T6: Equilibrios acido-base

Cálculo de pH e hidrólisis

Problema

2024 · Ordinaria · Titular

A.4

Se han preparado disoluciones acuosas $0,20 \text{ M}$ de los siguientes compuestos a $25 ^\circ \text{C}$ : hidróxido de sodio, ácido propanoico, cloruro de amonio, cloruro de potasio y etanoato de sodio.

a) Calcule el pH de las disoluciones de hidróxido de sodio y ácido propanoico.b) Ordene las disoluciones de cloruro de amonio, cloruro de potasio y etanoato de sodio de mayor a menor carácter ácido. Justifique la respuesta formulando las reacciones de ionización de cada especie, y las de hidrólisis del ion que lo requiera.

Datos. $pK_a (\text{ácido propanoico}) = 4,9$ ; $pK_a (\text{ácido acético}) = 4,75$ ; $pK_b (\text{amoníaco}) = 4,75$ .

Ácido-basepH

a) Calcule el pH de las disoluciones de hidróxido de sodio y ácido propanoico.

El hidróxido de sodio ( $\ce{NaOH}$ ) es una base fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa:

\ce{NaOH(aq)} -> \ce{Na+(aq) + OH-(aq)}

Dado que la concentración inicial es $0,20 \text{ M}$ , la concentración de iones hidroxilo será $[\ce{OH-}] = 0,20 \text{ M}$ . Calculamos el $pOH$ y, posteriormente, el $pH$ a $25 ^\circ \text{C}$ :

pOH = -\log(0,20) = 0,70

pH = 14 - pOH = 14 - 0,70 = 13,30

El ácido propanoico ( $\ce{CH3CH2COOH}$ ) es un ácido débil. Calculamos su constante de acidez a partir del $pK_a$ proporcionado: $K_a = 10^{-4,9} = 1,26 \cdot 10^{-5}$ . Planteamos la tabla ICE para su equilibrio de ionización:

\begin{array}{lccc} & \ce{CH3CH2COOH} & \ce{CH3CH2COO-} & \ce{H3O+} \\ \text{Inicio (M)} & 0,20 & 0 & 0 \\ \text{Cambio (M)} & -x & +x & +x \\ \text{Equilibrio (M)} & 0,20 - x & x & x \end{array}

Utilizamos la expresión de la constante de equilibrio:

K_a = \frac{[\ce{CH3CH2COO-}][\ce{H3O+}]}{[\ce{CH3CH2COOH}]} = \frac{x^2}{0,20 - x} \approx \frac{x^2}{0,20}

Despejamos $x$ , que representa la concentración de protones $[\ce{H3O+}]$ :

x = \sqrt{1,26 \cdot 10^{-5} \cdot 0,20} = 1,59 \cdot 10^{-3} \text{ M}

pH = -\log(1,59 \cdot 10^{-3}) = 2,80

b) Ordene las disoluciones de cloruro de amonio, cloruro de potasio y etanoato de sodio de mayor a menor carácter ácido. Justifique la respuesta formulando las reacciones de ionización de cada especie, y las de hidrólisis del ion que lo requiera.

En el cloruro de amonio ( $\ce{NH4Cl}$ ), la sal se disocia completamente:

\ce{NH4Cl(aq)} -> \ce{NH4+(aq) + Cl-(aq)}

El ion $\ce{Cl-}$ es la base conjugada débil de un ácido fuerte ( $\ce{HCl}$ ) y no sufre hidrólisis. El ion $\ce{NH4+}$ es el ácido conjugado de una base débil ( $\ce{NH3}$ ) y sufre hidrólisis ácida, liberando protones al medio según el Principio de Le Chatelier:

\ce{NH4+(aq) + H2O(l)} <=> \ce{NH3(aq) + H3O+(aq)}

Esta disolución tendrá un $pH < 7$ , siendo la más ácida de las tres.En el cloruro de potasio ( $\ce{KCl}$ ), la sal se disocia en sus iones:

\ce{KCl(aq)} -> \ce{K+(aq) + Cl-(aq)}

Tanto $\ce{K+}$ (ácido conjugado muy débil de la base fuerte $\ce{KOH}$ ) como $\ce{Cl-}$ (base conjugada muy débil del ácido fuerte $\ce{HCl}$ ) no tienen capacidad para reaccionar con el agua. Por lo tanto, no hay hidrólisis y el $pH = 7$ (neutro).En el etanoato de sodio ( $\ce{CH3COONa}$ ), la sal se disocia completamente:

\ce{CH3COONa(aq)} -> \ce{CH3COO-(aq) + Na+(aq)}

El ion $\ce{Na+}$ no se hidroliza. El ion etanoato ( $\ce{CH3COO-}$ ) es la base conjugada de un ácido débil ( $\ce{CH3COOH}$ ) y sufre hidrólisis básica, generando iones hidroxilo:

\ce{CH3COO-(aq) + H2O(l)} <=> \ce{CH3COOH(aq) + OH-(aq)}

Esta disolución tendrá un $pH > 7$ , siendo la de menor carácter ácido (carácter básico).El orden de mayor a menor carácter ácido es:

\ce{NH4Cl} > \ce{KCl} > \ce{CH3COONa}