Sobre el pH en soluciones acuosas
SOBRE EL pH EN SOLUCIONES ACUOSAS
1. Definiciones de Arrhenis para ácidos y bases:
Ácido: sustancia que en agua libera iones hidrógeno (protones). Por ejemplo:
Ácido clorhídrico: HCl, por disociación ó ionización da iones hidrógeno e iones cloruro:
HCl → H+ + Cl-
Base: sustancia que por ionización da iones oxidrilo. Por ejemplo: el hidróxido de sodio
NaOH → Na+ + OH-
2. Definición de ácidos y bases de acuerdo a la teoría de Brönsted-Lowry
Un ácido--cede iones H+ a una base.
Una base --acepta iones H+ de un ácido y en ambos casos.... Se forman ácidos y bases conjugados
Ejercicio: Observa las siguientes reacciones y explica el comportamiento de cada ion o
Molécula, identificando las parejas ácido-base conjugado en cada caso
3. Ácidos y bases fuertes:
Los ácidos y bases que se disocian totalmente en agua, son denominados fuertes.
Gran parte de ellos se utilizan comúnmente en la industria como reactivos químicos básicos, o en la
elaboración de soluciones diluidas para estudios en laboratorios.
En los seres vivos se encuentran funcionalmente otro tipo de ácidos y bases llamados débiles, es decir que
se disocian en pequeñas cantidades
El pH de las soluciones acuosas:
Debemos recurrir a la expresión de disociación del agua o autoprotólisis del agua, en donde:
H2O ↔ H+ + OH-
Se sabe que a 25 oC, la concentración de iones H+ y OH-
es de 1X 10-7 M respectivamente, lo que indica que
muy pocas moléculas de agua estarán disociadas.
El producto de las concentraciones molares de estos iones se define como producto iónico del agua (=Pi o =Kw). Este valor es constante a esa temperatura.
Kw = [ H+] [ OH-]
10-7 x 10-7 = 1 x 10-14
Para el manejo de cantidades tan pequeñas, debemos incluir un operador matemático “p” que significa –log.
Si ahora operamos con logaritmos sobre esta expresión se obtiene:
[ H+] [ OH-] = 1x10-14
log ([ H+] [ OH-]) = log (1 x 10-14)
log [ H+] + log [ OH-]) = log 10-14 = -14
multiplicando por -1:
- ( log [ H+] + log [ OH-] ) = - ( -14)
- log [ H+] - log [ OH-] ) = 14
como p = -log :
pH + pOH = 14
Así se puede calcular el pH de cualquier solución acuosa, si conocemos la concentración Molar de H+
Teniendo en cuenta que:
pH = - log [ H+ ]
Por lo anterior es importante precisar que:
Así como existe una escala de pH, hay otra de pOH igual pero de forma inversa:
Esto significa que en una solución ácida tendremos tanto pH como pOH, es decir, tanto H+ como OH-
¿De dónde provendrán estos iones OH-?
En una solución de HCl habrá iones H+ provenientes de la ionización del ácido:
HCl → H+ + Cl-
Pero como es una solución acuosa de HCl, también habrá H+ de la ionización de moléculas de agua:
H2O ↔ H+ + OH-
Por conveniencia, en concentraciones de HCL > de 1x10-7 M la cantidad de protones del agua se considera insignificante en los cálculos de pH. Sin embargo en concentraciones de HCl < de 1x10-7M si se incluye la cantidad de protones del agua (porque es mayor que la del ácido).
En una solución ácida habrá mucha mayor cantidad de H+ que de OH-. Para soluciones de pH neutro y porencima de 7, estas relaciones serán:
Soluciones ácidas: [ H+] > [ OH-]
Soluciones neutras: [ H+] = [ OH-]
Soluciones básicas: [ OH-] > [ H+]
Siempre debe tenerse en cuenta que el producto de ambas concentraciones debe dar 10-14 que es el producto iónico del agua.
Así puede calcularse cuanto OH-
habrá si se conoce la molaridad en H+ o a la inversa
Como Kw = [ H+] [ OH-] = 1 x 10-14
[ OH-] = Kw
[ H+] y
[ H+]= Kw
[ OH-]
Ejercicio 1: Calcular la concentración de H+ y el pH de una solución de HCl 0.001M.
Como este ácido se disocia completamente en agua, la concentración de protones y de cloruro será igual a 0.001 M es decir 0.001 moles/litro
Entonces pH = - log [ H+] = - log (0.001) = 3
Ejercicio 2: Si tiene una solución 0.05 M de H2SO4, calcular el pH
En este caso, la disociación de un mol del ácido es..
