIBRIO DE LOS ÁCIDOS.................................................................15
SOLUCIONES AMORTIGUADORAS………………………………………………………………………………………………...16
CALCULOS PARA DETERMINAR EL pH DE LAS SOLUCIONES AMORTIGUADORAS………………………….18
ÁCIDOS Y BASES
Como usted sabe, el vinagre tiene un sabor agrio característico. Sin embargo,
quizá ni sabe que cuando se coloca un pedazo de mármol en una solución de
vinagre, burbujea dióxido de carbono al disolverse el mármol. El vinagre es una
solución de ácido acético en agua.
Es posible clasificar ciertos compuestos de acuerdo con sus similitudes en sus
propiedades químicas, esto es, similitudes en los tipos de reacciones químicas en
que intervienen.
Los químicos observaron hace mucho tiempo que ciertas sustancias, que ahora se
conocen como ácidos, se caracterizaban por: tener sabor agrio, ser capaces de
disolver ciertos metales, cambiar el color del colorante vegetal llamado papel
tornasol de azula rojo, reaccionar con sustancias químicas llanadas bases. La
palabra “ácido” proviene de la palabra latina “acidus” que significa “agrio”.
Otra clase de compuestos, llamados bases son, en cierto sentido, las sustancias
químicas opuestas a los ácidos. Las bases tienen: sabor amargo, son resbalosas
al tacto, cambian el color del papel tornasol de rojo a azul y reaccionan
químicamente con los ácidos.
Algunas de las primeras bases se obtuvieron al calentar fuertemente una solución
que se extrae de las cenizas de la madera. Los compuestos obtenidos en esta
forma se les consideró como la base (del griego: pedestal) del cual se forman
otros compuestos. Así, estos compuestos se conocen ahora como bases.
En 1884 un químico sueco, Svante Arrhenius, propuso las primeras definiciones
importantes de ácido y base. Un ácido es una sustancia que forma iones
hidrógeno (H+) en solución acuosa y una base es una sustancia que forma iones
hidróxido (OH-) en solución acuosa.
La teoría de Arrhenius fue muy útil pero no bastó para incluir a todos los
compuestos que parecían tener propiedades ácidas y básicas. Para ácidos y
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bases en solución, las mejores definiciones pertenecen a la teoría de Bronsted-
Lowry.
Acido: especie química que dona iones hidrógeno o protones (H+) en una
reacción química. Donador de protones.
Base: especie química que acepta iones hidrógeno o protones en una reacción
química. Aceptor de protones.
El término “protón” se refiere a un ion hidrógeno positivo (un átomo de hidrógeno
sin electrón). El protón proviene de la ruptura del enlace covalente entre el
hidrógeno con algún otro elemento. Según la definición de Bronsted-Lowry, un
ácido es la especie que contiene hidrógeno en la cual el enlace covalente que une
al hidrógeno se puede romper de manera que se libere el ion hidrógeno.
Una base es una especie que es capaz de formar un nuevo enlace covalente con
un protón donado por un ácido.
Estructura de ácidos
Cloruro de hidrógeno H- Cl este enlace se rompe.
OH
Ácido acético H – O – C – C -H
H
Sólo este enlace es lo suficientemente débil para perderun protón.
Las bases tendrán un par de electrones sin compartir disponibles para formar un
enlace covalente con un protón.
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REACCIONES ÁCIDO – BASE
Una solución de ácido acético presenta las propiedades típicas de un ácido. Una
solución de hidróxido de sodio tiene las propiedades típicas de una base. Cuando
se mezclan estas dos soluciones resulta una solución con propiedades diferentes.
El ácido y la base se neutralizan entre sí en una reacción ácido-base. Para que un
ácido pierda un protón, debe estar presente una base para recibirlo. Así, un ácido
puede reaccionar con una base en una reacción de transferencia de protones o
reacción ácido-base. Esta reacción se presenta en forma general como:
Transferencia de protones
ácido base
Unácido pierde un protón en una reacción química, y una base gana un protón. El
ácido dona un protón a una especie que es capaz de formar un enlace con el
protón mucho más fuerte que el ácido original. Después, se puede decir que un
ácido, H – A, pierde un protón para quedar una base, A:; y una base B:, gana un
protón para formar un ácido, H – B.
Se dice que el ácido H – A es mas fuerte que el ácido H – B. El ácido más fuerte
tiene mayor facilidad de perder el protón. La base B: es una base más fuerte que
la base A:. La base más fuerte tiene mayor facilidad de ganar un protón.
Cada ácido según Bronsted – Lowry , tendrá su base correspondiente; y cada
base, su ácido correspondiente. Un ácido y la base que se forma por transferencia
de un protón se llaman par ácido base conjugados. Cuando un ácido pierde un
protón, lo gana una base. Esto es, un ácido dona un protón a una base y, en esta
forma, se convierte en su correspondiente base conjugada. La base que gana el
protón se convierte a su vez en su ácido conjugado. La reacción en que transfiere
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H – A + B: H – B + A:
H – A + B: H – B + A:
Protón unido
débilmente
(ácido fuerte)
Aceptor del
protón (base
fuerte)
Protón unido
fuertemente
(ácido débil)
Base débil
un protón de un ácido a una base y se forman los correspondientes ácido y base
conjugados se denomina reacción ácido-base.
Las reacciones ácido-base son muy comunes en soluciones.
