QuímicaDifícil2,5 pts

pH de ácidos y bases

También trata: Ajuste redox y estequiometría · Valoraciones y neutralización

Comunidad de Madrid · 2026 · Julio

Enunciado

En el laboratorio se dispone de dos disoluciones acuosas: ácido clorhídrico 0,85 M y ácido acético (ácido etanoico) 1,1 M. Las etiquetas se han borrado y, con el fin de identificarlas correctamente, se han hecho los siguientes experimentos a 25 °C:

Experimento 1: se ha medido el pH de ambas disoluciones de ácidos, obteniéndose: 0,071 y 2,4.
Experimento 2: se han valorado 10 mL de cada ácido con una disolución acuosa de hidróxido de potasio 1,2 M.
Experimento 3: se ha hecho reaccionar el ácido de pH = 0,071 con óxido de manganeso(IV).

Responda a las siguientes cuestiones:

a) (1 punto) Calcule el valor de pH de cada disolución, compárelo con los valores experimentales obtenidos en el experimento 1, e identifique correctamente ambas disoluciones.

b) (0,5 puntos) Para cada ácido, escriba la reacción de neutralización que se produce en el experimento 2 y determine el volumen de hidróxido de potasio necesario para alcanzar el punto de equivalencia.

c) (1 punto) Sabiendo que en el experimento 3 tiene lugar una reacción redox, en la que se forman cloruro de manganeso(II), agua y cloro gaseoso, escriba y ajuste por el método de ion electrón las semirreacciones de oxidación y reducción resultantes, y las reacciones iónica y molecular.

Dato: A 25 °C,

\text{p}K_a

(ácido acético)

= 4{,}8

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Resultado

a) HCl 0,85 M: pH = 0,071; ácido acético 1,1 M: $[\text{H}_3\text{O}^+] = 4{,}2\cdot 10^{-3}$ M, pH = 2,4. La de pH 0,071 es el HCl y la de pH 2,4, el acético.
b) $\text{HCl} + \text{KOH} \rightarrow \text{KCl} + \text{H}_2\text{O}$ , 7,1 mL; $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{KOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOK} + \text{H}_2\text{O}$ , 9,2 mL.
c) Reducción: $\text{MnO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 2\,\text{H}_2\text{O}$ ; oxidación: $2\,\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2\,e^-$ ; molecular: $\text{MnO}_2 + 4\,\text{HCl} \rightarrow \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$ .

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Estrategia

El ácido clorhídrico es un ácido fuerte (se ioniza por completo) y el acético, uno débil (solo en una pequeña fracción). Esa diferencia es la que permite reconocerlos:

a) Para el HCl, $[\text{H}_3\text{O}^+] = c_0$ . Para el acético hace falta su equilibrio con $K_a = 10^{-\text{p}K_a}$ . Aunque el acético está más concentrado, su pH sale mucho más alto.
b) En el punto de equivalencia, los moles de base igualan a los de ácido (estequiometría 1 : 1 en los dos casos), sea el ácido fuerte o débil: $c_a V_a = c_b V_b$ .
c) El ácido de pH 0,071 es el HCl. El manganeso se reduce de $+4$ (en $\text{MnO}_2$ ) a $+2$ (en $\text{Mn}^{2+}$ ) y el cloro se oxida de $-1$ (en $\text{Cl}^-$ ) a $0$ (en $\text{Cl}_2$ ). Ajuste en medio ácido.

Desarrollo

a) pH de cada disolución e identificación.

Ácido clorhídrico 0,85 M. Es un ácido fuerte, totalmente ionizado:

\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \qquad [\text{H}_3\text{O}^+] = c_0 = 0{,}85\ \text{M}

\text{pH} = -\log 0{,}85 = 0{,}071

Ácido acético 1,1 M. Es un ácido débil, con

K_a = 10^{-4{,}8} = 1{,}6\cdot 10^{-5}

	$\text{CH}_3\text{COOH}$	$+\ \text{H}_2\text{O}$	$\rightleftharpoons\ \text{CH}_3\text{COO}^-$	$+\ \text{H}_3\text{O}^+$
Inicial (M)	$1{,}1$	—	$0$	$0$
Cambio (M)	$-x$	—	$+x$	$+x$
Equilibrio (M)	$1{,}1 - x$	—	$x$	$x$

K_a = \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-][\text{H}_3\text{O}^+]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} = \frac{x^2}{1{,}1 - x} = 1{,}6\cdot 10^{-5}

Como

K_a

es pequeña y la concentración es alta,

x \ll 1{,}1

y se puede aproximar

1{,}1 - x \approx 1{,}1

x^2 = 1{,}6\cdot 10^{-5}\cdot 1{,}1 = 1{,}74\cdot 10^{-5} \;\Longrightarrow\; x = [\text{H}_3\text{O}^+] = 4{,}2\cdot 10^{-3}\ \text{M}

La aproximación es buena:

4{,}2\cdot 10^{-3}

es el 0,38 % de 1,1 (muy por debajo del 5 %).

