Acido Base QA2018II
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Quimica Ambiental - Flores...
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9/9/2018
Química de Ácidos y Bases
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Agua
Cubre el 72% de la superficie terrestre Alto porcentaje de la materia viva Medusa 98% Embriones humanos >95% Recién nacido 70% Hombre adulto 60% 90% de la sangre 80-90% de los músculos Pérdida del 20% = muerte Árboles 50% Única sustancia química en nuestro planeta que se presenta sólido líquido en los tres estados: sólido, líquido, gas Fuente de oxígeno en la fotodescomposición atmosférica H2O + hν H2 + ½ O2 2
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Distribución Global del Agua
http://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html
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Escasez de agua a nivel mundial
Fuente: UNPEP
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Distribución Global del Agua
http://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html
3
Escasez de agua a nivel mundial
Fuente: UNPEP
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1 de febrero 2017 OMS= ??
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Agua Revisión de las propiedades singulares del agua y su importancia en la salud humana y en el ambiente Lectura 1: Water Water Structure and Science http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_sitemap.html 7
Capacidad Calorífica Alta
Requiere gran cantidad de calor al cambiar la temperatura Absorbe o libera más calor que muchas sustancias por el incremento o disminución por cada grado de temperatura Steam
Boiling Water
Melting Ice
8
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Capacidad Calorífica Alta
Regula la velocidad a la que el aire cambia de temperatura, lo que conduce a cambios de temperatura estacionales graduales y no repentinas cerca de los océanos y otras grandes masas de agua? (Por ejemplo, los Grandes Lagos, Lago Titicaca). Transporta el calor en los seres vivos. (Sin esta propiedad, ciertas formas de vida estarían amenazadas o no podrían existir.) Lake MichiganC p a 20°C summer líquido heat(Jing-1 K -1) Regulación de la temperatura: de nuestros cuerpos amoniaco 4.71 winter heat out de la tierra agua 4.18 benceno bromo mercurio
1.70 0.469 0.14
Alta Tensión Superficial Rango de Tensión Superficial 90 Different Liquids
El agua es pegajosa y elástica y tiende a agruparse en gotas en vez de extenderse en una película fina.
Insectos caminan sobre el agua. Regula la formación de gotas, nubes y lluvia.
Surface Tension (Dynes/cm) 10
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Tensión Superficial
Tendencia de la superficie del líquido expuesto a contraerse para tener una superficie más pequeña. Fenómeno atribuye a las fuerzas de atracción o la cohesión entre las moléculas del líquido . Drop on icicle
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Alta Tensión Superficial Accion Capilar
Transporta el agua y sus nutrientes desde las raíces al resto de plantas (no existirían plantas sin esta propiedad)
ayuda a la acción de bombeo del corazón para transportar la sangre a través de los capilares 12
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Comportamiento Anómalo de la Agua 3.98oC Densidad o Agua 0 C 0.99987 g/mL
1.00000 g/mL
1.000
comportamiento anómalo
Hielo 0oC 0.9167 g/mL
) L m / g ( d a 0.950 d i s n e D
0.900 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
o
Temperatura C 13
Agua ¿Por que sus propiedades son únicas? Una mirada a la molécula de agua
14
