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Química General · Exam review

Amortiguadores, titulaciones y solubilidad

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

¿Atascado con amortiguadores, titulaciones y solubilidad? Escanea el problema.

Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.

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Lo que aprenderás

  • Calculate buffer pH with the Henderson–Hasselbalch equation, doing the strong acid or strong base stoichiometry first, and design a buffer of given pH and capacity.
  • Locate every region of a titration curve, calculate its pH, choose an indicator and extract Ka, concentration or molar mass from titration data.
  • Convert between Ksp and molar solubility for salts of any formula and predict precipitation by comparing Q with Ksp after mixing.
  • Predict how common ions, pH and complex formation change solubility, and plan selective precipitations and separations.

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)

Amortiguadores: primero la estequiometría, luego Henderson–Hasselbalch

Un amortiguador contiene un ácido débil HA y su base conjugada A⁻ en cantidades comparables, y pH = pKa + log(n(A⁻)/n(HA)). Como ambas especies comparten un mismo volumen, los moles pueden reemplazar a las concentraciones. Cuando se agrega un ácido o una base fuerte, primero deja que reaccione por completo: H₃O⁺ convierte A⁻ en HA, y OH⁻ convierte HA en A⁻. Solo entonces aplica la ecuación. Ejemplo resuelto (pKa 4.76): 1.00 L con 0.100 mol de HA y 0.080 mol de A⁻ tiene pH 4.76 + log(0.080/0.100) = 4.66. Al agregar 0.020 mol de HCl quedan 0.120 mol de HA y 0.060 mol de A⁻, así que pH = 4.76 + log 0.50 = 4.46. También se forma un amortiguador cuando un ácido débil se neutraliza parcialmente con una base fuerte, o una base débil parcialmente con un ácido fuerte, siempre que quede algo de la especie débil. El ácido láctico y el lactato (dibujados, pKa 3.86) son un par típico. Cuidado: una relación molar 1 : 1 de base débil y ácido fuerte deja solo el ácido conjugado, no un amortiguador. Un amortiguador funciona mejor dentro de aproximadamente una unidad de pH de su pKa. Su capacidad aumenta con las cantidades de HA y A⁻, así que la dilución apenas cambia el pH pero reduce la capacidad.

Interpretar una curva de valoración

Antes de hacer cualquier cálculo, decide en qué región de la curva te encuentras. Ejemplo resuelto: se valoran 20.0 mL de ácido fórmico 0.100 M (Ka 1.8 × 10⁻⁴, pKa 3.74) con NaOH 0.100 M, así que el punto de equivalencia está en 20.0 mL. Inicio: solo ácido débil, [H₃O⁺] = √(Ka·C) = 4.2 × 10⁻³ M, pH 2.37. Región amortiguadora: después de 5.0 mL, n(HCOO⁻)/n(HCOOH) = 0.50/1.50, así que pH = 3.745 − 0.477 = 3.27 (conserva el pKa sin redondear, 3.745, en los cálculos). Media equivalencia (10.0 mL): pH = pKa = 3.74. Equivalencia: solo queda formiato, a 2.00 mmol/40.0 mL = 0.0500 M, así que hay que diluirlo al volumen total. Kb = Kw/Ka = 5.6 × 10⁻¹¹, [OH⁻] = √(Kb·C) = 1.7 × 10⁻⁶ M, y pH = 8.22. Después de la equivalencia: el exceso de OH⁻ fija el pH. A 25.0 mL es 0.50 mmol/45.0 mL = 0.0111 M, así que pH = 12.05. Una base débil valorada con un ácido fuerte da la imagen especular: la curva empieza básica, el pH = pKa del ácido conjugado en la media equivalencia, y el punto de equivalencia es ácido. Solo las valoraciones de ácido fuerte con base fuerte tienen pH 7.00 en la equivalencia. Un ácido diprótico necesita dos moles de NaOH por mol de ácido cuando se valoran ambos protones.

