Objetivos de aprendizaje
- Define un ácido fuerte.
- Enumerar algunos ácidos fuertes.
- Definir un ácido débil.
- Enumerar algunos ácidos débiles.
- Escribir la expresión de la constante de ionización del ácido.
- Define las bases fuertes y débiles.
- Da ejemplos de bases fuertes y débiles.
- Escribe la expresión para la constante de ionización de la base.
- Realizar cálculos de constantes de ionización de ácidos y bases.
Ácidos fuertes y débiles y constante de ionización de ácidos (Ka)
¿Cómo graban el vidrio?
El grabado del vidrio es un proceso lento que puede producir hermosas obras de arte. Tradicionalmente, el vidrio se trata con ácido fluorhídrico diluido que disuelve gradualmente el vidrio que hay debajo. Las partes de la pieza que no deben ser grabadas se cubren con cera o algún otro material no reactivo. En tiempos más recientes, se han utilizado compuestos como el bifluoruro de amonio. Sea cual sea el producto químico empleado, el artista debe tener mucho cuidado de no mancharse la piel.
Ácidos fuertes y débiles y constante de ionización de los ácidos
Los ácidos se clasifican en fuertes o débiles, en función de su ionización en el agua. Un ácido fuerte es un ácido que se ioniza completamente en una solución acuosa. El cloruro de hidrógeno (HCl) se ioniza completamente en iones de hidrógeno e iones de cloruro en el agua.
Un ácido débil es un ácido que se ioniza sólo ligeramente en una solución acuosa. El ácido acético (que se encuentra en el vinagre) es un ácido débil muy común. Su ionización se muestra a continuación.
La ionización del ácido acético es incompleta, por lo que la ecuación se muestra con una flecha doble. El grado de ionización de los ácidos débiles varía, pero generalmente es inferior al 10%. Una solución 0,10 M de ácido acético sólo está ionizada en un 1,3%, lo que significa que el equilibrio favorece fuertemente a los reactivos.
Los ácidos débiles, al igual que los ácidos fuertes, se ionizan para producir el ion H + y una base conjugada. Como el HCl es un ácido fuerte, su base conjugada (Cl – ) es extremadamente débil. El ion cloruro es incapaz de aceptar el ion H + y convertirse de nuevo en HCl. En general, cuanto más fuerte es el ácido, más débil es su base conjugada. Del mismo modo, cuanto más débil es el ácido, más fuerte es su base conjugada.
| Ácido | Base conjugada |
| Ácidos fuertes | |
| HCl (ácido clorhídrico) (más fuerte) | Cl – (ion cloruro) (más débil) |
| H 2 SO 4 (ácido sulfúrico) | HSO 4 – (ion sulfato de hidrógeno) |
| HNO 3 (ácido nítrico) | NO 3 – (ion nitrato) |
| Ácidos débiles | |
| H 3 PO 4 (ácido fosfórico) | H 2 PO 4 – (ion dihidrógeno fosfato) | CH 3 COOH (ácido acético) | CH 3 COO – (ion acetato) |
| H 2 CO 3 (ácido carbónico) | HCO 3 – (ion hidrógeno carbonato) |
| HCN (ácido cianhídrico) (más débil) | CN – (ion cianuro) (más fuerte) |
Los ácidos fuertes están 100% ionizados en solución. Los ácidos débiles sólo están ligeramente ionizados. El ácido fosfórico es más fuerte que el ácido acético y por eso se ioniza en mayor medida. El ácido acético es más fuerte que el ácido carbónico, y así sucesivamente.
La constante de ionización del ácido, Ka
La ionización para un ácido débil general, HA, puede escribirse de la siguiente manera:
Como el ácido es débil, se puede escribir una expresión de equilibrio. La constante de ionización del ácido (Ka) es la constante de equilibrio para la ionización de un ácido.
La ionización del ácido representa la fracción del ácido original que se ha ionizado en la solución. Por lo tanto, el valor numérico de Ka es un reflejo de la fuerza del ácido. Los ácidos débiles con valores de Ka relativamente más altos son más fuertes que los ácidos con valores de Ka relativamente más bajos. Como los ácidos fuertes están esencialmente ionizados al 100%, la concentración del ácido en el denominador es casi cero y el valor Ka se aproxima al infinito. Por esta razón, los valores de Ka se reportan generalmente sólo para los ácidos débiles.