H2SO4 → 2 H+ + SO4-2
Por cada mol de ácido sulfúrico se obtienen 2 moles de protones, por lo tanto el pH será:
pH = - log [ H+] = - log (2 x 0,05) = - log 0,1 = 1
Si desea calcularse pH de soluciones de bases, aquí no se sabe en forma directa la [ H+].
Pero podemos calcular primero el pOH conociendo la concentración molar de oxidrilos y luego calcular el pH por diferencia con 14.
Ejercicio 3: Una solución 1.2 x 10-4 M de NaOH, ¿qué pH tendrá?
La disociación de la base en agua es:
Por cada mol de NaOH se obtiene un mol de OH-. Entonces por cada 1.2 x 10-4 M en NaOH, tendremos una concentración de 1.2 x10-4 M en OH-. El pOH será:
pOH = - log [ OH-] = - log (1.2 x 10-4) = 3.92
como pH + pOH = 14, el pH será:
pH = 14 - pOH = 14 - 3.92 = 10.08
EJERCICIOS RESUELTOS
1) Se mezclan 1.4 g de hidróxido potásico y 1 g de hidróxido sódico. La mezcla se disuelve en agua y sediluye a 100 mL. Calcular el pH de la disolución
Solución:
Pm KOH = 56 g/mol y Pm NaOH = 40 g/mol.
Primero calculamos los moles de cada molécula:
Como ambas bases son fuertes estarán completamente disociadas y
tendremos:
0.025 + 0.025 = 0.05 moles de OH- en los 100 mL.
Luego en un litro: [OH-] = 0.5 M.
pOH = - log [OH-] = - log 0.5 = 0.30
pH = 14 – 0.30 = 13.7
2) Se mezclan 45 ml de HCl 0.03 M con 30 ml de NaOH 0.05 M.
a. Qué tipo de reacción es?
b. ¿Cuál será el pOH de la mezcla?
Solución:
a) Se trata de una neutralización:
b) Para determinar el pH debemos conocer cuál es la composición de la mezcla, para saber si ambos se han neutralizado completamente (pH=7.0) o si queda exceso de ácido o base
Considerando que reaccionan mol a mol, entonces: 1.5·10-3 – 1.35x10-3 = 1.5·10-4 moles de NaOH que queda sin reaccionar (exceso).
El volumen de la solución final será 45 + 30 = 75 ml = 7.5 X 10-3 litro
.
EJERCICIOS para resolver:
1) Calcular el pH de las siguientes soluciones:
a) HCl 1 X 10-4 M
b) HCl 7.9 x10-6 M
c) H2SO4 0.45 % p/v d) NaOH 3.25 x 10-4 M
e) KOH 10 % p/v
f) Ca(OH)2 2 mM
2) Completar el siguiente cuadro:
1. Definiciones de Arrhenis para ácidos y bases:
Ácido: sustancia que en agua libera iones hidrógeno (protones). Por ejemplo:
Ácido clorhídrico: HCl, por disociación ó ionización da iones hidrógeno e iones cloruro:
HCl → H+ + Cl-
Base: sustancia que por ionización da iones oxidrilo. Por ejemplo: el hidróxido de sodio
NaOH → Na+ + OH-
2. Definición de ácidos y bases de acuerdo a la teoría de Brönsted-Lowry
Un ácido--cede iones H+ a una base.
Una base --acepta iones H+ de un ácido y en ambos casos.... Se forman ácidos y bases conjugados
Ejercicio: Observa las siguientes reacciones y explica el comportamiento de cada ion o
Molécula, identificando las parejas ácido-base conjugado en cada caso
Los ácidos y bases que se disocian totalmente en agua, son denominados fuertes.
Gran parte de ellos se utilizan comúnmente en la industria como reactivos químicos básicos, o en la
elaboración de soluciones diluidas para estudios en laboratorios.
En los seres vivos se encuentran funcionalmente otro tipo de ácidos y bases llamados débiles, es decir que
se disocian en pequeñas cantidades
El pH de las soluciones acuosas:
Debemos recurrir a la expresión de disociación del agua o autoprotólisis del agua, en donde:
H2O ↔ H+ + OH-
Se sabe que a 25 oC, la concentración de iones H+ y OH-
es de 1X 10-7 M respectivamente, lo que indica que
muy pocas moléculas de agua estarán disociadas.
El producto de las concentraciones molares de estos iones se define como producto iónico del agua (=Pi o =Kw). Este valor es constante a esa temperatura.
Kw = [ H+] [ OH-]
10-7 x 10-7 = 1 x 10-14
Para el manejo de cantidades tan pequeñas, debemos incluir un operador matemático “p” que significa –log.