Indicadores y curvas de dos etapas

Un indicador HIn cambia de color en un intervalo de aproximadamente pKa(HIn) ± 1. Elige uno cuyo intervalo de cambio de color caiga en la parte empinada de la curva, alrededor del pH de equivalencia: fenolftaleína (8.2–10.0) para un ácido débil con una base fuerte, rojo de metilo (4.4–6.2) para una base débil con un ácido fuerte, y casi cualquiera de ellos para un ácido fuerte con una base fuerte. Un indicador que cambia dentro de la región amortiguadora detiene la valoración antes de tiempo. Allí el pH cambia lentamente con el volumen, así que el error es grande, no pequeño. Un sistema poliprótico da un punto de equivalencia por protón cuando los valores de pKa están separados por varias unidades. El carbonato (dibujado) valorado con HCl llega a HCO₃⁻ en el primer punto de equivalencia, donde pH ≈ ½(6.35 + 10.33) = 8.34. Llega a H₂CO₃ (CO₂ disuelto) en el segundo, donde el pH es cercano a 4. A mitad de camino hacia cada punto de equivalencia el pH es igual al pKa correspondiente. Una mezcla de un ácido fuerte y uno débil también muestra dos puntos de equivalencia: el ácido fuerte se neutraliza primero, y el volumen entre los dos saltos mide el ácido débil.

Ksp, solubilidad molar y Q

Cuando una sal se disuelve en a cationes y b aniones por unidad de fórmula, Ksp = [catión]ᵃ[anión]ᵇ, y cada concentración iónica es el múltiplo estequiométrico de la solubilidad molar s. Para una sal 1 : 1, Ksp = s², y para una sal 1 : 2 o 2 : 1, Ksp = (s)(2s)² = 4s³. Ejemplo resuelto: PbI₂ con Ksp = 9.8 × 10⁻⁹ tiene s = (Ksp/4)^⅓ = 1.35 × 10⁻³ M, y [I⁻] = 2s. Compara solubilidades a través de s, nunca a través de Ksp, cuando las fórmulas son distintas. Para predecir la precipitación, primero diluye cada ion al volumen de la mezcla y luego calcula Q con los mismos exponentes que en Ksp. Si Q > Ksp se forma un sólido, si Q = Ksp la disolución está saturada, y si Q < Ksp no se forma nada. Cuando sí se forma un precipitado a partir de un gran exceso, deja que la reacción llegue esencialmente a completarse y luego deja que los iones sobrantes fijen la cantidad disuelta. Ksp cambia solo con la temperatura; agregar más sólido no cambia las concentraciones en una disolución saturada. El tratamiento de disolución ideal usado en todo el curso ignora los efectos de actividad, que son grandes en disoluciones concentradas de sales.

Iones comunes, pH e iones complejos

Un ion común disminuye la solubilidad. El PbI₂ en KI 0.10 M tiene s = Ksp/(0.10)² = 9.8 × 10⁻⁷ M, más de mil veces menos que en agua. Recuerda elevar al cuadrado la concentración del ion común cuando su exponente es 2. Una sal cuyo anión es una base se disuelve mejor en medio ácido: H₃O⁺ convierte F⁻ en HF, CO₃²⁻ en HCO₃⁻ y H₂CO₃, y OH⁻ en agua, así que Q cae por debajo de Ksp y se disuelve más sólido. Los aniones de ácidos fuertes (Cl⁻, Br⁻, I⁻) no se protonan y no se ven afectados. El sulfato (pKa de HSO₄⁻ 1.99) se protona solo en medio bastante ácido, e incluso a pH 1 el BaSO₄ se vuelve solo unas tres veces más soluble. Para un hidróxido retenido en un amortiguador, [OH⁻] = Kw/[H₃O⁺] y s = Ksp/[OH⁻]ⁿ, así que bajar el pH en una unidad multiplica s por cien para M(OH)₂ y por mil para M(OH)₃. Un amortiguador NH₃/NH₄⁺ puede mantener [OH⁻] lo bastante baja como para impedir que se forme Mg(OH)₂. Un ligando que es base de Lewis y se une a un ion metálico (ácido de Lewis) forma un ion complejo como [Ag(NH₃)₂]⁺ o [Cu(NH₃)₄]²⁺, con constante de formación Kf. La formación del complejo elimina el ion metálico libre, así que un precipitado puede disolverse. La constante global es K = Ksp × Kf; para el AgCl en amoníaco, K = 1.8 × 10⁻¹⁰ × 1.7 × 10⁷ = 3.1 × 10⁻³. Una Kf grande por sí sola no garantiza la disolución.

