Hoy vimos el último tema antes de terminar la cursada: Soluciones reguladoras.
Una solución reguladora es aquella que evita que haya variaciones importantes en el pH cuando se agregan pequeñas cantidades de un ácido o una base fuerte.
En esencia para que una solución regule el pH debe estar formada por un ácido débil y una sal que contenga a la base conjugada de ese ácido débil (por ejemplo ácido acético y acetato de sodio CH3COOH / CH3COONa). También podría estar formado por una base débil y una sal que contenga al ácido conjugado de esa base débil (por ejemplo amoníaco y cloruro de amonio NH3 /
NH4Cl).
Las disociaciones del sistema de una solución reguladora serán (ejemplo para el CH3COOH / CH3COONa)
CH3COOH + H2O <------> CH3COO- + H3O
CH3COONa --------------> CH3COO- + Na+
Es importante destacar que el ácido débil está poco disociado (recordá que los valores de Ka son chiquitos lo que da un indicio que en el equilibrio "casi todo" está como reactivo y por lo tanto la concentración de CH3COOH es mucho mayor que la de CH3COO-. Entonces, como la reacción de disociación de la sal es completa, la principal fuente de base conjugada (CH3COO-) es el CH3COONa.
Con estos supuestos se considera que la concentración del ácido (ca) es la concentración inicial (es decir se supone que el CH3COOH no se disocia) y que la concentración de la base (cb) es lo que se puso inicialmente de sal (porque de acuerdo a la estequiometría de la reacción si se ponen x moles de CH3COONa, se obtendrán x moles de CH3COO-).
Entonces, teniendo en cuenta estos supuestos se puede calcular el pH de un buffer aplicando la fórmula de Henderson-Hasselbalch:
pH = pKa + log cb/ca
donde cb es la concentración de la base y ca es concentración del ácido.
Para que una solución tenga buenas propiedades reguladoras debe cumplir algunas condiciones: 1) Las concentraciones del par ácido/base conjugada o base/ácido congujada deben estar comprendidas entre 0,05 y 1 molar.2) La relación cb/ca debe estar comprendida entre 0,1 y 10
De esta forma si la relación cb/ca es 0,1 la ecuación de Henderson-Hasselbalch toma la forma:
pH = pKa -1
y si la relación es cb/ca es 10 la ecuación de Henderson-Hasselbalch toma la forma:
pH = pKa +1
Por lo tanto una solución reguladora tiene un intervalo de valores de pH para los cuales "regula bien".
pKa -1 < pH < pKa +1
Por ejemplo para una solución reguladora de CH3COOH / CH3COONa con un pKa de 4,74 se deduce que regulará bien a pH entre 3,74 (pKa -1) y 5,74 (pKa +1).
Por último estudiamos qué sucede al agregar una pequeña cantidad de ácido o base fuerte a una solución reguladora. En ese caso hay que analizar qué especie de la solución reguladora reaccionará con los H3O+ u OH- agregados.
CH3COOH + H2O <------> CH3COO- + H3O
CH3COONa --------------> CH3COO- + Na+
Se tendrá una determinada relación cb/ca que junto al pKa producirán un pH "inicial"
Si se agrega un ácido fuerte se estarán agregando H3O+. ¿Qué especie de la solución reguladora que reaccionará con los H3O+ (ácido conjugado del H2O)? La respuesta es que la base de la solución reguladora reaccionará con los H3O. Entonces en la solución reguladora:
CH3COOH + H2O <------> CH3COO- + H3O
CH3COONa --------------> CH3COO- + Na+
será la base conjugada CH3COO- quien reaccionará con los H3O+. La siguiente es la ecuación representa como actúa el sistema para amortiguar el agregado de un ácido fuerte:
CH3COO- + H3O+ --------> CH3COOH + H2O
Para los cálculos numéricos hay que tener en cuenta que se consume base conjugada y se produce más ácido débil por lo tanto cambiará la relación cb/ca y por lo tanto se tendrá otro pH.
Para ejemplificar el tipo de cálculo por el agregado de ácido o bases fuertes hicimos el ejercicio 10.65.
Además en clase hicimos los ejercicios: 10.54, 10.56, 10.58, 10.62, 10.67 y 10.69.
Esperamos tus comentarios.
martes, 30 de junio de 2009
Problemas Soluciones Reguladoras
1) Se desea preparar una solución reguladora de etilamina (pKb=3,33)/ cloruro de etilamonio de pH = 10,30. Calcular cuántos moles de etilamina habrá que agregar a 500 mL de solución de cloruro de etilamonio 0,500M, suponiendo que no hay cambio de volumen.