\text{pH} = -\log(4{,}2\cdot 10^{-3}) = 2{,}4

Comparación e identificación. Los valores calculados coinciden con los medidos:

Disolución	pH calculado	pH medido
HCl 0,85 M	0,071	0,071
$\text{CH}_3\text{COOH}$ 1,1 M	2,4	2,4

La disolución de pH = 0,071 es el ácido clorhídrico 0,85 M y la de pH = 2,4 es el ácido acético 1,1 M. Aunque el acético está más concentrado, solo se ioniza un 0,38 % de sus moléculas, así que su

[\text{H}_3\text{O}^+]

es unas doscientas veces menor que la del HCl.

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b) Neutralización con KOH 1,2 M.

Ácido clorhídrico:

\text{HCl}(aq) + \text{KOH}(aq) \longrightarrow \text{KCl}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l)

Ácido acético:

\text{CH}_3\text{COOH}(aq) + \text{KOH}(aq) \longrightarrow \text{CH}_3\text{COOK}(aq) + \text{H}_2\text{O}(l)

(en forma iónica,

\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}

; la sal es el etanoato de potasio).

En los dos casos la estequiometría es 1 : 1, así que en el punto de equivalencia

n_{\text{ácido}} = n_{\text{base}}

, es decir,

c_a V_a = c_b V_b

. Que el acético sea débil no cambia nada: a medida que la base consume el

\text{H}_3\text{O}^+

, el equilibrio se desplaza y acaba neutralizándose todo el ácido.

V_b(\text{HCl}) = \frac{c_a V_a}{c_b} = \frac{0{,}85\ \text{M}\cdot 10\ \text{mL}}{1{,}2\ \text{M}} = 7{,}1\ \text{mL}

V_b(\text{CH}_3\text{COOH}) = \frac{1{,}1\ \text{M}\cdot 10\ \text{mL}}{1{,}2\ \text{M}} = 9{,}2\ \text{mL}

El acético, más concentrado, necesita más base, aunque su pH sea más alto: el volumen de equivalencia depende de cuánto ácido hay, no de lo ionizado que esté.

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c) Reacción del HCl con $\text{MnO}_2$ (método del ion-electrón).

Números de oxidación de las especies que cambian:

\overset{+4}{\text{Mn}}\text{O}_2 \longrightarrow \overset{+2}{\text{Mn}}{}^{2+} \qquad\qquad \overset{-1}{\text{Cl}}{}^- \longrightarrow \overset{0}{\text{Cl}}_2

\text{MnO}_2

gana electrones (se reduce: es el oxidante) y el

\text{Cl}^-

los pierde (se oxida: es el reductor).

Semirreacción de reducción (medio ácido: los oxígenos se ajustan con

\text{H}_2\text{O}

y los hidrógenos con

\text{H}^+

\text{MnO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 2\,e^- \longrightarrow \text{Mn}^{2+} + 2\,\text{H}_2\text{O}

Semirreacción de oxidación:

2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Cl}_2 + 2\,e^-

Las dos intercambian ya 2 electrones, así que se suman tal cual. Ecuación iónica:

\text{MnO}_2 + 4\,\text{H}^+ + 2\,\text{Cl}^- \longrightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

Ecuación molecular. Los 4

\text{H}^+

los aporta el HCl, así que hacen falta 4 HCl: 2 de sus cloruros se oxidan a

\text{Cl}_2

y los otros 2 quedan con el

\text{Mn}^{2+}

formando el

\text{MnCl}_2

\boxed{\text{MnO}_2 + 4\,\text{HCl} \longrightarrow \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}}

Comprobación: Mn,

1 = 1

; O,

2 = 2

; H,

4 = 4

; Cl,

4 = 2 + 2

. Cuadra.

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Consejo

En a) no razones solo con las concentraciones: el ácido más concentrado es el de pH más alto. Lo que manda es la fuerza del ácido. Escribe el equilibrio del acético con su $K_a$ y justifica la aproximación $1{,}1 - x \approx 1{,}1$ .

En b) el punto de equivalencia no depende de que el ácido sea fuerte o débil, solo de los moles. Y en c), como en todas las ecuaciones moleculares con HCl, cuenta los $\text{H}^+$ de la iónica: el HCl hace de reductor (2) y de ácido que aporta cloruros a la sal (otros 2).