Precipitación selectiva

Cuando se agrega lentamente un ion precipitante a una mezcla, cada sólido comienza a formarse cuando su propio Q alcanza su Ksp. El sólido que necesita la menor concentración del ion agregado aparece primero. Calcula esa concentración de inicio para cada sal. Para sales de fórmula distinta, es esta concentración, no el valor de Ksp, la que decide el orden. Ejemplo resuelto: con Cl⁻ 0.010 M y I⁻ 0.010 M, el AgI comienza a [Ag⁺] = 8.3 × 10⁻¹⁷/0.010 = 8.3 × 10⁻¹⁵ M y el AgCl a 1.8 × 10⁻¹⁰/0.010 = 1.8 × 10⁻⁸ M. Cuando el AgCl apenas comienza, [I⁻] = 8.3 × 10⁻¹⁷/1.8 × 10⁻⁸ = 4.6 × 10⁻⁹ M, así que el yoduro se ha eliminado casi por completo. Los hidróxidos se separan de la misma manera controlando el pH. El amoníaco separa los iones que forman complejos ammin (Ag⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) de los que solo precipitan como hidróxidos (Fe³⁺, Al³⁺). Los hidróxidos anfóteros como Zn(OH)₂ y Al(OH)₃ se redisolven en exceso de NaOH.

Lo que conviene recordar

Resuelve cada problema en el mismo orden: haz primero la estequiometría de cualquier reacción con ácido fuerte, base fuerte o precipitación, decide qué especies quedan y luego elige el equilibrio. Es Henderson–Hasselbalch para un ácido débil con su base conjugada, √(K·C) para un ácido o una base débil solos, Ksp para una disolución saturada, o Ksp × Kf para la disolución por formación de complejos. Diluye al volumen final antes de calcular Q o el pH. Compara solubilidades y orden de precipitación a través de las solubilidades molares y las concentraciones de inicio, nunca a través de valores crudos de Ksp de sales con fórmulas distintas.

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Predice el producto 4

Curvas de valoración e indicadores

  • Dos puntos finales para el carbonato de sodioPredice las especies mayoritarias, el pH y el indicador adecuado en cada punto de equivalencia de un anión dibásico valorado con ácido fuerte.

Precipitación selectiva e iones complejos

  • ¿Qué cromato aparece primero?Predice cuál de dos sales 1 : 1 precipita primero cuando se añade lentamente su ion común.

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • El ácido fosfórico se encuentra con el fosfatoPredice las especies y el pH que se forman cuando un ácido poliprótico se mezcla con su anión totalmente desprotonado.

Ksp, iones comunes y pH

  • ¿Precipitará el sulfato de plata?Predice la precipitación al mezclar dos disoluciones diluyendo primero y calculando Q con los exponentes correctos.

Clasificar 3

Curvas de valoración e indicadores

  • Identifica la valoración a partir de su curvaClasifica una valoración como fuerte o débil, ácida o básica, a partir de sus valores de pH inicial, de semiequivalencia y de equivalencia.

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • ¿Qué mezcla de metilamina amortigua?Decide qué mezclas de una base débil con ácido fuerte, base fuerte o su sal dejan un par conjugado en cantidades comparables.

Precipitación selectiva e iones complejos

  • Roles en el ion tetraammincinc(II)Clasifica el ion metálico y el ligando en la formación de un ion complejo como ácido y base de Lewis, y halla la carga del complejo.

Comparar 4

Ksp, iones comunes y pH

  • ¿Qué disolución saturada tiene más yodato?Compara las concentraciones iónicas en disoluciones saturadas de sales con fórmulas distintas y Ksp similares.
  • Hidróxido de manganeso(II) en cuatro líquidosOrdena la solubilidad de un hidróxido metálico en agua pura, disoluciones amortiguadoras y base fuerte calculando cada valor.

Precipitación selectiva e iones complejos

  • Orden de precipitación de las sales de plomo(II)Ordena la precipitación de sales con distintos tipos de fórmula a partir de sus concentraciones de inicio, no de sus valores de Ksp sin más.

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • Ordena cuatro amortiguadores según su pHOrdena los amortiguadores según su pH cuando difieren tanto el pKa como la relación base-ácido.

Calcular 14

Precipitación selectiva e iones complejos

  • ¿Cuánto bromuro puede tolerar la plata amoniacal?Combina Kf y Ksp para hallar la mayor concentración de anión que tolera una disolución de metal complejado sin precipitar.
  • Cu²⁺ libre en amoníacoCalcula la concentración del ion metálico libre a partir de Kf, la concentración del complejo y la concentración del ligando libre.
  • ¿Con qué limpieza separa el cromato el plomo del bario?Calcula el porcentaje del primer ion que sigue disuelto cuando el segundo ion apenas empieza a precipitar.
  • Solubilidad de AgCl en amoníaco acuosoCalcula la solubilidad molar de una sal que se disuelve por formación de un complejo usando K = Ksp × Kf.