En cualquier reacción ácido-base, se reconoce al ácido como donador de
protones, o como la especie formada por una base que ha ganado un protón. La
base se reconoce como aceptor de protones, o como la especie formada por un
ácido que ha perdido un protón. Cuando se mezcla un ácido y una base en una
solución, ocurre una reacción de transferencia de protones. Generalmente las
reacciones ácido-base son reacciones en equilibrio y éste se indica utilizando la
doble flecha.
ÁCIDOS Y BASES COMUNES
Los ácidos, cloruro de hidrógeno (HCl), ácido sulfúrico (H2SO4), ácido nítrico
(HNO3), son ejemplos de ácidos fuertes. Este término se usa debido a que cuando
se mezclan con agua reaccionan completamente con ella en una reacción ácido-
base para formar ion hidronio y el anión correspondiente. Ejemplo:
HCl + H2O H3O+(aq) + Cl-(aq)
Recuerde que las soluciones acuosas de estos compuestos se denominan ácidos.
Ahora que ya profundizamos en la naturaleza de las soluciones de esos ácidos
fuertes, podemos representarlas como iones hidronio y el anión correspondiente
formado por la reacción con agua. Esto es, las soluciones acuosas de ácido
clorhídrico, ácido sulfúrico y ácido nítrico contienen ion hidronio y la base
conjugada correspondiente del ácido. Por ejemplo, la solución de ácido sulfúrico
se representa por:
H3O+(aq) + HSO4-(aq)
Otros ácidos son los conocidos como ácidos débiles. Estos ácidos, al mezclarlos
con agua, no reaccionan extensamente con ella. Un ejemplo es el ácido acético.
Se representan con la fórmula del ácido a las soluciones acuosas de estos ácidos,
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que se llaman ácidos débiles. Por ejemplo una solución acuosa de fluoruro de
hidrógeno, HF, se representa por:
HF(aq)
También existen las bases más comunes, estas son las bases conjugadas de los
ácidos, reconocemos estas bases como algunos de los iones simples comunes y
iones poliatomicos. Estas bases se encuentran en forma de iones en muchos
compuestos iónicos. Recuerde que cuando los compuestos iónicos solubles se
disuelven en agua, la solución resultante se representa por los iones que
comprende el compuesto.
El origen de estas especies iónicas en solución son los compuestos iónicos
solubles que los contienen. A estos compuestos que proporcionan base iónicaa
veces se les llama sales básicas. Los compuestos iónicos solubles que
proporcionan ácidos se denominan sales ácidas.
HIDRÓXIDOS SOLUBLES O BASES FUERTES
Los ácidos y las bases varíanen sus tendencias a perder y ganar electrones. Así
podemos decir que ciertos ácidos son más fuertes que otros y algunas bases son
más fuertes que otras. El ion hidróxido, OH-, es la base más fuerte que puede
existir en agua. Una solución que contenga al ion hidróxidose puede preparar
disolviendo un compuesto iónico que contenga al ion hidróxido. Los compuestos
solubles que contienen ion hidróxido, a veces llamados bases fuertes, son el
hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), e hidróxido de bario
(Ba(OH)2).
Cuando están en soluciones acuosas se representan por el ion hidróxido y el
catión. Por ejemplo, la solución acuosa de NaOH se escribe.
Na+(aq) + OH-(aq)
Y la solución en agua de Ba2+(aq) + 2OH-(aq)
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SOLUCIONES ÁCIDAS Y BÁSICAS
Considere la reacción reversible del amoniaco con agua, como otro ejemplo de
reacción acido-base:
NH3 + H2O NH4+ + OH-
El amoniaco es completamente soluble en agua, pero sólo reacciona en pequeño
grado. El amoniaco reacciona como una base (aceptor de protones) y el agua
como un ácido (donador de protones). La solución de amoniaco en agua se llama
amoniaco acuoso. El agua actúa a veces como ácido, y en otros casos como
base. Este comportamiento es compatible con la estructura del agua.
Una especie que actúa como ácido o como base se llamaanfótero. Como el agua
es un anfótero, puede existir una transferencia de protones entre Las moléculas
del agua. Esto es, las moléculas de agua pueden reaccionar entre sí.
El agua pura o una solución acuosa que contiene iones hidronio e hidróxido en
concentraciones iguales, se denomina solución neutra.
Cuando se mezcla un ácido con agua se forma más ion hidronio. Aun los ácidos
débiles reaccionan con el agua. Una solución acuosa que posee una
concentración de ion hidronio que es mayor que la del agua pura se llama
solución ácida. Cuando se disuelve un ácido en agua, resulta una solución ácida.
Cuando se mezcla una base con agua, reacciona para formar ion hidróxido.
Cuando una solución acuosa tiene una concentración de ion hidróxido mayor que
la del agua pura se llama solución básica.Cuando se disuelve una base en agua,
se obtiene una solución básica.
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REACCIONES ÁCIDO-BASE
Las reacciones acido-base son sorprendentes. Una solución concentrada de ácido
sulfúrico es muy peligrosa, pues reacciona con papel, ropa o la piel. Una solución
concentrada de hidróxido de sodio es igualmente peligrosa. Sin embargo, cuando
estas soluciones se mezclan en las proporciones correctas, la solución resultante
es neutra, y no presenta propiedades peligrosas. (Peligro: nunca mezcle
soluciones concentradas de ácido y base, pues reaccionan vigorosamente y
queman.) La mayoría de las reacciones ácido-base no son tan dramáticas como
ésta, pero en todas, el ácido y la base originales se alteran químicamente.
