Química General · Exam review
Equilibrio, ácidos y bases: repaso para el examen
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con equilibrio, ácidos y bases: repaso para el examen? Escanea el problema.
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Lo que aprenderás
- Write K expressions for homogeneous and heterogeneous equilibria, manipulate K for reversed, scaled and combined equations, and convert between Kc and Kp.
- Compare Q with K to predict the direction of net reaction, and solve ICE tables with the small-x approximation or the quadratic formula.
- Predict how concentration, volume, inert gas, dilution, temperature and catalysts affect an equilibrium and its K.
- Calculate pH, pOH and percent ionization for strong and weak acids and bases, and work backwards from pH to concentration.
- Predict whether a salt solution is acidic, basic or neutral and calculate its pH from Ka or Kb.
- Handle polyprotic acids: dominant first ionization, the anion of the last step, amphiprotic ions and the major species at a given pH.
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)
K, Q y manipulación de K
Para aA + bB ⇌ cC + dD, Kc = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b). Se omiten los sólidos y líquidos puros (incluida el agua cuando actúa como disolvente): Zn(OH)₂(s) + 2 OH⁻(aq) ⇌ [Zn(OH)₄]²⁻(aq) tiene K = [Zn(OH)₄²⁻]/[OH⁻]². Reglas: invertir una ecuación invierte K; multiplicar los coeficientes por n eleva K a la potencia n (dividirlos entre dos equivale a tomar la raíz cuadrada); sumar ecuaciones multiplica sus valores de K. Para gases, Kp = Kc(RT)^Δn, donde Δn = moles de producto gaseoso − moles de reactivo gaseoso y R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹. Ejemplo: 2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃ tiene Δn = −1, así que a 1000 K un Kc de 2.8 × 10² da Kp = 280/(0.08206 × 1000) = 3.4. El cociente de reacción Q tiene la misma forma que K, pero usa las concentraciones presentes en ese instante. Q < K: reacción neta hacia adelante; Q > K: reacción neta hacia atrás; Q = K: en equilibrio. Ejemplo: para PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂ con Kc = 0.040, una mezcla con [PCl₅] = 0.50 M y [PCl₃] = [Cl₂] = 0.10 M tiene Q = (0.10)(0.10)/0.50 = 0.020 < K, por lo que se disocia más PCl₅. Solo la temperatura cambia K; las concentraciones, la presión y los catalizadores cambian Q o la velocidad, no K.
Tablas ICE
Escribe las filas de Inicial, Cambio y Equilibrio en mol/L. Determina primero la dirección a partir de Q y luego deja que el cambio siga los coeficientes (2x para un coeficiente de 2). Ejemplo: 0.50 M de PCl₅ con Kc = 0.040 da x²/(0.50 − x) = 0.040. Al despreciar x se obtiene x = √0.020 = 0.141 M, que es el 28 % de 0.50 M, así que la prueba del 5 % falla. Resuelve entonces x² + 0.040x − 0.020 = 0: x = [−0.040 + √(0.0016 + 0.080)]/2 = 0.123 M. Conserva solo la raíz que deja todas las concentraciones positivas. Si ambos lados parten de la misma potencia, como en A + B ⇌ 2C a partir de cantidades iguales, toma la raíz cuadrada de K en lugar de resolver una cuadrática. Si se mide una concentración de equilibrio, la fila de cambio se deduce directamente de ella: si 0.200 M de un gas diatómico X₂ dan 0.0060 M de átomos X en el equilibrio, las moléculas han perdido 0.0030 M (la mitad, por los coeficientes 1 : 2) y quedan 0.197 M de X₂.