2) Se dispone de una solución acuosa de ácido propanoico (CH3CH2COOH, pKa = 4,85) y se desea preparar una solución reguladora de pH = 4,80. Indicar cuál o cuáles de las siguientes sustancias podría elegir para agregar a la solución anterior: a) NaOH, b) HCl, c) NaCl, d) CH3CH2COONa.
3) Cuáles de los pares conjugados siguientes podrían usarse para obtener una solución que regule el pH alrededor del valor 10,00?. a) HA/A- (Ka = 4,80.10-10), b) B/BH+ (pKb = 4,74), c) X/XH+ (Kb = 4,20.10-10).
4) Se desea preparar una solución reguladora de pH = 4,20, a partir de ácido fórmico ( HCOOH, pKa = 3,77) y su sal de sodio. Calcular la relación entre las concentraciones molares ácido/base conjugada que se requiere para tal propósito.
5) Se dispone de 1800 cm3 de una solución reguladora de ácido acético (pKa = 4,75) y su sal de potasio. La relación de concentraciones molares entre la base conjugada y el ácido es 1,22.
a) Calcular la concentración molar de iones hidronio.
b) A la solución del enunciado se le agrega 5,00 cm3 de agua, ¿Cuál de las afirmaciones siguientes es correcta?. i) [H3O+] aumenta; ii) el pH aumenta; iii) el pOH aumenta; iv) [OH-] no cambia; v) el pKa disminuye
6) Se prepara una solución reguladora de ácido propanoico (C2H5COOH) y su sal de potasio, de pH = 4,20, siendo la relación de las concentraciones molares ácido/base conjugada igual a 4,51. Calcular la constante de equilibrio de ionización del ácido, Ka.
REPUESTAS:
1) 0,107
2) a) d)
3) a) y b)
4) 0,372
5) a) 1,46.10-5; b) iv) [OH-] no cambia
6) 1,40.10-5
2) Se dispone de una solución acuosa de ácido propanoico (CH3CH2COOH, pKa = 4,85) y se desea preparar una solución reguladora de pH = 4,80. Indicar cuál o cuáles de las siguientes sustancias podría elegir para agregar a la solución anterior: a) NaOH, b) HCl, c) NaCl, d) CH3CH2COONa.
3) Cuáles de los pares conjugados siguientes podrían usarse para obtener una solución que regule el pH alrededor del valor 10,00?. a) HA/A- (Ka = 4,80.10-10), b) B/BH+ (pKb = 4,74), c) X/XH+ (Kb = 4,20.10-10).
4) Se desea preparar una solución reguladora de pH = 4,20, a partir de ácido fórmico ( HCOOH, pKa = 3,77) y su sal de sodio. Calcular la relación entre las concentraciones molares ácido/base conjugada que se requiere para tal propósito.
5) Se dispone de 1800 cm3 de una solución reguladora de ácido acético (pKa = 4,75) y su sal de potasio. La relación de concentraciones molares entre la base conjugada y el ácido es 1,22.
a) Calcular la concentración molar de iones hidronio.
b) A la solución del enunciado se le agrega 5,00 cm3 de agua, ¿Cuál de las afirmaciones siguientes es correcta?. i) [H3O+] aumenta; ii) el pH aumenta; iii) el pOH aumenta; iv) [OH-] no cambia; v) el pKa disminuye
6) Se prepara una solución reguladora de ácido propanoico (C2H5COOH) y su sal de potasio, de pH = 4,20, siendo la relación de las concentraciones molares ácido/base conjugada igual a 4,51. Calcular la constante de equilibrio de ionización del ácido, Ka.
REPUESTAS:
1) 0,107
2) a) d)
3) a) y b)
4) 0,372
5) a) 1,46.10-5; b) iv) [OH-] no cambia
6) 1,40.10-5
Problemas Ácidos y Bases Débiles
1) Se dispone de 2,50 L de una solución de trimetilamina 0,200M (Kb = 7,40.10-5).
a) Calcular cuántos moles del ácido conjugado están presentes en el equilibrio. Justificar con cálculos.
b) Escribir las fórmulas de las especies iónicas presentes en la solución.
2) Una solución de ácido cianhídrico (pKa = 9,30) tiene pOH = 9,20. Calcular la concentración molar de iones cianuro.
3) Se dispone de una solución acuosa de ácido nitroso (HNO2, pKa = 3,29) que tiene un PH = 3,50. Calcular la concentración inicial del ácido, expresada en mol/dm3. Justificar con cálculos.
4) Calcular el pH de una solución acuosa de amoníaco (pKb = 4,75), sabiendo que la concentración de iones amonio es 7,00.10-4 M.