La tabla siguiente es una lista de las constantes de ionización de los ácidos para varios ácidos. Nótese que los ácidos polipróticos tienen una constante de ionización distinta para cada paso de ionización, siendo cada constante de ionización sucesiva menor que la anterior.
| Nombre del ácido | Ecuación de ionización | Ka | |
|---|---|---|---|
| Ácido sulfúrico | Muy grande
1.3 × 10-2 |
Ácido oxálico | 6,5 × 10-2
6.1 × 10-5 |
Ácido fosfórico | H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4-
H2PO4- ⇌ H+ + HPO42- HPO42- ⇌ H+ + PO43- |
7,5 × 10-3 6,2 × 10-8 4.8 × 10-13 |
Ácido hidrofluórico | HF ⇌ H+ + F- | 7,1 × 10-4 |
| Ácido nitroso | HNO2 ⇌ H+ + NO2- | 4.5 × 10-4 | |
| Ácido benzoico | C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- | 6.5 × 10-5 | |
| Ácido acético | CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO- | 1.8 × 10-5 | |
| Ácido carbónico |
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- HCO3- ⇌ H+ + CO32- |
4.2 × 10-7
4,8 × 10-11 |
|
| Ácido hidrociánico | HCN ⇌ H+ + CN- | 4.9 × 10-10 |
Bases fuertes y débiles y constante de ionización de las bases (Kb)
¿Para qué sirve el amoníaco?
Toda la compleja electrónica y aparatos de un transbordador espacial generan calor, al igual que los astronautas. Los transbordadores tienen una compleja disposición de sistemas para disipar ese calor al espacio exterior. Uno de los componentes de este sistema es una serie de bobinas llenas de amoníaco que se encuentran en el exterior del transbordador. El amoníaco absorbe el calor y lo libera al espacio cuando el gas circula por las bobinas. Este método es barato y eficaz.
Bases fuertes y débiles y constante de ionización de las bases, Kb
Al igual que los ácidos, las bases pueden ser fuertes o débiles, dependiendo de su grado de ionización. Una base fuerte es una base que se ioniza completamente en una solución acuosa. Las bases fuertes más comunes son los compuestos de hidróxidos metálicos solubles, como el hidróxido de potasio. Algunos hidróxidos metálicos no son tan fuertes simplemente porque no son tan solubles. El hidróxido de calcio es sólo ligeramente soluble en agua, pero la parte que se disuelve también se disocia en iones.
Una base débil es una base que se ioniza sólo ligeramente en una solución acuosa. Recordemos que una base puede definirse como una sustancia que acepta un ion hidrógeno de otra sustancia. Cuando una base débil como el amoníaco se disuelve en agua, acepta un ion H + del agua, formando el ion hidróxido y el ácido conjugado de la base, el ion amonio.
El equilibrio favorece enormemente a los reaccionantes y el grado de ionización de la molécula de amoníaco es muy pequeño.
Se puede escribir una expresión de equilibrio para las reacciones de las bases débiles con el agua. Como la concentración de agua es extremadamente grande y prácticamente constante, el agua no se incluye en la expresión. La constante de ionización de una base (Kb) es la constante de equilibrio para la ionización de una base. Para el amoníaco la expresión es:
El valor numérico de Kb es un reflejo de la fuerza de la base. Las bases débiles con valores de Kb relativamente altos son más fuertes que las bases con valores de Kb relativamente bajos. La siguiente tabla es un listado de constantes de ionización de bases para varias bases débiles.
| Nombre de la base | Ecuación de ionización Ecuación | Kb |
|---|---|---|
| Metilamina | CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- | 5.6 × 10-4 |
| Amoníaco | NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- | 1.8 × 10-5 |
| Piridina | C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- | 1.7 × 10-9 |
| Ión acetato | CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- | 5,6 × 10-10 |
| Ión fluoruro | F- + H2O ⇌ HF + OH- | |
| Urea | H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- | 1.5 × 10-14 |
Nota que la base conjugada de un ácido débil es también una base fuerte. Por ejemplo, el ion acetato tiene una pequeña tendencia a aceptar un ion hidrógeno del agua para formar ácido acético y el ion hidróxido.
Calcular Ka y Kb
¿Quién inventó el medidor de pH?
El medidor de pH se inventó porque los productores de naranjas de Florida necesitaban una forma de comprobar la acidez de su fruta. El primer medidor fue inventado por Arnold Beckman, que luego fundó Beckman Instruments.
El negocio de Beckman tuvo mucho éxito y utilizó gran parte de su fortuna para financiar la educación y la investigación científica. La familia Beckman donó 40 millones de dólares para construir el Instituto Beckman en la Universidad de Illinois.
Calcular Ka y Kb
El valor numérico de Ka o Kb puede determinarse a partir de un experimento. Se prepara una solución de concentración conocida y se mide su pH con un instrumento llamado medidor de pH.
Figura 1. Un medidor de pH es un dispositivo de laboratorio que proporciona mediciones rápidas y precisas del pH de las soluciones.
Problema de muestra: Cálculo de una constante de ionización del ácido
Se prepara una solución 0,500 M de ácido fórmico y se mide su pH para que sea 2,04. Determine la Ka del ácido fórmico.
