Acido Base QA2018II

9/9/2018

Química de  Ácidos y Bases

1

 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

1

9/9/2018

Distribución Global del Agua

http://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html

3

Escasez de agua a nivel mundial

Fuente: UNPEP

4

2

9/9/2018

Distribución Global del Agua

http://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html

3

Escasez de agua a nivel mundial

Fuente: UNPEP

4

2

9/9/2018

5

1 de febrero 2017 OMS= ??

6

3

9/9/2018

 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

4

9/9/2018

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

5

9/9/2018

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

11

 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

6

9/9/2018

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

7

9/9/2018

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

15

Formación de la Molécula de Agua Enlace covalente

+

+ Hidrogeno

Hidrogeno

Overall charge = 0 but molecule is polar 

Oxigeno

-

16

8

9/9/2018

Molécula de Agua

17

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

9

9/9/2018

El Enlace Puente Hidrógeno Electrostatico

+

+

El enlaces es: fuerte  permite estructuras 3d -

19

El Enlace Puente Hidrógeno

20

10

9/9/2018

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  ]

58

29

9/9/2018

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

9/9/2018

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]

 104.70

 K W  [ H  ][OH  ] 1014

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

31

9/9/2018

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

32

9/9/2018

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

33

9/9/2018

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  102.95 



[ 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

36

9/9/2018

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-]

78

39

9/9/2018

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  107.0 M  [HPO42-] = 10-7 M

80

40

9/9/2018

Cálculo del pH de un ácido poliprótico 12.2

 K  A,3  10



[ H  ][ PO43 ] [ HPO42 ]

103.05[ PO43 ]

 K  A,3  1012.2 

107.0

[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

9/9/2018

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 102.25

[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

9/9/2018

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

43

9/9/2018

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 ]  103  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

44

9/9/2018

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

9/9/2018

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