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Química General · Acid–base and solubility equilibria

pH de ácidos débiles, bases débiles y sales

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

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Lo que aprenderás

  • Interconvert pH, pOH, [H₃O⁺] and [OH⁻] at 25 °C and calculate the pH of strong acid and strong base solutions.
  • Write Ka and Kb expressions and find the pH of a weak acid or weak base with an ICE table, checking the 5 % approximation and solving the quadratic when it fails.
  • Calculate percent ionization and explain why it rises when a weak acid is diluted.
  • Use Ka·Kb = Kw to decide whether a salt solution is acidic, basic or neutral and to calculate its pH.
  • Treat a polyprotic acid through its first ionization and recognize that [A²⁻] ≈ Ka2 in a solution of H₂A alone.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

Leer la lección gratis (7 partes)

pH, pOH y ácidos y bases fuertes

pH = −log[H₃O⁺] y pOH = −log[OH⁻]. El agua se autoioniza y a 25 °C Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴, por lo que pH + pOH = 14.00. Cada unidad de pH equivale a un factor de 10 en [H₃O⁺]. Una disolución es neutra cuando [H₃O⁺] = [OH⁻]; esto ocurre a pH 7.00 solo a 25 °C, porque Kw aumenta con la temperatura. Los ácidos fuertes (HCl, HBr, HI, HNO₃ (dibujado), HClO₄ y el primer protón del H₂SO₄) y las bases fuertes (los hidróxidos del grupo 1 y Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂) se ionizan por completo, de modo que sus concentraciones dan directamente [H₃O⁺] o [OH⁻]. Ejemplo: una disolución 0.0040 M de HClO₄ tiene [H₃O⁺] = 0.0040 M, pH = 2.40 y [OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴/0.0040 = 2.5 × 10⁻¹² M. Una disolución 0.0020 M de KOH tiene pOH = 2.70 y pH = 14.00 − 2.70 = 11.30.

Ácidos y bases débiles: Ka, Kb y la tabla ICE

Un ácido débil transfiere un protón al agua solo en parte: HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻, Ka = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] y pKa = −log Ka. Una base débil toma un protón del agua: B + H₂O ⇌ BH⁺ + OH⁻, Kb = [BH⁺][OH⁻]/[B]. El agua es el disolvente y se omite en ambas expresiones. Para una disolución de HA de concentración C, la tabla ICE da Ka = x²/(C − x) con x = [H₃O⁺]. Supón que x es pequeño, descártalo en C − x, con lo que x = √(Ka·C), y luego comprueba que x sea menor que el 5 % de C. Ejemplo: una disolución 0.10 M de HOCl (Ka = 3.0 × 10⁻⁸, dibujado) da x = √(3.0 × 10⁻⁹) = 5.5 × 10⁻⁵ M, solo el 0.055 % de C, y pH = 4.26. Cuando la comprobación falla, resuelve x² + Ka·x − Ka·C = 0. Para una disolución 0.10 M de CH₃NH₂ (Kb = 4.4 × 10⁻⁴) el atajo da 6.6 × 10⁻³ M, el 6.6 % de C, así que usa la ecuación cuadrática: x = [−Kb + √(Kb² + 4Kb·C)]/2 = 6.4 × 10⁻³ M = [OH⁻], pOH = 2.19 y pH = 11.81. En la mayoría de las disoluciones de ácidos y bases débiles la molécula sin ionizar es la especie mayoritaria del soluto; solo las disoluciones muy diluidas de los ácidos débiles más fuertes, como HF 0.0010 M (ionizado en torno al 55 %), rompen este patrón.