Al mezclar una solución ácida con una básica se produce una reacción ácido-
base. Estas reacciones dan como resultado una transferencia de protones del
ácido a la base.
Un principio que se usa para predecir las reacciones ácido-base es que estas
reacciones favorecerán la formación de un ácido más débil y una base más débil.
Si mezclamos un ácido y una base, éstos reaccionarán si pueden formar un ácido
y una base débiles.
Por ejemplo, consideremos la mezcla de una solución de ácido fluorhídrico,
HF(aq),con una solución de hidróxido de sodio. Primero, escribimos las especies
que se mezclan:
HF + Na+ + OH-
El fluoruro de hidrógeno es un ácido y el ion hidróxido una base.
Podemos predecir una reacción en la que se formarán el ácido y la base
conjugados correspondientes:
Ácido 1 HF F- base 1
Ácido 2 H2O OH-base 2
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La ecuación balanceada para la reacción es
Ácido 1 base 2 ácido 2 base 1
HF + OH- H2O + F-
Las reacciones acido-base son reversibles, así que se debe poner la doble flecha
en la ecuación. La flecha más larga indica la dirección en que se desplaza la
reacción: la formación del ácido y la base más débiles. En esta reacción el ion
sodio es sólo un ion espectador.
La reacción entre una solución de una base fuerte y una de un ácido fuerte
siempre produce agua. Cuando las soluciones se combinan en las cantidades
correctas de manera que se tenga suficiente H3O+ para reaccionar con el OH-,la
solución no es ni ácida ni básica, sino neutra. Consecuentemente, a una reacción
tal que involucra una solución de un ácido fuerte y una de base fuerte se le llama
reacción de neutralización.
Algunos ácidos débiles pueden perder más de un protón. Aquellos que pierden
dos protones se llaman ácidos diproticos, y los que pierden tres, ácidos
tripoticos. Las fórmulas de estos ácidos indican que poseen más de un protón
para intercambiar (por ejemplo H2S- diprotico: H3PO4- triprotico). Estos ácidos
pueden perder protones en varios pasos y formar ácidos débiles como productos.
Por ejemplo, el ácido fosfórico (H3PO4) puede perder sus tres protones por pasos,
formando dos ácidos intermedios en el proceso.
H3PO4 H2PO4-
H2PO4- HPO4
2-
HPO4 PO43-
Si se agrega la cantidad suficiente de base apropiada a las soluciones de ácidos
diproticos y triproticos, perderán todos los protones intercambiables.
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TITULACIONES
Supongamos que tenemos una muestra de vinagre y queremos conocer la
concentración o cantidad de ácido acético presente en la muestra. Una manera de
analizar esta solución es precisamente medir el volumen de la muestra y agregarle
el volumen necesario de una solución de hidróxido de sodio para que reaccione
con el ácido acético. Do que conocemos la ecuación de la reacción que tiene lugar
y el volumen y concentración de la solución de hidróxido de sodio utilizada, será
posible determinar la cantidad de ácido acético mediante cálculos
estequiometricos. La reacción entre el ácido acético y el ion hidróxido es:
HC2H3O2 + OH C2H3O2- + H2O
El proceso de añadir una cantidad medida de una solución de concentración
conocida a una muestra de otra solución con el propósito de determinar la
concentración de la solución, o la cantidad de ciertas especies en la solución, se
llama titulación.
La titulación es un proceso muy importante en el análisis de soluciones. La adición
y medición del volumen de la solución de concentración conocida se efectúa
utilizando una bureta.
Una titulación se lleva acabo generalmente colocando en un matraz la muestra de
la solución desconocida y llenando la bureta con la solución conocida, llamada
solución tituladora.
Después se deja caer lentamente esta solución en el matraz hasta que se mezcle
la cantidad necesaria con la solución desconocida. El punto en el cual se ha
añadido la cantidad necesaria se llama punto de equivalencia o punto final de
la titulación.
El punto final se detecta colocando en el matraz de reacción una pequeña
cantidad de una sustancia llamada indicador. El indicador se escoge de manera
que reaccione con la solución tituladora al llegar al punto de equivalencia. La
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reacción entre el indicador t la solución tituladora forma un producto cuyo color se
aprecia inmediatamente. Algunos indicadores poseen ya de por sí un color
característico y cambia de color al llegar al punto final de la reacción. En cualquier
caso, una vez que se conoce el punto de equivalencia, se determina el volumen
de solución tituladora que se empleó tomando la lectura de la bureta.
Una vez conocidos el volumen y la concentración de la solución tituladora, se
puede calcular el número de moles de reactivo que se necesitaron. Entonces se
determina el número de moles o de gramos de las especies buscadas usando la
ecuación balanceada de la reacción entre solución tituladora y especies. Si se ve a
calcular la molaridad de la solución desconocida, se debe medir su volumen
original, antes de la titulación. La molaridad se calcula dividiendo el número de
moles de la especie que se busca en la solución, entre el volumen inicial de la
muestra.
pH
La mayor parte de las soluciones biológicas y de las soluciones empleadas en los
laboratorios químicos tienen concentraciones específicas de ion hidronio o acidez
específicos. Por ejemplo la sangre humana contiene una concentración
determinada de ion hidronio. La acidez de la sangre se mantiene dentro de niveles
precisos gracias a diferentes procesos que ocurren en el cuerpo.
Cualquier desviación significativa de la acidez causa la muerte. Ciertas
enfermedades y condiciones orgánicas producen un cambio dramático en la
concentración de ion hidronio en la sangre.