Principio de Le Châtelier
Un equilibrio alterado se desplaza en la dirección que revierte en parte el cambio. Añadir una especie lo desplaza en sentido contrario a ella; eliminar una lo desplaza hacia ella, incluida la eliminación por otra reacción (el OH⁻ añadido a un equilibrio que contiene H₃O⁺ elimina el H₃O⁺). Reducir el volumen de una mezcla gaseosa a la mitad lo desplaza hacia menos moles de gas; si Δn = 0 no hay desplazamiento. Un gas inerte añadido a volumen constante no cambia ninguna presión parcial, así que no hay desplazamiento. Diluir una disolución la desplaza hacia el lado con más partículas disueltas; para comprobarlo, multiplica cada concentración de Q por el factor de dilución y compara con K. Calentar favorece la dirección endotérmica: K aumenta con la temperatura en una reacción endotérmica y disminuye en una exotérmica. Un catalizador acelera por igual ambas direcciones, así que el equilibrio se alcanza antes, pero K y la composición de equilibrio no cambian. Añadir la base conjugada de un ácido débil (un ion común) desplaza HA ⇌ H₃O⁺ + A⁻ hacia la izquierda, lo que disminuye [H₃O⁺] y el porcentaje de ionización.
pH de ácidos y bases fuertes y débiles
A 25 °C, Kw = [H₃O⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴, pH + pOH = 14.00 y, para un par conjugado, Ka × Kb = Kw. Los ácidos fuertes (HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄, el primer protón del H₂SO₄) y los hidróxidos del grupo 1 y de los metales más pesados del grupo 2 se ionizan por completo: cuenta los H₃O⁺ o los OH⁻ por unidad fórmula. Un ácido débil requiere una tabla ICE: Ka = x²/(C − x). Para 0.10 M de ácido benzoico (dibujado; Ka = 6.3 × 10⁻⁵), x = √(6.3 × 10⁻⁶) = 2.5 × 10⁻³ M, pH 2.60, 2.5 % ionizado, así que la aproximación es válida. Si x superara el 5 % de C, usa la cuadrática. Una base débil funciona igual con Kb y da [OH⁻]: 0.10 M de NH₃ (Kb = 1.8 × 10⁻⁵) tiene [OH⁻] = 1.34 × 10⁻³ M, pOH 2.87 y pH 11.13. Errores frecuentes: dar el pOH como pH, usar el pKa como pH, olvidar la raíz cuadrada y confundir igual concentración con igual pH (a igual pH, una disolución de ácido débil contiene mucha más cantidad total de ácido que una de ácido fuerte).
Sales
Analiza cada ion por separado. Los cationes de bases fuertes (Na⁺, K⁺, Ca²⁺) y los aniones de ácidos fuertes (Cl⁻, Br⁻, NO₃⁻, ClO₄⁻) no cambian el pH. La base conjugada de un ácido débil genera OH⁻, con Kb = Kw/Ka; el ácido conjugado de una base débil genera H₃O⁺, con Ka = Kw/Kb. Ejemplo: 0.10 M de benzoato de sodio (dibujado): Kb = 1.0 × 10⁻¹⁴/6.3 × 10⁻⁵ = 1.6 × 10⁻¹⁰, [OH⁻] = √(1.6 × 10⁻¹¹) = 4.0 × 10⁻⁶ M, pOH 5.40, pH 8.60. Cuanto más débil es el ácido de origen, más fuerte es su base conjugada y más alto es el pH de su sal de sodio a igual concentración.
Ácidos polipróticos
Un ácido poliprótico pierde protones uno a la vez, con Ka1 > Ka2 > Ka3. Cuando Ka1 es mucho mayor que Ka2, el primer paso fija el pH y el segundo aporta una cantidad despreciable de H₃O⁺. Para el ácido carbónico (dibujado; Ka1 = 4.3 × 10⁻⁷, Ka2 = 5.6 × 10⁻¹¹) a 0.020 M, [H₃O⁺] = √(4.3 × 10⁻⁷ × 0.020) = 9.3 × 10⁻⁵ M, pH 4.03, y [CO₃²⁻] ≈ Ka2 = 5.6 × 10⁻¹¹ M porque [H₃O⁺] ≈ [HCO₃⁻]. El anión totalmente desprotonado es una base cuyo ácido conjugado es el último donador de protones, así que Kb(CO₃²⁻) = Kw/Ka2 = 1.8 × 10⁻⁴. Un ion anfiprótico como el HCO₃⁻ puede actuar como cualquiera de los dos: compara su Ka (Ka2) con su Kb (Kw/Ka1 = 2.3 × 10⁻⁸); el mayor decide si su sal de sodio es ácida o básica. A un pH dado, la especie mayoritaria es aquella cuyos valores de pKa rodean ese pH: por debajo de pKa1, el ácido totalmente protonado; entre pKa1 y pKa2, el ion desprotonado una vez; y así sucesivamente.