5) Se prepara una solución de dietilamina (CH3CH2)2NH (Kb = 9,55.10-4) disolviendo 0,150 moles de la base en agua hasta obtener 1800 cm3 de solución.
a) Calcular el pH de la solución. Justificar con cálculos.
b) Escribir las fórmulas de los cationes presentes en la solución.
c) Una solución de dimetilamina (pKb = 3,13) tiene el mismo pH que el de la solución del enunciado. Indicar si la molaridad de la solución de dimetilamina será: i) mayor; ii) menor; iii) igual, que la correspondiente a la solución de dietilamina.
RESPUESTAS
1) a) 9,53.10-3; b) (CH3)3NH+ , OH- , H3O+
2) 1,58.10-5
3) 5,11.10-4
4) 10,84
5) a) 11,93; b) H3O+, (CH3CH2)2NH2+; c) i) mayor
a) Calcular cuántos moles del ácido conjugado están presentes en el equilibrio. Justificar con cálculos.
b) Escribir las fórmulas de las especies iónicas presentes en la solución.
2) Una solución de ácido cianhídrico (pKa = 9,30) tiene pOH = 9,20. Calcular la concentración molar de iones cianuro.
3) Se dispone de una solución acuosa de ácido nitroso (HNO2, pKa = 3,29) que tiene un PH = 3,50. Calcular la concentración inicial del ácido, expresada en mol/dm3. Justificar con cálculos.
4) Calcular el pH de una solución acuosa de amoníaco (pKb = 4,75), sabiendo que la concentración de iones amonio es 7,00.10-4 M.
5) Se prepara una solución de dietilamina (CH3CH2)2NH (Kb = 9,55.10-4) disolviendo 0,150 moles de la base en agua hasta obtener 1800 cm3 de solución.
a) Calcular el pH de la solución. Justificar con cálculos.
b) Escribir las fórmulas de los cationes presentes en la solución.
c) Una solución de dimetilamina (pKb = 3,13) tiene el mismo pH que el de la solución del enunciado. Indicar si la molaridad de la solución de dimetilamina será: i) mayor; ii) menor; iii) igual, que la correspondiente a la solución de dietilamina.
RESPUESTAS
1) a) 9,53.10-3; b) (CH3)3NH+ , OH- , H3O+
2) 1,58.10-5
3) 5,11.10-4
4) 10,84
5) a) 11,93; b) H3O+, (CH3CH2)2NH2+; c) i) mayor
Problemas Ácidos y Bases Fuertes
1) Se diluyen con agua 20,0 mL de una solución del ácido fuerte HI hasta completar un volumen de 120 mL. El pH de la solución resultante es 2,10. Calcular la concentración
molar de la solución original
2) El pH de una solución de Ca(OH)2 es 11,40. Calcular cuántos moles de cationes calcio hay en 3,00L de solución
3) Se dispone de dos soluciones acuosas básicas con igual pH, denominadas A y B. La solución A es de hidróxido de calcio 0.0300 M; la solución B es de hidróxido de litio. Calcular la masa de hidróxido de litio (M = 23,9g/mol) disuelta en 600 mL de la solución B.
4) ¿Cuáles de las afirmaciones siguientes correspondientes a una solución 0,0400 M de un ácido fuerte HA son verdaderas? : a) [A-] = [OH-] ;b) [HA] > 0,0200M; c) pH > 7,00; d) pOH = 12,60; e) [HA] = [A-].
5) Se dispone de 400 cm3 de una solución acuosa de KOH (M = 56,1 g/mol) de pH=13,30. Se diluye en agua hasta un volumen final de 1500 cm3. Calcular la concentración de la solución final expresada en %m/V.
RESPUESTAS
1) 4,76.10-2
2) 3,77.10-3
3) 0,860 g
4) d) y e)
5) 0,299% m/V
molar de la solución original
2) El pH de una solución de Ca(OH)2 es 11,40. Calcular cuántos moles de cationes calcio hay en 3,00L de solución
3) Se dispone de dos soluciones acuosas básicas con igual pH, denominadas A y B. La solución A es de hidróxido de calcio 0.0300 M; la solución B es de hidróxido de litio. Calcular la masa de hidróxido de litio (M = 23,9g/mol) disuelta en 600 mL de la solución B.
4) ¿Cuáles de las afirmaciones siguientes correspondientes a una solución 0,0400 M de un ácido fuerte HA son verdaderas? : a) [A-] = [OH-] ;b) [HA] > 0,0200M; c) pH > 7,00; d) pOH = 12,60; e) [HA] = [A-].
5) Se dispone de 400 cm3 de una solución acuosa de KOH (M = 56,1 g/mol) de pH=13,30. Se diluye en agua hasta un volumen final de 1500 cm3. Calcular la concentración de la solución final expresada en %m/V.
RESPUESTAS
1) 4,76.10-2
2) 3,77.10-3
3) 0,860 g
4) d) y e)
5) 0,299% m/V
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