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Cálculo de pH y concentraciones
Problema
2023 · Ordinaria · Titular
C3
Examen

Una disolución acuosa de ácido hipocloroso (HClO\ce{HClO}) tiene un valor de pH=5,5pH = 5,5. Basándose en la reacción que tiene lugar, calcule:

a) La concentración inicial del ácido hipocloroso.b) El pH de la disolución si se diluye a la mitad.

Dato: Ka(HClO)=3,2⋅10−8K_a(\ce{HClO}) = 3,2 \cdot 10^{-8}

ácido débilpH
a) La concentración inicial del ácido hipocloroso.

El ácido hipocloroso HClO\ce{HClO} es un ácido débil que en disolución acuosa se disocia según el siguiente equilibrio:

HClO(aq)+HX2O(l)<=>ClOX−(aq)+HX3OX+(aq)\ce{HClO(aq) + H2O(l)} <=> \ce{ClO-(aq) + H3O+(aq)}

Para determinar la concentración inicial c0c_0, planteamos la tabla de equilibrio (ICE) en unidades de molaridad, donde xx representa la concentración del ácido que se ha ionizado:

HClOHX2OClOX−HX3OX+Inicio (M)c0−00Cambio (M)−x−+x+xEquilibrio (M)c0−x−xx\begin{array}{|l|c|c|c|c|} \hline & \ce{HClO} & \ce{H2O} & \ce{ClO-} & \ce{H3O+} \\ \hline \text{Inicio (M)} & c_0 & - & 0 & 0 \\ \hline \text{Cambio (M)} & -x & - & +x & +x \\ \hline \text{Equilibrio (M)} & c_0 - x & - & x & x \\ \hline \end{array}

A partir del valor de pH=5,5pH = 5,5, calculamos la concentración de protones en el equilibrio, que corresponde al valor de xx:

x=[HX3OX+]=10−pH=10−5,5=3,16⋅10−6 Mx = [\ce{H3O+}] = 10^{-pH} = 10^{-5,5} = 3,16 \cdot 10^{-6} \text{ M}

Utilizamos la expresión de la constante de acidez KaK_a para despejar la concentración inicial c0c_0:

Ka=[ClOX−][HX3OX+][HClO]=x2c0−xK_a = \frac{[\ce{ClO-}][\ce{H3O+}]}{[\ce{HClO}]} = \frac{x^2}{c_0 - x}
3,2⋅10−8=(3,16⋅10−6)2c0−3,16⋅10−63,2 \cdot 10^{-8} = \frac{(3,16 \cdot 10^{-6})^2}{c_0 - 3,16 \cdot 10^{-6}}

Resolviendo la ecuación para c0c_0:

c0−3,16⋅10−6=10−113,2⋅10−8=3,125⋅10−4c_0 - 3,16 \cdot 10^{-6} = \frac{10^{-11}}{3,2 \cdot 10^{-8}} = 3,125 \cdot 10^{-4}
c0=3,125⋅10−4+3,16⋅10−6=3,157⋅10−4 Mc_0 = 3,125 \cdot 10^{-4} + 3,16 \cdot 10^{-6} = 3,157 \cdot 10^{-4} \text{ M}
b) El pH de la disolución si se diluye a la mitad.

Si la disolución se diluye a la mitad, la nueva concentración inicial c0′c_0' es:

c0′=c02=3,157⋅10−42=1,578⋅10−4 Mc_0' = \frac{c_0}{2} = \frac{3,157 \cdot 10^{-4}}{2} = 1,578 \cdot 10^{-4} \text{ M}

Planteamos de nuevo la constante de equilibrio con una nueva incógnita x′x' para la concentración de HX3OX+\ce{H3O+}:

Ka=(x′)2c0′−x′≈(x′)2c0′K_a = \frac{(x')^2}{c_0' - x'} \approx \frac{(x')^2}{c_0'}

Dado que el valor de KaK_a es muy pequeño (10−810^{-8}), se asume que x′x' es despreciable frente a c0′c_0' (c0′−x′≈c0′c_0' - x' \approx c_0'):

x′=Ka⋅c0′=3,2⋅10−8⋅1,578⋅10−4=2,247⋅10−6 Mx' = \sqrt{K_a \cdot c_0'} = \sqrt{3,2 \cdot 10^{-8} \cdot 1,578 \cdot 10^{-4}} = 2,247 \cdot 10^{-6} \text{ M}

Finalmente, calculamos el nuevo valor del pHpH:

pH=−log⁡(2,247⋅10−6)=5,65pH = -\log(2,247 \cdot 10^{-6}) = 5,65