Un tratamiento médico para ello consiste en la inyección intravenosa de
soluciones ácidas o básicas suaves.
La presencia de un ácido o una base en el agua afecta el equilibrio entre agua, ion
hidronio e ion hidróxido.
En el agua pura o en una solución acuosa neutra que no contenga ácidos ni
bases, las concentraciones de ion hidronio y ion hidróxido son iguales.
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Cuando un ácido esta en solución, reacciona con el agua aumentando la
concentración de ion hidronio. Este aumento causa que el equilibrio del agua se
desplace, resultando una concentración más baja de ion hidróxido. Una solución
ácida se caracteriza por poseer una concentración de ion hidronio mayor de 10-7.
Cuando hay una base en la solución, aumenta la concentración de ion hidróxido.
Este aumento origina un desplazamiento del equilibrio, y disminuye la
concentración de ion hidronio. Una solución básica tiene una concentración de ion
hidróxido mayor que 10-7 M y una concentración de ion hidronio menor que 10-7M.
Dado que estas concentraciones cubren un rango muy amplio, se ha diseñado una
escala especial para expresar las concentraciones de ion hidronio en soluciones
acuosas.
Se llama escala de pH y se basa en la siguiente definición: el pH es el negativo
del logaritmo de la concentración de ion hidronio.
El pH permite expresar la concentración de ion hidronio como un simple número.
Esto se debe a que el logaritmo de un número es la potencia a la cual se debe
elevar 10 para obtener el número.
El negativo del logaritmo sólo se usa eliminar el signo negativo de la potencia.
Esto es, debido a que el logaritmo es la potencia, se cambia el signo de la
potencia para dar el pH. La razón para ello es una simple convención.
El ion hidronio se encuentra presente en la mayoría de las soluciones comunes y
mezclas. El jugo gástrico, los jugos de frutas cítricas, los refrescos, el vinagre, la
orina, la leche y ciertas aguas naturales son ácidas por naturaleza. El agua pura
es neutra, mientras que la sangre es levemente básica.
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CONSTANTES DE EQUILIBRIO DE LOS ÁCIDOS
Un sistema en equilibrio queda descrito por una constante de equilibrio. Los ácidos
débiles en solución están en equilibrio dinámico con el agua. Generalmente el
equilibrio se presenta por:
HA + H2O H3O+ + A-
Donde HA es el ácido y A- es la base conjugada. El equilibrio se alcanza cuando
las velocidades de las reacciones en uno y otros sentidos son iguales. Las
soluciones de ácidos aun recién preparadas, logran el equilibrio rápidamente. En
ese estado la solución contiene concentraciones específicas de las diferentes
especies. La concentración del agua es constante, debido a que es el medio en
que ocurre la reacción, y se usa en la reacción sólo una pequeña cantidad. Los
valores de las concentraciones de las otras especies dependen del ácido que
interviene en la reacción.
En equilibrio, la relación entre las concentraciones de los productos y reactivos es
constante. Esta situación se representa en la forma de una expresión de la
constante equilibrio.
Las constantes de los ácidos se determinan experimentalmente midiendo las
concentraciones de las especies en el equilibrio.
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14-10 soluciones amortiguadoras
Soluciones amortiguadoras son aquellas soluciones cuya concentración de
hidrogeniones varía muy poco al añadirles ácidos o bases fuertes. El objeto de su
empleo, tanto en técnicas de laboratorio como en la finalidad funcional del plasma,
es precisamente impedir o amortiguar las variaciones de pH y, por eso, suele
decirse que sirven para mantener constante el pH. Los más sencillos están
formados por mezclas binarias de un ácido débil y una sal del mismo ácido con
base fuerte, por ejemplo, una mezcla de ácido acético y acetato de sodio; o bien
una base débil y la sal de esta base con un ácido fuerte, por ejemplo, amoníaco y
cloruro de amonio.
La aplicación más importante de esta teoría de los amortiguadores es, para los
fisiólogos, el estudio de la regulación del equilibrio ácido-base. Para dar una idea
de la importancia de los amortiguadores de la sangre, recordemos que la
concentración de hidrogeniones del agua pura experimenta una elevación
inmediata cuando se añade una mínima cantidad de un ácido cualquiera, y crece
paralelamente a la cantidad de ácido añadido. No ocurre así en la sangre, que
admite cantidades del mismo ácido, notablemente mayores, sin que la
concentración de hidrogeniones aumente de una manera apreciable.
Mecanismo de la acción amortiguadora
Supongamos un amortiguador constituido de ácido acético y acetato de sodio. El
ácido estará parcialmente disociado estableciendo un equilibrio entre las partículas
de ácido sin disociar los iones hidrógenos y los iones de base conjugada. El
acetato de sodio, como todas las sales, está disociado completamente y, por esta
causa, el ión acetato procedente de la sal desplaza el equilibrio hacia la formación
de ácido, disminuyendo la concentración de hidrogeniones libres. La presencia
conjunta de la sal y el ácido hace decrecer la acidez libre. Si las cantidades de sal
y ácido son del mismo orden de magnitud, la concentración de iones hidrógenos
se regulará por la reacción de equilibrio del ácido, es decir
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CH3-COOH ↔ CH3-COO
Si añadimos al sistema un ácido fuerte, por ejemplo ácido clorhídrico, se produce
un aumento instantáneo de la concentración de iones hidrógenos, los cuales son
neutralizados por la base conjugada del ácido liberando así, una cantidad
equivalente de ácido débil.