Si ahora operamos con logaritmos sobre esta expresión se obtiene:
[ H+] [ OH-] = 1x10-14
log ([ H+] [ OH-]) = log (1 x 10-14)
log [ H+] + log [ OH-]) = log 10-14 = -14
multiplicando por -1:
- ( log [ H+] + log [ OH-] ) = - ( -14)
- log [ H+] - log [ OH-] ) = 14
como p = -log :
pH + pOH = 14
Así se puede calcular el pH de cualquier solución acuosa, si conocemos la concentración Molar de H+
Teniendo en cuenta que:
pH = - log [ H+ ]
Por lo anterior es importante precisar que:
Así como existe una escala de pH, hay otra de pOH igual pero de forma inversa:
¿De dónde provendrán estos iones OH-?
En una solución de HCl habrá iones H+ provenientes de la ionización del ácido:
HCl → H+ + Cl-
Pero como es una solución acuosa de HCl, también habrá H+ de la ionización de moléculas de agua:
H2O ↔ H+ + OH-
Por conveniencia, en concentraciones de HCL > de 1x10-7 M la cantidad de protones del agua se considera insignificante en los cálculos de pH. Sin embargo en concentraciones de HCl < de 1x10-7M si se incluye la cantidad de protones del agua (porque es mayor que la del ácido).
En una solución ácida habrá mucha mayor cantidad de H+ que de OH-. Para soluciones de pH neutro y porencima de 7, estas relaciones serán:
Soluciones ácidas: [ H+] > [ OH-]
Soluciones neutras: [ H+] = [ OH-]
Soluciones básicas: [ OH-] > [ H+]
Siempre debe tenerse en cuenta que el producto de ambas concentraciones debe dar 10-14 que es el producto iónico del agua.
Así puede calcularse cuanto OH-
habrá si se conoce la molaridad en H+ o a la inversa
Como Kw = [ H+] [ OH-] = 1 x 10-14
[ OH-] = Kw
[ H+] y
[ H+]= Kw
[ OH-]
Ejercicio 1: Calcular la concentración de H+ y el pH de una solución de HCl 0.001M.
Como este ácido se disocia completamente en agua, la concentración de protones y de cloruro será igual a 0.001 M es decir 0.001 moles/litro
Entonces pH = - log [ H+] = - log (0.001) = 3
Ejercicio 2: Si tiene una solución 0.05 M de H2SO4, calcular el pH
En este caso, la disociación de un mol del ácido es..
H2SO4 → 2 H+ + SO4-2
Por cada mol de ácido sulfúrico se obtienen 2 moles de protones, por lo tanto el pH será:
pH = - log [ H+] = - log (2 x 0,05) = - log 0,1 = 1
Si desea calcularse pH de soluciones de bases, aquí no se sabe en forma directa la [ H+].
Pero podemos calcular primero el pOH conociendo la concentración molar de oxidrilos y luego calcular el pH por diferencia con 14.
Ejercicio 3: Una solución 1.2 x 10-4 M de NaOH, ¿qué pH tendrá?
La disociación de la base en agua es:
Por cada mol de NaOH se obtiene un mol de OH-. Entonces por cada 1.2 x 10-4 M en NaOH, tendremos una concentración de 1.2 x10-4 M en OH-. El pOH será:
pOH = - log [ OH-] = - log (1.2 x 10-4) = 3.92
como pH + pOH = 14, el pH será:
pH = 14 - pOH = 14 - 3.92 = 10.08
EJERCICIOS RESUELTOS
1) Se mezclan 1.4 g de hidróxido potásico y 1 g de hidróxido sódico. La mezcla se disuelve en agua y sediluye a 100 mL. Calcular el pH de la disolución
Solución:
Pm KOH = 56 g/mol y Pm NaOH = 40 g/mol.
Primero calculamos los moles de cada molécula:
Como ambas bases son fuertes estarán completamente disociadas y
tendremos:
0.025 + 0.025 = 0.05 moles de OH- en los 100 mL.
Luego en un litro: [OH-] = 0.5 M.
pOH = - log [OH-] = - log 0.5 = 0.30
pH = 14 – 0.30 = 13.7
2) Se mezclan 45 ml de HCl 0.03 M con 30 ml de NaOH 0.05 M.
a. Qué tipo de reacción es?
b. ¿Cuál será el pOH de la mezcla?
Solución:
a) Se trata de una neutralización:
Considerando que reaccionan mol a mol, entonces: 1.5·10-3 – 1.35x10-3 = 1.5·10-4 moles de NaOH que queda sin reaccionar (exceso).
El volumen de la solución final será 45 + 30 = 75 ml = 7.5 X 10-3 litro
.
EJERCICIOS para resolver:
1) Calcular el pH de las siguientes soluciones:
a) HCl 1 X 10-4 M
b) HCl 7.9 x10-6 M
c) H2SO4 0.45 % p/v d) NaOH 3.25 x 10-4 M
e) KOH 10 % p/v
f) Ca(OH)2 2 mM
2) Completar el siguiente cuadro:
