QuímicaMedio2 pts

Teorías ácido-base e hidrólisis

También trata: pH de ácidos y bases

Extremadura · 2017 · Julio · Opción B

Enunciado

a) (1 punto) Indicar, razonadamente, si las siguientes sustancias son ácidas, básicas o anfóteras en su reacción con el agua, según la teoría de Brönsted-Lowry: 1)

\text{S}^{2-}

; 2)

\text{HCO}_3^-

; 3)

\text{HS}^-

y 4)

\text{CO}_3^{2-}

.

b) (1 punto) Determinar el pH de una disolución acuosa de amoníaco

0{,}05\ \text{M}

, si

K_b = 1{,}8\cdot 10^{-5}

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Resultado

a) $\text{S}^{2-}$ : base; $\text{HCO}_3^-$ : anfótero; $\text{HS}^-$ : anfótero; $\text{CO}_3^{2-}$ : base.
b)

\boxed{\;[\text{OH}^-] = 9{,}49\cdot 10^{-4}\ \text{M},\quad \text{pOH} = 3{,}02,\quad \text{pH} = 10{,}98\;}

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Estrategia

a) Según Brønsted-Lowry, un ácido cede un protón y una base lo acepta. Una especie sin hidrógeno ácido solo puede aceptar protones (base); una que tiene un H que ceder y además carga negativa o pares de electrones para aceptar otro puede hacer las dos cosas (anfótera). Para justificarlo se escribe la reacción de cada especie con el agua.

b) El amoníaco es una base débil: se plantea su equilibrio con el agua, la tabla de concentraciones y

K_b

; se calcula

[\text{OH}^-]

(comprobando la aproximación), luego el pOH y por último el pH.

Desarrollo

a) Carácter ácido-base según Brønsted-Lowry

1)

\text{S}^{2-}

: no tiene hidrógenos que ceder, pero sí puede captar un protón del agua. Es una base:

\text{S}^{2-}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{HS}^-(aq) + \text{OH}^-(aq)

\text{HCO}_3^-

: puede ceder su protón (actuando como ácido) o aceptar uno (como base). Es anfótero:

\text{HCO}_3^-(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{CO}_3^{2-}(aq) + \text{H}_3\text{O}^+(aq)\qquad \text{(ácido)}

\text{HCO}_3^-(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3(aq) + \text{OH}^-(aq)\qquad \text{(base)}

\text{HS}^-

: igual que el anterior, puede ceder o aceptar un protón. Es anfótero:

\text{HS}^-(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{S}^{2-}(aq) + \text{H}_3\text{O}^+(aq)\qquad \text{(ácido)}

\text{HS}^-(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{S}(aq) + \text{OH}^-(aq)\qquad \text{(base)}

\text{CO}_3^{2-}

: no tiene hidrógenos; solo puede aceptar un protón. Es una base:

\text{CO}_3^{2-}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{HCO}_3^-(aq) + \text{OH}^-(aq)

Los pares conjugados aparecen solos:

\text{HS}^-/\text{S}^{2-}

\text{H}_2\text{S}/\text{HS}^-

\text{HCO}_3^-/\text{CO}_3^{2-}

\text{H}_2\text{CO}_3/\text{HCO}_3^-

. (En la práctica, las disoluciones de

\text{HCO}_3^-

y de

\text{HS}^-

son ligeramente básicas, porque en ellos pesa más el carácter básico, pero los dos tienen comportamiento anfótero.)

b) pH de la disolución de amoníaco $0{,}05\ \text{M}$

El amoníaco es una base débil que acepta un protón del agua:

\text{NH}_3(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{NH}_4^+(aq) + \text{OH}^-(aq)

	$\text{NH}_3$	$\text{NH}_4^+$	$\text{OH}^-$
Inicio	$0{,}05$	$0$	$0$
Equilibrio	$0{,}05 - x$	$x$	$x$

K_b = \frac{[\text{NH}_4^+][\text{OH}^-]}{[\text{NH}_3]} = \frac{x^2}{0{,}05 - x} = 1{,}8\cdot 10^{-5}

Como

K_b

es pequeña, suponemos

x \ll 0{,}05

x^2 \approx 1{,}8\cdot 10^{-5}\cdot 0{,}05 = 9\cdot 10^{-7}\;\Rightarrow\; x = [\text{OH}^-] = 9{,}49\cdot 10^{-4}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}

Comprobación:

x/0{,}05 = 0{,}019

, un

1{,}9\ \%

(menor que el

5\ \%

): la aproximación es válida. Resolviendo la ecuación de segundo grado sin aproximar sale

x = 9{,}40\cdot 10^{-4}

, prácticamente lo mismo.

\text{pOH} = -\log(9{,}49\cdot 10^{-4}) = 3{,}02\qquad \text{pH} = 14 - \text{pOH} = 10{,}98

La disolución es básica, como corresponde a una base.

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

En a) no basta con decir «es anfótero»: escribe las dos reacciones con el agua, una cediendo y otra aceptando el protón. Una especie sin hidrógenos ( $\text{S}^{2-}$ , $\text{CO}_3^{2-}$ ) nunca puede actuar como ácido de Brønsted.

En b), con una base lo que sale de $K_b$ es $[\text{OH}^-]$ , no $[\text{H}_3\text{O}^+]$ : calcula el pOH y pasa al pH con $\text{pH} = 14 - \text{pOH}$ . Si das 3,02 como pH, la respuesta es de una disolución ácida y está mal.