Transferencia de protón hacia y desde el agua

Cada uno de estos equilibrios es una única transferencia de protón con el agua. En HF + H₂O ⇌ H₃O⁺ + F⁻ (dibujado), un par solitario del oxígeno del agua se enlaza al hidrógeno del HF y el par enlazante H–F queda sobre el flúor como fluoruro. El agua es la base y el HF el ácido; H₃O⁺/H₂O y HF/F⁻ son los pares conjugados. Un anión básico invierte los papeles: en OCl⁻ + H₂O ⇌ HOCl + OH⁻ un par solitario del oxígeno del hipoclorito toma un protón del agua y el par enlazante O–H queda sobre el oxígeno del agua como hidróxido. Ambas transferencias de protón son rápidas en cada dirección, por lo que Ka o Kb simplemente miden hacia dónde se inclina el equilibrio.

Porcentaje de ionización y dilución

Porcentaje de ionización = x/C × 100. Bajo la aproximación del 5 % es igual a 100·√(Ka/C), así que diluir un ácido débil 100 veces multiplica por diez su porcentaje de ionización, aunque [H₃O⁺] disminuya. La razón es el principio de Le Châtelier: la dilución reduce por igual todas las concentraciones disueltas y, como el lado derecho tiene dos partículas disueltas y el izquierdo una, Q = [H₃O⁺][A⁻]/[HA] cae por debajo de Ka y se ioniza más ácido. Ejemplo: el HOCl está ionizado al 0.055 % a 0.10 M y al 0.55 % a 0.0010 M; su pH solo sube de 4.26 a 5.26 con esa dilución de 100 veces. Un ácido fuerte se comporta de forma distinta: su pH sube una unidad por cada dilución de diez veces, mientras que el pH de un ácido débil sube solo alrededor de media unidad.

Pares conjugados y sales: Ka·Kb = Kw

Para cualquier par conjugado Ka·Kb = Kw, así que pKa + pKb = 14.00 a 25 °C: cuanto más fuerte es un ácido, más débil es su base conjugada. Para predecir el pH de una sal, examina cada ion. Las bases conjugadas de ácidos fuertes (Cl⁻, Br⁻, I⁻, NO₃⁻, ClO₄⁻) y los cationes de bases fuertes (Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺) no reaccionan con el agua. Los aniones de ácidos débiles (F⁻, CH₃COO⁻, CN⁻, OCl⁻) son bases débiles y hacen básica la disolución. El NH₄⁺ y los cationes metálicos hidratados pequeños y con carga alta, como Al³⁺ y Fe³⁺, son ácidos débiles. Cuando ambos iones reaccionan, compara el Ka del catión con el Kb del anión. Ejemplo: para NH₄Cl 0.10 M (dibujado), Ka(NH₄⁺) = 1.0 × 10⁻¹⁴/1.8 × 10⁻⁵ = 5.6 × 10⁻¹⁰, [H₃O⁺] = √(5.6 × 10⁻¹¹) = 7.5 × 10⁻⁶ M y pH = 5.13.

Ácidos polipróticos

Un ácido poliprótico cede sus protones uno a uno, y Ka1 ≫ Ka2 porque el segundo protón debe salir de un ion con carga negativa. Cuando Ka1 es mucho mayor que Ka2, el pH de una disolución de H₂A solo proviene únicamente de la primera ionización. Además, el primer paso hace que [HA⁻] ≈ [H₃O⁺], de modo que en Ka2 = [H₃O⁺][A²⁻]/[HA⁻] ambos se cancelan y [A²⁻] ≈ Ka2, sea cual sea la concentración inicial. Ejemplo: el ácido carbónico 0.10 M (dibujado; Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷, Ka2 = 5.6 × 10⁻¹¹) tiene [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁸) = 2.1 × 10⁻⁴ M, pH = 3.68 y [CO₃²⁻] ≈ 5.6 × 10⁻¹¹ M. El ácido sulfúrico es la excepción: su primer protón es fuerte y Ka2 = 1.2 × 10⁻² es lo bastante grande como para que el segundo paso aporte una cantidad medible de H₃O⁺, lo que requiere su propia ecuación cuadrática.

Lo que conviene recordar

Convierte con soltura entre pH, pOH, [H₃O⁺] y [OH⁻] con Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴ a 25 °C. Los ácidos y las bases fuertes se ionizan por completo. Para un ácido o una base débil, escribe la tabla ICE, prueba con x = √(K·C), comprueba la regla del 5 % y recurre a la ecuación cuadrática si es necesario. El porcentaje de ionización aumenta al diluir. Ka·Kb = Kw te indica con qué intensidad reaccionan con el agua los iones de una sal. En un ácido poliprótico, la primera ionización fija el pH y [A²⁻] ≈ Ka2.

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Dibuja el mecanismo 2

Ácidos y bases débiles

  • El ácido fluorhídrico cede un protón al aguaDibuja la transferencia de protón del HF al agua con flechas curvas y usa Ka para juzgar hasta dónde llega.

Sales y Ka·Kb = Kw

  • El ion hipoclorito le quita un protón al aguaDibuja la transferencia de protón del agua al hipoclorito que hace básicas las disoluciones de lejía, y calcula la Kb del hipoclorito a partir de la Ka del ácido hipocloroso.

Predice el producto 4

Ácidos y bases débiles

  • ¿Qué hay realmente en una disolución de amoniaco?Predice la especie del soluto más abundante en una disolución de base débil a partir del valor de Kb.
  • Escribe Kb para la metilaminaEscribe la expresión de la constante de ionización básica de una base débil que reacciona con agua.

Sales y Ka·Kb = Kw

  • Cuando ambos iones reaccionan con el aguaPredice si una sal de ácido débil y base débil es ácida o básica comparando el Ka del catión con el Kb del anión.

Porcentaje de ionización y dilución

  • Diluir ácido acético 100 vecesPredice cómo cambian el porcentaje de ionización y el pH cuando un ácido débil se diluye 100 veces.

Clasificar 2

Sales y Ka·Kb = Kw

  • ¿Qué sal hace básica el agua?Clasifica las sales como ácidas, básicas o neutras identificando qué ion reacciona con el agua.

pH, pOH y ácidos y bases fuertes

  • Detecta la lista de solo ácidos fuertesClasifica ácidos comunes como fuertes o débiles en agua a partir de la lista estándar de ácidos fuertes.

Comparar 4

Ácidos polipróticos

  • Especies del fosfato en el ácido fosfóricoOrdena las concentraciones de las especies de una disolución de ácido poliprótico a partir de sus valores de Ka sucesivos.

Weak acids and bases

  • Rank acids given Ka or pKaRank weak acids by strength when some are given as Ka and others as pKa.

pH, pOH y ácidos y bases fuertes

  • Ordena disoluciones dadas en unidades mixtasOrdena disoluciones descritas por pH, pOH, [H₃O⁺] o [OH⁻] convirtiendo cada una a una escala de pH común.

Sales y Ka·Kb = Kw

  • Ordena disoluciones de sales por pHOrdena disoluciones de sales por pH comparando la Ka o la Kb del ion que reacciona con el agua.

Calcular 17

Ácidos polipróticos

  • ¿Cuánto dianión ascorbato hay presente?Calcula la concentración del anión totalmente desprotonado de un ácido diprótico usando [A²⁻] ≈ Ka2.
  • pH de una disolución de vitamina CCalcula el pH de un ácido diprótico a partir de su primera ionización cuando Ka1 ≫ Ka2.
  • pH de ácido fosfórico 0.10 MResuelve la ecuación cuadrática para la primera ionización de un ácido poliprótico cuyo Ka1 es demasiado grande para la aproximación del 5 %.
  • pH de ácido sulfúrico 0.010 MCalcula el pH de ácido sulfúrico diluido combinando una primera ionización completa con una segunda ionización de equilibrio.

pH, pOH y ácidos y bases fuertes

  • pH del ácido nítrico diluidoCombina una dilución con la ionización completa para hallar el pH de un ácido fuerte.
  • Concentración de hidróxido a partir del pHConvierte un pH medido en la concentración de iones hidróxido de una disolución básica.
  • pH a partir de una concentración de hidróxidoConvierte una concentración de ion hidróxido en pH pasando por el pOH y Kw.