Si añadimos al sistema una base fuerte, por ejemplo hidróxido de sodio, los iones
hidroxilos consumen rápidamente iones hidrógenos del sistema para formar agua,
lo que provoca la transformación de una parte del ácido acético libre en acetato
que es una base menos fuerte que el hidróxido de sodio.
La utilidad de las mezclas amortiguadoras en la regulación del equilibrio ácido-
base del plasma sanguíneo, estriba precisamente en la posibilidad de mantener la
concentración de iones hidrógeno dentro de límites estrechos, que con razón
puede considerarse invariable.
El pH se puede mantener muy aproximadamente al nivel que convenga,
escogiendo las mezclas adecuadas. Por un ejemplo, con un determinado
amortiguador el pH de una cierta reacción puede ser tres, y con otro amortiguador
la misma reacción se puede estudiar a Ph ocho.
Cálculos para determinar el pH de las soluciones amortiguadoras
Se emplea la expresión de equilibrio de un ácido para determinar la
concentración de ion hidronio de una solución amortiguadora que contiene una
concentración conocida de ácido y de su base conjugada. Por ejemplo, la
concentración de ion hidronio de una solución reguladora que es 1.0 molar en
ácido acético y 1.0 molar en ion acetato.
Se obtiene de la siguiente manera:
HC2H3O2 + H2O = H3O+ + C2H3O2-
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Ka = [H3O+] [C2H3O2-] / [HC2H3O2] = 1.8 X 10-5
Resolviendo para [H3O+] da
[H3O+]= Ka[HC2H3O2] / [C2H3O2-] = 1.8 X 10-5(1.0 M) / (1.0 M)
Por lo tanto
[H3O+]=1.8 X 10-5 La concentración del ion hidronio para cualquier solución
amortiguadora de un ácido débil y de su base conjugada
HA + H2O = H3O+ + A- está dada por la expresión
[H3O+]= Ka[HA] / [A-]donde Ka es la constante del ácido conocida, [HA] es la
concentración del ácido, y [A-] es la concentración de la base conjugada del ácido.
Formulas empíricas
Las formulas son muy importantes en el estudio de la química porque nos proveen de una forma concisa de describir la constitución química de un compuesto. La fórmula no se puede deducir del aspecto y las propiedades del compuesto.
Para encontrar la fórmula, primero debe analizarse químicamente el compuesto para determinar qué elementos lo constituyen.
El porcentaje por masa de cada elemento debe encontrarse experimentalmente. Esto se logra descomponiendo una muestra previamente pesada de un compuesto en sus elementos constituyentes, o sintetizando o combinando las cantidades previamente pesadas de cada elemento.
La masa de un elemento se puede usar para encontrar el número de moles de un elemento. El mol es la llave para la determinación de la formula.
Una fórmula establece le numero relativo de átomos combinados de cada elemento, que forman el compuesto. Dado que los moles corresponden a números muy grandes de átomos, podemos decir que las mismas relaciones existen tanto para los moles como para átomos.
Los subíndices en una fórmula se revelan la razón de átomos combinados o la razón de moles de átomos combinados el en compuesto. Así, una fórmula se interpreta como una expresión de la relación molar que existe entre los elementos constituyentes del compuesto. Un ejemplo es la fórmula del agua, H2O, indica que
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hay 2 moles de hidrogeno por cada mol de oxígeno en el compuesto. Es decir, de la formula vemos que la relación molar es
( 2moles H1molO )NOTA: si se conoce la composición en porcentaje -por- masa o la masa de cada elemento en una muestra de compuesto, es posible determinar el número de moles de cada elemento presente en una masa dada del compuesto.
Las relaciones molares de los elementos obtenidas en esta fórmula indican los subíndices que deben aparecer en la fórmula del compuesto. Esta fórmula se llama formula empírica.
Nota: El término empírico significa que se obtuvo de datos experimentales.
Ejemplo: #1
Un compuesto de plomo (Pb) y azufre (S).
Al experimentar se halló que 86.6g de Pb se combinaron con 13.4g de S para producir 100g de compuesto.
1. Hay que encontrar el número de moles de cada elemento utilizando las masas molares como factores de conversión.
plomo86.6 g( 1mol Pb207g )=0.4moles Pb
azufre 13.4 g( 1molS32.1 g )=0.417moles S2. Dividiendo el número de moles de plomo entre los de azufre, obtenemos la
relación molar.
( 0.418moles Pb0.417moles S )=( 1.00moles Pb1mol S )3. Dado que la relación molar es 1:1, el compuesto debe tener un átomo de
plomo combinado con cada átomo de azufre. Después la fórmula empírica es PbS.
Ejemplo #2
¿Cuál es la fórmula de un compuesto que tiene la siguiente composición 26.5 % de potasio (K), 35.4 % de cromo (Cr), y 38.1 % de oxigeno(O) combinados? De
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nuevo, para expresar las cantidades de los elementos en términos de masa, podemos expresar el número de gramos de cada elemento que estarían presentes en 100.0 g del compuesto. Entonces se puede determinar el número de moles de cada compuesto.
potasio26.5g ( 1mol K39.1g )=0.678moles K
cromo 35.4 g( 1molCr52.0 g )=0.681molesCr
oxígeno38.1g ( 1molO16.OO g )=2.38molesO
El número de moles más pequeño, que es el correspondiente al K, es el que se usa para dividir a los otros y hallar las relaciones molares.
( 0.681molesCr0.678moles K )=( 1.00molesCr1mol K )
( 2.38molesO0.678moles K )=( 3.51molesO1mol K )La fórmula, a partir de las relaciones, es KCrO3.5. Fíjese en que 3.5 oxígenos no tiene sentido desde el punto de vista químico. En este caso, para obtener subíndices enteros, se multiplica cada uno de los subíndices por 2. Así la fórmula empírica correcta es K2Cr2O7. Siempre que determine la fórmula de un compuesto a partir de su porcentaje de composición, y se obtengan números fraccionados en las relaciones molares tal como un medio, dos tercios, un tercio o un cuarto, deberán multiplicarse los subíndices por un número apropiado para obtener números enteros.
En este ejercicio se puede observar que en una de las relaciones molares (3.51) calculadas anteriormente se omitió una cifra. Los dígitos extra, como el de este caso, surgen probablemente de errores experimentales o de errores al redondear en los cálculos. Normalmente, los subíndices de las formulas son números enteros pequeños así que se omiten estas cifras extras al deducir la fórmula de las relaciones molares.
A menudo, las relaciones molares son números enteros sencillos. Ocasionalmente, la relación molar es una fracción y debe convertirse al número
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entero apropiado. La razón de esto es que el método de cálculo da las relaciones molares más simples o más reducidas.
La fórmula empírica determina en esta forma siempre es la fórmula más sencilla y puede que no sea la fórmula real. Esto es, la fórmula real puede ser algún múltiplo de la fórmula más simple.
La fórmula real de un compuesto depende de la manera en que los átomos se combinen para formar el compuesto. No obstante, la formula empírica es muy útil y en la mayoría de los casos es la fórmula real del compuesto.
Masa molares de los compuestos
Hemos aprendido que una fórmula refleja la composición atómica y la relación molar de los elementos en el compuesto. Ejemplo, la fórmula del agua es H2O. Si tuviéramos una muestra de agua que contiene un mol, o el número de Avogadro, de átomos de oxigeno combinados, también contienen 2 moles, o dos veces el número de Avogadro, de átomos de hidrogeno combinados. Es más, si nos dijeran que el agua se halla en forma molecular en la naturaleza, podemos concluir que la muestra contiene 1 mol, o número de Avogadro, de moléculas de agua.
Es posible visualizar un mol de compuesto como la cantidad que contiene el número de moles de cada elemento que está dada por los subíndices de la fórmula. Un mol de cloruro de sodio(NaCl), contiene 1 mol de sodio combinado con 1 mol de cloro.
Ejemplo: Un mol de sacarosa (C12H22O11) contiene 12 moles de carbono combinado con 22 moles de hidrogeno y 11 moles de oxígeno. También puede pensarse en un mol de compuesto como el número de Avogadro de unidades de compuesto tales como moléculas o combinaciones de iones. Un mol de cloruro de sodio contiene el número de Avogadro de combinaciones iónicas de NaCl. Un mol de sacarosa contiene el número de Avogadro de moléculas de C12H22O11.
Un mol de un compuesto es la cantidad, en gramos, que contiene el número de Avogadro de unidades formula sin importar la naturaleza de las unidades.
La masa molar de un compuesto expresa el número de gramos por mol del compuesto. Algunas veces, los químicos llaman a las masas molares de compuestos pesos moleculares o pesos fórmula.
El término “masa molar” es el que utilizaremos aquí. La masa molar se obtiene a partir de la fórmula del compuesto. Cada elemento, en el compuesto, contribuye a la masa molar como indican los subíndices de la formula.
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Para calcular la masa molar de un compuesto:
1. Multiplique la masa molar de cada elemento por su subíndice en la fórmula.
2. Sume las contribuciones de cada elemento y exprese el número de gramos por mol del compuesto.
Ejemplo: obtener la masa molar de la sacarosa, C12H22O11 (con 4 dígitos)
C 12(12.01)= 144.12
H 22(1.008)= 22.176
O 11(16.00)= 176.0
______
342.296 o ( 342.3g1molC12H 22O11 )
Formulas reales
La fórmula empírica de un compuesto expresa la relación numérica entera más sencilla entre los elementos que forman el compuesto. La fórmula empírica puede no corresponder a la formula real. Esta depende de la clase de moléculas o iones que integra el compuesto.
La fórmula real de un compuesto puede ser la formula empírica o un múltiplo entero de ella. Considere el compuesto benceno, el cual se obtiene petróleo o del alquitrán de hulla. El análisis químico del compuesto revela que está constituido por los elementos carbono e hidrogeno.
La fórmula empírica determinada a partir de la composición por masa es CH, que indica que un átomo de hidrogeno esta combinado con un átomo de carbono. Sin embargo, sabemos que el benceno consiste de moléculas que contienen seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno. La fórmula real C6H6, refleja esta composición.
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La fórmula empírica señala que la razón más sencilla entre el carbono y el hidrogeno es 1:1 pero la formula real se seis veces la formula empírica.
La fórmula real se obtiene a partir de la empírica.
Para lograr la formula empírica es necesario tener el dato experimental de la masa molar del compuesto. La idea es que si se conoce la masa molar, ésta se puede usar para encontrar la fórmula.
Existen varios métodos experimentales para determinar la masa molar de un compuesto sin tener que conocer la fórmula de antemano.
Suponga que no sabe cuál es la fórmula real del benceno, sólo la empírica, CH. Una determinación experimental indica la relación molar de (78 g/ 1 mol de benceno). La fórmula empírica, CH, corresponde a la masa molar de (13 g/ 1 mol de CH). La fórmula real se obtiene dividiendo la masa molar del compuesto entre la masa molar de la formula empírica:
( 78g /1mol benceno13g /1molCH )=( 6.0molesCH1moldebenceno )
El resultado demuestra que el compuesto contiene 6 CH, que corresponde a la formula real C6H6.
Ejemplo: El octano, compuesto que se encuentra en la gasolina, tiene la formula empírica C4H9. Si la masa molar experimental del octano es (114g/mol de octano) ¿Cuál es la fórmula real?
Dividiendo la masa molar del compuesto entre la masa que corresponde a la formula empírica, C4H9 (57.1g/mol) se obtiene la formula real.
( 114 g /1mol octano57g /1molC4 H 9 )=( 2.0molesC 4H 91moldeoctano )Por lo tanto, la formula real es C8H18.
Ejemplo: El metano, principal componente del gas natural, tiene la formula empírica CH4. La determinación experimental de la masa molar del metano da (16g/ mol de metano). ¿Cuál es la fórmula real?
La masa molar que corresponde a la formula empírica es (16g/1 mol de CH4). Este valor es el mismo que el de la masa molar experimental, luego, la formula empírica es igual a la real, CH4.
REACIONES Y ECUACIONES QUÍMICAS
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Dos sustancias que tienen características únicas han interactuado para formar una
sustancia nueva con características diferentes. A estas transformaciones se
llaman reacciones químicas, son fundamentales en química.
Una reacción química es un proceso en el cual ciertas sustancias se convierten
en otras. Una reacción química involucra elementos que se combinan para formar
un compuesto, como en la formación del cloruro de sodio a partir de sodio y cloro,
o un compuesto que se descompone para formar elementos, un ejemplo es la
descomposición del óxido de mercurio (II), HgO, para formar el metal mercurio y el
gas oxígeno. Recíprocamente, una reacción química puede involucrar compuestos
químicos que interaccionan para formar nuevos compuestos químicos, como en la
combinación del metano, CH4 (principal componente del gas natural), con oxígeno
para formar dióxido de carbono y agua.
Las reacciones químicas son procesos realmente fascinantes. En una reacción
química las sustancias iniciales, llamadas reactivos se dice que reaccionan
químicamente para formar sustancias denominadas productos.
Los reactivos contienen un grupo específico de átomos combinados químicamente
que les confieren características químicas especiales. Sin embargo, cuando tiene
lugar, la reacción, el grupo inicial de átomos se transforma en un nuevo conjunto
de combinaciones características o productos. Se forman sustancias nuevas.
Las reacciones químicas ocurren continuamente alrededor nuestro. La digestión y
el metabolismo de los alimentos involucran reacciones químicas, así como
también el enmohecimiento de los metales y la combustión de la gasolina son
reacciones químicas.
La química experimental incluye la observación y la descripción de las reacciones
químicas. Las reacciones suministran formas de separar elementos de los
compuestos de preparar nuevos compuestos.
Una reacción química se escribe indicando los reactivos y los productos.
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Ejemplo: cuando se quema carbón, los principales reactivos son carbono (C,
componente principal del carbón) y gas oxigeno (O2, recuerde que el oxígeno se
presenta como molécula diatomica) del aire. Reaccionan para formar dióxido de
carbono como producto. Luego, decimos que el carbono reacciona con el oxígeno
para formar dióxido de carbono. La reacción química se representa
simbólicamente con una ecuación química y se escribe como sigue:
C + O2 CO2
Una ecuación química debe incluir las formulas apropiadas de los reactivos y de
los productos. Además, las fórmulas de los reactivos van separadas por signos
más que se puede leer como “más” o “y”.
Las fórmulas de los productos, si son más de una, también se separan por signos
más. Los reactivos se separan de los productos por una flecha ( ), símbolo que
significa “reacciona para formar, producir o dar.” La ecuación anterior establece
que el carbono y el oxígeno reaccionan para formar dióxido de carbono, o carbono
más oxigeno reaccionan para formar dióxido de carbono. Note que el símbolo
utilizado para el carbono solido es el símbolo atómico, C, y el símbolo para el
oxígeno gaseoso es la fórmula de la molécula diatómica, O2.
Las ecuaciones químicas se utilizan para describir las reacciones químicas. En
sentido figurado, si las formulas son palabras químicas, la ecuación es una oración
que describe un proceso químico.
CONSERVACIÓN DE LA MASA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
Los átomos combinados que integran las sustancias no se crean ni se destruyen
durante una reacción química, sino simplemente las combinaciones de átomos
cambian a otras nuevas combinaciones.
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En consecuencia, el número total de átomos de cada elemento permanece
constante. Dado que durante una reacción química los átomos no se crean ni se
destruyen, la masa total de los reaccionantes deberá ser igual a la masa total de
los productos.
Ejemplo: cuando utilizamos el cubo-flash en una cámara. El cubo-flash contiene
algo de metal magnesio y algo de gas oxígeno. El paso de una pequeña corriente
eléctrica a través del magnesio origina una reacción química violenta entre el
magnesio y el oxígeno. Aun cuando esta reacción va acompañada del
desprendimiento de energía en forma de calor y luz, no se detecta la perdida ni
ganancia de masa en la reacción. Esto es, la masa del cubo-flash es la misma
antes y después de la reacción.
Al hecho de que la masa se conserve durante la reacción química se le llama ley
de la conservación de la materia. Dado que la masa se conserva, el mismo
número de átomos combinados involucrados en los reactivos debe estar presente
en los productos. Desde luego, los estados de combinación de los átomos son
diferentes, pero el número total de átomos combinados debe ser el mismo.
BALANCEO DE ECUACIONES QUÍMICAS
La ley de la conservación de la materia afecta la forma en que se escribe una
ecuación. El número de átomos de cada elemento debe ser igual al del otro lado
de la ecuación.
La reacción que ocurre cuando el metano, CH4, reacciona con el gas oxígeno se
produce dióxido de carbono, CO2, y agua, H2O.
La ecuación se escribe colocando las fórmulas de los reactivos y de los productos
separados por una flecha:
CH4 + O2 CO2 + H2O
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Sin embargo, debemos estar seguros de que el número de átomos de cada
elemento es el mismo en ambos lados de la ecuación, dado que los átomos no se
crean ni se destruyen en una reacción.
Nosotros no podemos cambiar las fórmulas de los compuestos para lograr que el
número de átomos de cada elemento sea el mismo en cada lado de la flecha,
debido a que ello no sería representativo de los compuestos. Podemos, sin
embargo, cambiar el número de unidades formula de cualquier compuesto que
aparece en la ecuación. Esto se logra colocando un coeficiente numérico al frente
de la fórmula del compuesto.
Ejemplo: para tener cuatro átomos de hidrógeno a cada lado de la ecuación
anterior, deben formarse dos H2O; y para tener cuatro átomos de oxígeno a cada
lado, deben reaccionar dos O2. Para ello se coloca el número conveniente,
llamado coeficiente, antes de la fórmula del compuesto. Así, la ecuación
correctamente escrita es:
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Esta ecuación se puede leer de tres maneras:
1. C-H- cuatro más dos-O- dos reaccionan para dar C-O- dos más dos H-dos-
O.
2. El metano reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y
agua.
3. Un mol de metano y 2 moles de oxigeno reaccionan para formar 1 mol de
dióxido de carbono y 2 moles de agua.
A menos que se requiera una interpretación especifica de la ecuación, el
primer método es suficiente para la lectura de una ecuación.
En cualquier ecuación que represente una ecuación química, los coeficientes
deben ajustarse para satisfacer el requisito de que el número de átomos de
cada elemento debe ser el mismo tanto en los reactivos como en los
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productos. Una ecuación en la cual el número de átomos de cada elemento es
el mismo en ambos lados de la flecha se llama una ecuación balanceada.
El proceso de ajuste de los coeficientes se llama balancear la ecuación.
Frecuentemente el balanceo se lleva a cabo ensayando, es decir, proponiendo
varios coeficientes y contando el número de átomos de cada tipo. Las formulas
o los subíndices nunca cambian al balancear una ecuación. Los compuestos
se pueden manejar como unidades, ya que son grupos de átomos combinados
químicamente. Por lo tanto, sólo se pueden alterar los coeficientes al balancear
las ecuaciones.
Las ecuaciones químicas se usan para representar un cambio químico de
manera abreviada. Todas las reacciones se pueden enunciar con palabras,
pero la ecuación nos da una descripción concisa del proceso químico con los
símbolos apropiados.
La masa molar como un factor de conversión
La masa molar de un elemento se puede usar como factor de conversión. Por ejemplo si se tienen 24.0 g de carbono, se sabe que hay 2 moles de átomos de carbono.
El número de átomos de un elemento se expresa mejo en términos de moles de átomos, así como acostumbramos usar el término “docena” cuando se refiere a huevos en vez de decir el número de huevos. La masa molar sirve para encontrar el número de moles de un elemento en cualquier muestra de masa conocida., se entiende que se logra cuando la masa molar factor de conversión.
Cuando se usa la masa molar, se puede determinar el número de moles de un elemento contenido en cierto número de gramo de ese elemento. Una vez estableciendo el número de moles, se calcula el número de átomos utilizando el número de Avogadro, expresad como aparece en el margen, se puede usar un factor de conversión para transformar moles a número de átomos o viceversa.
La masa molar también se usa para hallar la masa de un elemento que corresponde a un número específico de moles de un elemento y deseamos determinar la masa. Se multiplica por la masa molar para convertir moles a gramos.
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MOL
El mol es la cantidad de un elemento en gramos, que contienen el número de Avogadro. 6.02 x 10, de átomos.
Los químicos han determinado experimentalmente el número de átomos en una cantidad de elemento cuando la masa en gramos es numéricamente la misma que el peso atómico. Este número. N, es 6.02 x 10, y se llama número de Avogadro en honor del científico amadeo Avogadro, del siglo XVII. Es un número muy grande.
Para relacionar la masa de una muestra con el número de átomo, se ha establecido el termino mil, cuya definición está en el margen. La cantidad de un elemento, en gramos, que contiene 6.02 x 10 átomos será numéricamente igual al peso atómico del elemento. Así, para cada elemento, podemos expresar el número de gramos por mol, o masa molar, utilizar el valor del peso atómico. A continuación se citan algunos ejemplos (con tres cifras es suficiente para la mayoría de los cálculos...
Cuando necesite una masa molar, simplemente consulte la tabla de peso atómico que se encuentran en la cubierta interna al final de este libro.
Cada átomo posee, masa y el peso atómico es una medida de su masa. Si tenemos una muestra de un elemento, su masa sería igual a la masa de las masas de los átomos que la constituyen.
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