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Formación de la Molécula de Agua 1 electrón en la capa externa, requiere 1 para tener estabilidad
Hidrógeno
Hidrógeno Oxígeno
6 electrones en su capa externa, necesita 2 para su estabilidad
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Formación de la Molécula de Agua Enlace covalente
+
+ Hidrogeno
Hidrogeno
Overall charge = 0 but molecule is polar
Oxigeno
-
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Molécula de Agua
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Hibridación de la H: Molécula de Agua 2 2 4 O: s 2s sp s1
104.5o no 109o
H2
s n o i t a r u g i f n o c y g r e n e
Pares de electrones solos 18
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El Enlace Puente Hidrógeno Electrostatico
+
+
El enlaces es: fuerte permite estructuras 3d -
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El Enlace Puente Hidrógeno
20
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Observaciones Alimento, kg Trigo Azúcar Maíz Arroz Carne de pollo Carne de res Carne de cordero Carne de cerdo
Agua, L 1300 1500 900 3400 3900 15500 6100 4800
21
Principales constituyentes de aguas naturales Compuestos químicos Gases disueltos: O 2, CO2, H2S, N2, CH4, He Principales iones: Cl -, SO42-, HCO3-, CO32-, Na+, K +, Ca2+, Mg2+ Nutrientes: NH 4+, NO2-, NO3-, HPO42-, H2PO4-, PO43 Microelementos (NRP) = ( NRP) = (>NRP) HAc H2O
[H+] = [OH-] + [Ac-]
4 57
Ejemplo: Acido Acético 3. Combinar las ecuaciones y resolver para [H +] De (3) C T , A [ HAc] [ Ac ]
[ HAc] C T , A [ Ac ]
en (1) : K a
[ H ][ Ac ] [ HAc]
K a
[ H ][ Ac ] {C T , A [ Ac ]}
[ Ac ]
K a C T , A K A [ H ]
De (2) [OH ]
K W [ H ]
en (4) :
[ H ]
K W [ H ]
K a C T , A K a [ H ]
K W ( K a [ H ]) [ H ] K a C T , A [ H ] ( K a [ H ]
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Ejemplo: Acido Acético Combinar las ecuaciones y resolver para [H +] K a[H+]2 + [H+]3 = K WK a + K w[H+] + K aCT,A [H+] [H+]3 + K a[H+]2 – (K w + K aCT,A)[H+] - K WK a = 0
Resolver usando un método numérico. Solución exacta: pH = 3.913
4. Resolver para las otras especies [H+] = 1.22x10-4 M [OH-] = K w/[H+] = 8.19 x 10-11 M [Ac-]=KaCT,A /(K a+[H+]) = 1.22 x 10-4 M [HAc] = CT,A -[Ac-] = 8.78 x 10-4 M 59
Solución Exacta: ¿Es en realidad necesario? ¿Podemos simplificar? + 3
[H+]3 1.82E-12
+ 2
+
+
1.22E-18
2.07E-12
+ K K a[H+] 2 - K K w[H+] -K aC[H+] - K K WK a 2.53E-13
1.70E-19
= 0 0 0
[H+] = [OH-] + [Ac-] ¿Qué pasa con el PBE? ~0
60
30
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Solución Aproximada Calcular el pH y las concentraciones en el equilibrio de toda las especies en una solución 10 -4.5 M de acetato de sodio (0) 1) Especies: H+, Na+, Ac-, HAc, OH2) Ley de Acción de Masas:
K A
[ H ][ Ac ] [ HAc]
104.70
K W [ H ][OH ] 1014
3) Balance de Masa: [HAc] + [Ac -] = 10-4.5 M = CT,A [Na+] = 10-4.5 M = CT,A 4) Balance de carga: [Na+] + [H+] = [Ac-] + [OH-] 5) Condición de protones: [HAc] + [H+] = [OH-]
61
Solución Aproximada No podemos considerar ninguna aproximación referente a las concentraciones de [H +] y [OH-] porque el acetato es una base débil y la concentración total es baja. Sin embargo, como es una base débil podemos asumir que: [Ac-] >> [HAc], así [Ac-] 10-4.5 M = CT,A Sustituyendo en la condición de protones para [OH -] [HAc] + [H+] = K w/[H+] [HAc] = K w/[H+] - [H+] Sustituyendo en la expresión de la expresión de la constante de ionización
K A
[ H ][ Ac ] [ HAc]
10
4.70
K A
[ H ]C T , A K w
[ H ]
[ H ]
62
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Solución Aproximada [H+]CT,A = K AK w/[H+] - K A[H+] [H+]2CT,A = K AK w - K A[H+]2 [H+]2CT,A + [H+]2K A = K AK w [H+]2(CT,A + K A) = K AK w [H+]2 = K AK w/(CT,A + K A) [H+] = (K AK w/(CT,A + K A))0.5 [H+] = (10-4.710-14/(10-4.5 + 10-4.70) [H+] = 6.2 x 10-8 M pH = 7.2
pOH = pK w - pH = 14.0 - 7.2 = 6.8 [OH-] = 1.61 x 10-7 M 63
Solución Aproximada Reordenando en la condición de protones, se tiene: [HAc] = [OH-] - [H+] = (1.6 x 10 -7 - 6.2 x 10 -8) M [HAc] = 9.8 x 10-8 M
Verificando la asunción: [Ac-] = CT,A - [HAc] = (10 -4.50 - 9.8 x 10 -8) M Entonces, [Ac-] 10-4.50 M Por lo tanto las asunción es válida 64
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Ejemplo: Acido Clorhídrico: 10-3 M 1. Lista de todas las especies presentes H+, OH-, HCl, Cl2. Lista de todas las ecuaciones independientes equilibrio 1 K a = [H+][Cl-]/[HCl] = 10+3 K w = [H+][OH-] = 10-14 2 balance de masa Ct,Cl = [HCl]+[Cl-] = 10-3 M3 +1 H+ (H3O+) NRP: HCl, H2O balance de protones -1 Cl- OH65 4 [H+] = [OH-] + [Cl-]
Ejemplo: HCl Solución Exacta De las ecuaciones (3) , (1) y (2) :
[HCl] = Ct,Cl - [Cl-]
[Cl-]=K aCt,Cl/{K a+[H+]}
[OH-] = K w/[H+] Reemplazando en la condición de protones :
[H+]3 + K a[H+]2 - {K w + K aCt,Cl}[H+] - K WK a = 0 Resolviendo: Solución Exacta: pH = 3.0000004 [H+] = 1.00 x 10-3 [OH-] = 1.00 x 10-11 [Cl-] = 1.00 x 10-3 [HCl] = 1.00 x 10-11
66
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Ejemplo: HCl ¿Podemos simplificar? + 3
[H ]
1.000E-9
+ 2
+
+
+ K K a[H ] - K K w[H ] -K aC[H ] - K K WK a 0.001000
1.000E-17
0.001000
= 0 0
1.000E-11
0
y el MBE? C = [HCl] + [Cl-]
¿Cuál es el PBE? [H+] = [OH-] + [Ac-]
~0
~0
67
Ejemplo: HCl Usar PBE y MBE simplificado
+ w = [H ][OH ] 2 K [OH-] = K w/[H+]
4 [H+] = [OH-] + [Cl-] [H+] [Cl-] 4 + 3
Se asume [H +]>>[OH-]
-] 3 Ct,Cl = [HCl]+[Cl -
Ct,Cl [Cl ] [Cl-] Ct,Cl
[H+] = Ct,Cl
Se asume [HCl] 1.00 x 10-11 69
Ejemplo: Acido Clorhídrico: 10-7 M Usar PBE y MBE simplificado 4 4 + 3 + 2
+ w = [H ][OH ] 2 K [OH-] = K w/[H+]
[H+] = [OH-] + [Cl-] [H+]
[H+]
-] 3 C= [HCl]+[Cl -
C [Cl ] [Cl-] C
[Cl-]
= K W/ + [H+] = K W/ [H+] + C [H+]2 - C[H+] - K w = 0
Assumes [HCl][HCl] 71
Calcular el pH de un anfótero Calcular el pH de una solución 10 -3.7 M de hidrógeno phtalato de sodio (NaHP). 1) Especies: H2P, HP-, P2-, H+, OH-, Na+ 2) Ley de Acción de Masas (asumiendo 0 ):
K A,1 102.95
[ H ][ HP ] [ H 2 P ]
K A, 2 10
5.41
COOH COONa
[ H ][ P 2 ] [ HP ]
K w [ H ][OH ] 10 14
3) Balance de Masas: CT,P = 10-3.7 M = [H2P] + [HP-] + [P2-] 72
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Calcular el pH de un anfótero CT,P = 10-3.7 M = [Na+] 4) Balance de Carga: [H+] + [Na+] = [OH-] + [HP-] + 2[P2-] 5) Condición de protones: [H+] + [H2P] = [OH-] + [P2-] Como ambos valores de pK< 7, asumimos que: [OH-] > [OH-]. Además K A,2 y K A,3 son pequeños, Así, [HPO42-] y [PO43-] son muy pequeños comparado con [H3PO4] y [H2PO4-]. Entonces , el balance de sería: CT,P =
[H3PO4] + [H2PO4-]
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Cálculo del pH de un ácido poliprótico De la condición de protones (o balance de cargas): [H+] = [H2PO4-] y sustituyendo en la expresión de K A,1. K A,1 10
2.1
[ H ]2 C T , P [ H ]
K A,1 CT,P-K A,1[H+] = [H+]2 [H+]2 + K A,1[H+] - K A,1CT,P = 0 [ H ]
K A K A2 4 K A C T , P
79
2
Calcular el pH de un anfótero [H+] =[H2PO4-] = 8.986 x 10-4 M pH = 3.05
pOH = pK w - pH = 14 - 3.05 = 10.95 [OH-] = 1.122 x 10-11 M [H3PO4] = CT,P - [H2PO4-] = 10-3 - 8.986 x 10-4 [H3PO4] = 1.014 x 10-4 M K A, 2 10 2 4
[ HPO ]
7.0
[ H ][ HPO42 ] [ H 2 PO4 ]
[ H 2 PO4 ] K A, 2 [ H ]
K A,2 107.0 M [HPO42-] = 10-7 M
80
40
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Cálculo del pH de un ácido poliprótico 12.2
K A,3 10
[ H ][ PO43 ] [ HPO42 ]
103.05[ PO43 ]
K A,3 1012.2
107.0
[PO43-] = 10-16.15 M = 7.079 x 10 -17 M
Se verifican que todas las asunciones son válidas
81
Cálculo del pH una base volátil Calcular el pH y las concentraciones de todas la especies de una solución expuesta a una atmósfera de P NH3=10-4 atm. NH 3( g ) H 2O NH 4 OH
1) Especies: NH3, NH4+, OH-, H+ 2) Ley de Acción de Masas:
14
K w [ H ][OH ] 10 4.5
K B 10
K H 10
1.75
[ NH 3 ]( ac ) P NH 3
[ NH 4 ][OH ] [ NH 3 ][ H 2O]
82
41
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Cálculo del pH+ una+ base- volátil
3) Balance de masas: [NH4 ] + [H ] = [OH ] 4) Condición de protones: [NH4+] + [H+] = [OH-] Asunciones: NH3 es una base moderada, entonces se puede asumir que [OH-] >> [H+], por lo tanto del balance de cargas o condición de protones tenemos que: [NH4+] = [OH-] y [NH3] = p NH3·K H = 10-4(101.75) = 10-2.25 M K B 10
4.5
[ NH 4 ][OH ] [ NH 3 ]
[OH ]2 102.25
[OH-]2 = 10-6.75 [OH-] = 10-3.375 M = 4.22 x 10-4 M
83
Cálculo del pH una base volátil pH = pK w - pOH = 14 - 3.375 = 10.625 Por lo tanto la asunción [OH-] >> [H+] es válida. Las concentraciones son: [OH-] = 4.22 x 10-4 M [NH4+] = 4.22 x 10-4 M [H+] = 2.37 x 10-11 M [NH3] = 5.62 x 10-3 M
84
42
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El pH como variable maestra En los equilibrios de especiacion de ácidos y bases, el H+ está presente en todas las ecuaciones, por lo que es una buena idea graficar las concentraciones de las especies en función del pH. Las resoluciones gráficas son menos exactas que las numéricas, pero muchas veces ayudan a comprender un problema.
85
Método Gráfico Variable
independiente
pH: “la variable maestra” Dos
tipos de gráficos:
Distribución de diagramas Valores alfa,
independiente de la concentración Diagramas de log concentración Diagramas
pC-pH 86
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Solución Gráfica para Ácidos y Bases Especiación de un ácido en función HA = A- + H+
del pH
Definimos: “CT,A” –
cantidad total del ácido A
C T , A [ HA] [ A ] 103 M “i” – fracción
o
[ HA]
de ionización “0”: especie que no pierde protones
C T , A
1
[ A ]
“1”: pérdida de un protón
C T , A
87
Solución Gráfica para Ácidos y Bases Diagramas con valores
K a
[ H ][ A ] [ HA]
CT,A = [HA] + [A-]
o
0
[ HA]
1
C T , A
C T , A
[ HA] C T , A
1 K a
[ H ]
Nota: 0 + 1 = 1
1
Para distribución de diagramas
[ A ]
1
[ A ] C T , A
1
1
[ H ] K a
88
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Diagrama de Distribución para el Amonio/Amoníaco
NH 4 NH 3 H
1.0 0.9 0.8 +
0=NH4 /C
0.7
1=NH3/C
0.6
0.5 0.4 0.3 0.2
pH
0
1
6 8.3 9.3 10.3 12
1 0.91 0.5 0.09 0
0 0.09 0.5 0.91 1
0.1 0.0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
pH
89
Fracciones de ionización
Especiación de ácidos en función del pH CT,A y i
CT,A, = {H2A} + {HA-} + {A2-} o
{ H 2 A}
CT , A
1
{HA }
CT , A
2
{A 2 }
CT , A
CT,A = {H3A} + {H2A-} + {HA2-} + {A3-} o
{H3 A}
CT , A
1
{H 2 A }
CT , A
{HA } 2
2
CT , A
{A } 3
3
CT , A
45
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Fracciones de ionización
Especiación para ácidos dipróticos { H 2 A}
0
TOTA
1
1
K a1
H H
1
{ HA }
TOTA
H
H
1
H
TOTA
K a 2
1
2
2
1 K a1
{ A2 }
K a1 K a 2
2
H
K a1K a 2
K a 2
1
Diagrama de Distribución para el Acido Acetilsalicílico 1.2
QA-2017II
1 ) ( 0.8 n ó i c a z i 0.6 n o i
pH
0
2.0 3.1 5.0 11.2 13.5
e d s 0.4 e n o i c c 0.2 a r F
1
0.9 0.5 0 0 0
2
0.1 0.5 1.0 0.5 0
0 0 0 0.5 1.0
[H2Sal] [HSal-] [Sal2-]
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
-0.2
pH
0
H 2 AcSal CT ,AcSal
1
HAcSal CT ,AcSal
2
HAcSal
2
CT ,AcSal
92
46
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