Lo que conviene recordar
Escribe K a partir de la ecuación balanceada (sin sólidos ni líquidos puros), calcula Q antes de cualquier tabla ICE y recuerda que solo la temperatura cambia K. Para el pH, decide primero si cada especie es fuerte, débil o espectadora; usa [H₃O⁺] = √(Ka·C) o [OH⁻] = √(Kb·C) y comprueba la regla del 5 %; obtén la Kb de un anión a partir de Kw/Ka del ácido del que proviene; en los ácidos polipróticos, deja que el primer paso fije el pH y empareja el último donador de protones con el anión totalmente desprotonado.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 7
Tablas ICE y Le Châtelier
- Añadir base al dicromato naranjaPredice el desplazamiento de un equilibrio acuoso cuando un reactivo elimina una de sus especies por neutralización.
- Dilución de un equilibrio cromato–dicromatoPredice la dirección del desplazamiento al diluir calculando el factor por el que cambia Q cuando se diluyen todas las especies disueltas.
- Nitrito de sodio añadido a ácido nitrosoPredice el efecto de un ion común sobre el pH y el porcentaje de ionización de un ácido débil usando el principio de Le Châtelier.
- Obtener más CO a partir de CO₂ y H₂Elige el único cambio que desplaza hacia los productos un equilibrio gaseoso endotérmico sin variación en el número de moles de gas.
Constantes de equilibrio y Q
- K para un antiácido que se disuelve en ácidoEscribe la expresión de la constante de equilibrio para un equilibrio heterogéneo que contiene un sólido, un disolvente y iones en disolución acuosa.
- ¿Hacia dónde se desplazará la mezcla de SbCl₅?Calcula Q a partir de las concentraciones de una mezcla gaseosa y compáralo con Kc para predecir la dirección de la reacción neta.
Sales y ácidos polipróticos
- ¿Qué ecuación describe Ka2?Relaciona la segunda constante de ionización ácida de un ácido diprótico con su ecuación de equilibrio.
Clasificar 1
- ¿Qué sal produce una disolución ácida?Clasifica disoluciones salinas como ácidas, básicas o neutras identificando qué ion reacciona con el agua.
Comparar 4
pH de ácidos y bases
- Igual pH, distinta cantidad de ácidoCompara la cantidad de base necesaria para neutralizar disoluciones de ácido fuerte y débil con el mismo pH calculando sus concentraciones totales de ácido.
- ¿Qué disolución de base tiene el pH más bajo?Compara el pH de disoluciones de bases débiles de igual concentración a partir de sus valores de Kb.
- Ordena disoluciones 0.010 M según su pHOrdena ácidos y bases fuertes y débiles de igual concentración según su pH, usando ionización completa para los electrolitos fuertes y Ka o Kb para los débiles.
Sales y ácidos polipróticos
- Ordena disoluciones salinas según su pHOrdena disoluciones salinas según su pH comparando la Ka de los cationes ácidos y la Kb de los aniones básicos derivadas de Kw.
Calcular 19
Constantes de equilibrio y Q
- K para el bicarbonato que reacciona consigo mismoConstruye la constante de equilibrio de la transferencia de protón entre dos iones anfóteros a partir de los valores escalonados de Ka de un ácido diprótico.
- Presión de vapor de agua sobre los hidratos de sulfato de cobreUsa una Kp heterogénea que contiene un solo gas, elevado a una potencia, para hallar la presión de equilibrio de ese gas.
- K para la mitad de la reacción inversa de formación de IClHalla K para una ecuación que está invertida y además dividida por la mitad a partir de una constante de equilibrio dada.
- Kc de la deshidrogenación del etano a partir de KpConvierte Kp en Kc para una reacción gaseosa en la que aumenta el número de moles de gas.
- Kc a partir de las cantidades en equilibrio de NO₂, NO y O₂Convierte cantidades en equilibrio expresadas en moles a molaridades y calcula Kc para una reacción con términos al cuadrado.
- K para el ácido nitroso reaccionando con amoníacoCombina Ka, Kb y Kw para hallar la constante de equilibrio de un ácido débil que reacciona con una base débil.