Paso 1: Enumere los valores conocidos y planifique el problema.
Conocido
- inicial = 0,500 M
- pH = 2,04
- Ka =
- Se definen los ácidos fuertes y débiles.
- Se define la constante de ionización del ácido (Ka).
- Se definen las bases fuertes y débiles.
- Se indica la constante de equilibrio de las bases.
- Se describen los cálculos de Ka y Kb.
- ¿Por qué no se incluye el factor en la expresión de Ka?
- Cuando escribimos H+, ¿de qué estamos hablando realmente?
- ¿Cuál es el ácido más débil: el metanoico o el etanoico?
- En presencia de iones hidróxido, ¿hacia qué lado se desplaza el equilibrio de la ecuación que muestra la disociación del agua?
- ¿Qué porcentaje de amoníaco en disolución produce realmente iones hidróxido?
- ¿Cómo se relaciona la posición de equilibrio con la fuerza de una base débil?
- ¿A qué se disocia una base de Arrhenius?
- ¿Qué forma una base de Brønsted-Lowry en el agua?
- ¿Cómo se determina el porcentaje de ionización?
Desconocido
En primer lugar, se utiliza el pH para calcular el en equilibrio. Se establece una tabla ICE para determinar las concentraciones de HCOOH y HCOO – en el equilibrio. A continuación, se sustituyen todas las concentraciones en la expresión Ka y se calcula el valor Ka.
Paso 2: Resolver.
Como cada molécula de ácido fórmico que se ioniza produce un ion H + y un ion formiato (HCOO – ), las concentraciones de H + y HCOO – son iguales en el equilibrio. Suponemos que las concentraciones iniciales de cada ion son cero, lo que da lugar a la siguiente tabla de ICE.
| Concentraciones | Inicial | 0.500 | 0 | 0 | ||||
| -9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 | +9,12 × 10 -3 | ||||||
| Equilibrio | 0.491 | 9,12 × 10 -3 | 9.12 × 10 -3 |
Ahora sustituyendo en la expresión Ka da:
Paso 3: Piensa en tu resultado.
El valor de Ka es coherente con el de un ácido débil. Dos cifras significativas son apropiadas para la respuesta, ya que hay dos dígitos después del punto decimal en el pH informado.
Se pueden seguir pasos similares para determinar la Kb de una base. Por ejemplo, una solución 0,750 M de la base débil etilamina (C2H5 NH2) tiene un pH de 12,31.
Dado que uno de los productos de la reacción de ionización es el ion hidróxido, necesitamos encontrar primero el en equilibrio. El pOH es 14 – 12,31 = 1,69. El se encuentra entonces de 10 -1,69 = 2,04 × 10 -2 M. La tabla ICE se establece entonces como se muestra a continuación.
| Concentraciones | Inicial | 0.750 | 0 | 0 | |||
| -2,04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 | +2,04 × 10 -2 | |||||
| Equilibrio | 0,730 | 2,04 × 10 -2 | 2.04 × 10 -2 |
Sustituyendo en la expresión Kb se obtiene la Kb de la etilamina.
Resumen
Práctica
Ácidos fuertes y débiles y constante de ionización de los ácidos (Ka)
Lee el material en el siguiente enlace y responde a las siguientes preguntas:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html
Bases fuertes y débiles y constante de ionización de las bases (Kb)
Lee el material del siguiente enlace y responde a las siguientes preguntas:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html
Calculando Ka y Kb
Lee el material en el siguiente enlace y responde a las siguientes preguntas:
http://www.ausetute.com.au/kb.html
Revisión
Ácidos fuertes y débiles y constante de ionización de los ácidos (Ka)
- ¿Por qué el ion cloruro es la base conjugada más débil?
- ¿Cuál es el porcentaje de ionización en una disolución 0.
- ¿Cuál es el ácido más fuerte: el HF o el ácido benzoico?
- Defina una base fuerte.
- Defina una base débil.
- ¿Cuál es la base más fuerte: la piridina o la urea?
- Calcular Ka y Kb
- ¿Qué enfoque se utiliza para el cálculo de las constantes de ionización?
- ¿Qué suposiciones iniciales se hacen?
- ¿Qué suposiciones de equilibrio se hacen?
Glosario
- Constante de ionización del ácido
: La constante de equilibrio para la ionización de un ácido. - Ácido fuerte: Un ácido que se ioniza completamente en solución acuosa.
- Ácido débil: Un ácido que se ioniza sólo ligeramente en solución acuosa.
- Constante de ionización de la base
: La constante de equilibrio para la ionización de una base. - Base fuerte: Una base que se ioniza completamente en solución acuosa.
- Base débil: Una base que se ioniza sólo ligeramente en una solución acuosa.
- Medidor de pH: Un dispositivo para medir con precisión el pH.