Ksp, iones comunes y pH

  • ¿Cuánto sulfato de calcio precipita?Calcula cuánto precipita de una sal moderadamente soluble cuando no se pueden despreciar los iones disueltos que quedan.
  • Bromuro de plomo(II) en bromuro de sodioCalcula la solubilidad molar de una sal 1 : 2 en una disolución de su anión común.
  • Ksp del fluoruro de plomo(II) a partir de su solubilidadCalcula la Ksp de una sal 1 : 2 a partir de su solubilidad medida en gramos por litro.
  • Solubilidad molar del fluoruro de estroncioCalcula la solubilidad molar de una sal 1 : 2 en agua pura a partir de su Ksp.

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • Carbonato de sodio con exceso de ácidoCalcula el pH después de que un ácido fuerte protone un anión dibásico más allá de su primer punto de equivalencia.
  • pH de un tampón de ácido láctico–lactatoCalcula el pH de un tampón a partir de las concentraciones de un ácido débil y su base conjugada.
  • Disolución amortiguadora de metilamina después de añadir HClCalcula el pH de una disolución amortiguadora de base débil después de que un ácido fuerte haya reaccionado con su componente básico.

Curvas de valoración e indicadores

  • Ácido hipocloroso a mitad de camino de la equivalenciaCalcula el pH en la región amortiguadora de una valoración de ácido débil en un punto distinto de la semiequivalencia.
  • pH en el punto de equivalencia del ácido nitrosoCalcula el pH en el punto de equivalencia de una valoración de ácido débil, incluyendo la dilución por el valorante.
  • Volumen de equivalencia para el ácido sulfúricoCalcula el volumen en el punto de equivalencia de un ácido diprótico cuyos dos protones se valoran juntos.

Encuentra el error 3

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • Un amortiguador que no es un amortiguadorEncuentra el error cuando se mezclan moles iguales de un ácido débil y una base fuerte y se tratan como un amortiguador.

Precipitación selectiva e iones complejos

  • Una Kf grande no bastaDiagnostica el error de predecir la disolución completa de un precipitado a partir de la Kf únicamente.

Curvas de valoración e indicadores

  • Indicador incorrecto para el ácido acéticoDiagnostica el tamaño y el sentido del error cuando un indicador cambia de color dentro de la zona amortiguadora.

Interpreta la evidencia 4

Precipitación selectiva e iones complejos

  • Identifica los cationes a partir de tres pruebasInterpreta pruebas de precipitación y de formación de complejos para decidir qué cationes contiene una muestra desconocida.

Curvas de valoración e indicadores

  • Masa molar de un ácido dipróticoUsa el punto final de una valoración y la proticidad del ácido para hallar la masa molar de un ácido desconocido.
  • Una curva con dos saltosInterpreta la curva de valoración con dos saltos de una mezcla de ácido fuerte y ácido débil para hallar el pH en un volumen dado.

Ksp, iones comunes y pH

  • Ksp del Ca(OH)₂ por valoraciónInterpreta los datos de valoración de una disolución saturada de hidróxido para obtener su Ksp.

Trabaja hacia atrás 2

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • Relación en una disolución amortiguadora de nitritoTrabaja hacia atrás desde el pH medido de una disolución amortiguadora hasta la relación base/ácido que contiene.

Curvas de valoración e indicadores

  • pKa a partir del pH en el punto de equivalenciaTrabaja hacia atrás desde el pH medido en el punto de equivalencia de una valoración de ácido débil hasta el pKa del ácido.

Planea una síntesis 5

Ksp, iones comunes y pH

  • El cloruro de amonio mantiene el magnesio en disoluciónUsa un amortiguador de base débil para fijar la concentración de hidróxido que impide que precipite un hidróxido metálico.

Amortiguadores y Henderson–Hasselbalch

  • ¿Qué concentración debe tener la disolución amortiguadora?Halla la menor concentración de amortiguador que mantiene el pH dentro de un límite fijado tras añadir una dosis dada de ácido fuerte.
  • Preparar un tampón de lactato con NaOHCalcula el volumen de base fuerte que neutraliza parcialmente un ácido débil para dar un tampón de pH objetivo.

Precipitación selectiva e iones complejos

  • Separa cobre(II) de hierro(III)Diseña una separación de dos cationes con un solo reactivo aprovechando que uno de ellos forma un complejo.

Curvas de valoración e indicadores

  • Indicador para una valoración de metilaminaElige el indicador cuyo intervalo de cambio de color contenga el pH de equivalencia de una valoración de base débil con ácido fuerte.

Explica por qué 1

  • Por qué el ácido disuelve una sal de barioExplica por qué el ácido disuelve una sal de un anión fuertemente básico pero apenas afecta a una sal de un anión muy poco básico.

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