Tablas ICE y Le Châtelier
- Kc para la disociación del bromo en átomosUsa la concentración de equilibrio medida de un producto y la estequiometría 1 : 2 en una tabla ICE para hallar Kc.
- ¿Cuánto bromuro de carbonilo se descompone?Resuelve una tabla ICE con la fórmula cuadrática cuando K es demasiado grande para la aproximación de x pequeña.
- I₂ en el equilibrio a partir de cantidades iniciales igualesResuelve una tabla ICE de cuadrado perfecto tomando la raíz cuadrada de K en lugar de usar la fórmula cuadrática.
- Equilibrio de SbCl₅ a partir de una mezcla con exceso de productoUsa Q para determinar la dirección de la reacción antes de plantear una tabla ICE y luego elige la raíz de la ecuación cuadrática que tenga sentido físico.
pH de ácidos y bases
- Porcentaje de ionización del ácido cloroacético diluidoCalcula el porcentaje de ionización de un ácido débil cuando falla la prueba del 5 % y se necesita la fórmula cuadrática.
- ¿Cuánto más H₃O⁺ tiene el jugo de limón?Convierte una diferencia de pH en una relación de concentraciones de iones hidronio.
- pH de ácido hidrazoico 0.250 MCalcula el pH de un ácido débil con la aproximación de x pequeña y confirma la aproximación con la prueba del 5 %.
- pH de una disolución diluida de hidróxido de estroncioCalcula el pH de una base fuerte que libera dos iones hidróxido por unidad fórmula.
Sales y ácidos polipróticos
- pH del cloruro de metilamonioCalcula el pH de la sal de una base débil deduciendo la Ka de su catión a partir de la Kb.
- pH de una disolución de hipoclorito de sodioCalcula el pH de la sal de un ácido débil a partir de la Kb de su anión, derivada de la Ka.
- pH de una disolución 0.10 M de sulfito de sodioCalcula el pH de la sal totalmente desprotonada de un ácido diprótico eligiendo la Ka que corresponde a su ácido conjugado.
- pH de una disolución 0.10 M de ácido sulfurosoCalcula el pH de un ácido diprótico cuya primera ionización es demasiado grande para la aproximación de x pequeña.
- pKb del ion lactatoHalla el pKb de una base conjugada a partir de la Ka de su ácido usando pKa + pKb = pKw.
Encuentra el error 2
Tablas ICE y Le Châtelier
- ¿El argón desplaza la metanación hacia adelante?Diagnostica el error de afirmar que un gas inerte añadido a volumen constante desplaza un equilibrio en fase gaseosa.
pH de ácidos y bases
- ¿Es ácida la disolución de hidroxilamina?Diagnostica el error de informar el pOH como pH en un cálculo con una base débil.
Interpreta la evidencia 2
Sales y ácidos polipróticos
- Especie principal del citrato a pH 5.50Identifica la especie mayoritaria de un ácido triprótico a un pH dado a partir de sus tres valores de pKa.
Constantes de equilibrio y Q
- Interpretar valores de K a dos temperaturasDeduce el signo de ΔH° a partir de cómo cambia K con la temperatura y predice la dirección de una mezcla a la temperatura más alta usando Q.
Trabaja hacia atrás 1
- Concentración de amoníaco para pH 11.00Trabaja a la inversa desde un pH objetivo hasta la concentración inicial de una base débil.
Planea una síntesis 2
pH de ácidos y bases
- Elige el ácido para una disolución de pH 3Plantea qué ácido débil usar para un pH objetivo estimando el pH que da cada candidato a una concentración fija.
Tablas ICE y Le Châtelier
- Secar sulfato de cobre pentahidratado a 25 °CPlantea las condiciones que hacen que Q sea menor que K en un equilibrio con un hidrato sólido, usando la presión de vapor de agua de equilibrio.
Explica por qué 2
Sales y ácidos polipróticos
- ¿El hidrógeno sulfito de sodio es ácido o básico?Explica si la sal de un anión anfiprótico es ácida o básica comparando el Ka del anión con su Kb.
Constantes de equilibrio y Q
- ¿Qué afirmación sobre K es verdadera?Identifica la afirmación correcta sobre qué modifica y qué no modifica una constante de equilibrio.
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