Porcentaje de ionización y dilución

  • Porcentaje de ionización después de diluirEscala el porcentaje de ionización con la raíz cuadrada inversa de la concentración cuando se diluye un ácido débil.
  • Porcentaje de ionización a partir del pHCalcula el porcentaje de ionización de un ácido débil a partir de su concentración y del pH medido.
  • ¿Cuánto ácido benzoico se ioniza?Calcula el porcentaje de ionización de un ácido débil a partir de su Ka y su concentración.

Sales y Ka·Kb = Kw

  • pH de una disolución 0.20 M de cloruro de amonioCalcula el pH de una disolución de sal de amonio a partir de la Kb del amoníaco mediante Ka = Kw/Kb.
  • pH de fluoruro de sodio 0.10 MCalcula el pH de una disolución de la sal de sodio de un ácido débil usando Kb = Kw/Ka.
  • pKa del ion metilamonioUsa pKa + pKb = 14.00 para hallar el pKa del ácido conjugado de una base débil.

Ácidos y bases débiles

  • pH de ácido fórmico 0.20 MCalcula el pH de un ácido débil con la aproximación de la raíz cuadrada y confírmalo con la regla del 5 %.
  • Cuando falla la regla del 5 %: metilamina diluidaReconoce cuándo falla la aproximación del 5 % para una base débil y resuelve la ecuación cuadrática para hallar su pH.
  • pH de piridina 0.20 MCalcula el pH de una disolución de una base muy débil a partir de Kb, convirtiendo mediante el pOH.
  • pKa a partir de un pH medidoA partir del pH medido de una disolución de ácido débil, calcula hacia atrás su Ka y su pKa.

Encuentra el error 3

Ácidos polipróticos

  • ¿Más ácido carbónico significa más carbonato?Diagnostica el error de suponer que el anión doblemente desprotonado escala con la concentración de un ácido diprótico.

Ácidos y bases débiles

  • Encuentra el error en un pH de ácido débilDiagnostica un uso inválido de la aproximación de la raíz cuadrada para un ácido d��bil diluido.

pH, pOH y ácidos y bases fuertes

  • ¿El agua pura tibia es ácida?Diagnostica el error de equiparar pH 7 con neutralidad a una temperatura distinta de 25 °C.

Interpreta la evidencia 1

  • Interpreta datos de dilución para distinguir fuerte de débilInterpreta cómo responde el pH a una dilución de diez veces para identificar un ácido fuerte y un ácido débil.

Trabaja hacia atrás 2

Ácidos y bases débiles

  • ¿Qué concentración debe tener el HF?Trabaja hacia atrás desde un pH objetivo hasta la concentración inicial de un ácido débil.

Sales y Ka·Kb = Kw

  • pKa a partir del pH de una disolución de salA partir del pH de una disolución de una sal de sodio, calcula hacia atrás el pKa del ácido débil de origen.

Planea una síntesis 1

  • Elige una sal para un pH cercano a 9Planifica qué sal disolver para alcanzar una ventana de pH objetivo estimando el pH de cada disolución salina a partir de Ka o Kb.

Explica por qué 4

Sales y Ka·Kb = Kw

  • Por qué el nitrato de aluminio es ácidoExplica la acidez de una disolución de un catión metálico pequeño y con carga alta mediante la pérdida de un protón de una molécula de agua coordinada.

pH, pOH y ácidos y bases fuertes

  • Misma concentración, distinto pHExplica la diferencia de pH entre concentraciones iguales de un ácido fuerte y uno débil por la extensión de la transferencia de protón al agua.

Porcentaje de ionización y dilución

  • Por qué la dilución favorece la ionización de un ácido débilExplica el aumento del porcentaje de ionización al diluir comparando el cociente de reacción con Ka.

Ácidos polipróticos

  • Por qué el segundo protón es más difícil de quitarExplica por qué las constantes de disociación ácida sucesivas de un ácido poliprótico disminuyen.

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