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Si alguna vez has probado el zumo de limón, entonces tú y yo estaremos de acuerdo en que el zumo de limón tiene un sabor muy ácido. El zumo de limón es un tipo de ácido débil, y para conocer el pH y el pKade los ácidos débiles, tenemos que sumergirnos en el mundodel Ka, las tablas de ICE ¡e incluso la ionización porcentual!
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Regístrate gratisLos ácidos de Bronsted-Lowry son protones (H+) _____.
Las bases de Bronsted-Lowry son protones (H+) _____ .
_____ es una medida de la concentración de iones [H+] en una solución.
Ka se conoce como ________.
Verdadero o falso: para calcular el pH y el pKa de los ácidos débiles, necesitamos conocer elKa.
Cuanto mayor sea laKa de un ácido, más _____ será el ácido.
Verdadero o falso: Se denomina pKa al logaritmo positivo de Ka.
Cuanto mayor sea el pKa, más ______ será el ácido.
Los ácidos tienen un valor de pH _____.
Las bases tienen un valor de pH ______.
Las sustancias con un valor pKa bajo se consideran ácidos _______.
Los ácidos de Bronsted-Lowry son protones (H+) _____.
Las bases de Bronsted-Lowry son protones (H+) _____ .
_____ es una medida de la concentración de iones [H+] en una solución.
Ka se conoce como ________.
Verdadero o falso: para calcular el pH y el pKa de los ácidos débiles, necesitamos conocer elKa.
Cuanto mayor sea laKa de un ácido, más _____ será el ácido.
Verdadero o falso: Se denomina pKa al logaritmo positivo de Ka.
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Los ácidos tienen un valor de pH _____.
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Enviar comentariosAntes de sumergirnos en el pH y el pKa, recordemos la definición de ácidos y bases de Bronsted-Lowry, y también el significado de ácidos y bases conjugados.
Los ácidos de Bronsted-Lowry son donantes de protones (H+), mientras que las bases de Bronsted-Lowry son aceptores de protones (H+). Veamos la reacción entre el amoníaco y el agua.
Fig. 1: La reacción entre el amoniaco y el agua, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
Losácidos conj ugados son bases que ganaron un protón H+. Por otro lado, las bases conjugadas son ácidos que perdieron un protón H+. Por ejemplo, cuando se añade HCl a H2O, se disocia para formar H3O+ y Cl-. El agua ganará un protón y el HCl perderá un protón.
Fig. 2: Pares conjugados en una reacción entre HCl y Agua, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
Algunos libros de química utilizan H+ en lugar de H3O+ para referirse a los iones hidrógeno. Sin embargo, estos dos términos pueden utilizarse indistintamente.
Ahora que esas definiciones están frescas en nuestras mentes, veamos cómo se relacionan el pH y el pKa. Lo primero que debes saber es que podemos utilizar el pH y el pKa para describir la relación entre ácidos débiles en una solución acuosa.
El pH es una medida de la concentración de iones [H+] en una solución.
Puedes saber más sobre el pH leyendo"Escala de pH".
La definición de pKa puede parecer confusa, sobre todo si no estás familiarizado con la constante de disociación de los ácidos, también conocida como Ka. Así que, ¡vamos a hablar de ello!
Cuando se trata de ácidos débiles y del cálculo del pH, necesitamos un dato adicional, la constante de disociación del ácido (Ka). Ka se utiliza para determinar la fuerza de un ácido y su capacidad para estabilizar su base conjugada. Mide hasta qué punto un ácido es capaz de disociarse en el agua. En general, cuanto mayor sea elKa de un ácido, más fuerte será éste.
Ka también puede denominarse constante de ionización del ácido o constante de acidez.
La fórmula general de un ácido monobásico puede escribirse como, donde
HA es el ácido débil.
H+ son los iones hidrógeno.
A- es la base conjugada.
Podemos utilizar la siguiente fórmula paraKa:
$$K_{a}=\frac{[products]}{[reactants]}=\frac{[H^{+}]\cdot [A^{-}]}{HA}=\frac{[H^{+}]^{2}}{HA}c$$
Ten en cuenta que los sólidos (s) y los líquidos puros (l) como el H2O(l) no deben incluirse al calcularKa porque tienen concentraciones constantes. ¡Veamos un ejemplo!
¿Cuál sería la expresión de equilibrio para la siguiente ecuación?
$$CH_{3}COOH^{(aq)}\rightleftharpoons H^{+}_{(aq)}+CH_{3}COO^{-}_{(aq)}$$Utilizando la fórmula paraKa, la expresión de equilibrio sería
$$K_{a}=\frac{[products]}{[reactants]}=\frac{[H^{+}\cdot [CH_{3}COO^{-}]]}{[CH_{3}CCOH]}$$
Para practicar más, intenta escribir la expresión de equilibrio de: ¡$$NH_{4\(aq)}^{+} H^{+}_(aq)}+NH_{3\(aq)}$$ !
Ahora que sabemos lo que significaKa, podemos definir pKa. No te preocupes ahora porlos cálculos de pKa, ¡nos ocuparemos de ello dentro de un rato!
Se denominapKa al logaritmo negativo deKa.
Los tampones son soluciones que contienen un ácido débil + su base conjugada o una base débil + su ácido conjugado, y tienen la capacidad de resistir los cambios de pH.
Cuando se trata de tampones, el pH y el pKa se relacionan mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch, que tiene la fórmula siguiente
$$pH=pK_{a}+log\frac{[A^{-}]}{[HA]}$$
La principal diferencia entre pH y pKa es que el pKa se utiliza para mostrar la fuerza de un ácido. En cambio, el pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución acuosa. Hagamos una tabla comparativa entre pH y pKa.
| pH | pKa |
| ↑ pH = básico↓ pH = ácido | ↑ pKa = ácido débil↓ pKa = ácido fuerte |
| depende de la concentración de [H+] | depende de [HA], [H+] y A- |
Cuando tenemos un ácido fuerte, como el HCl, se disociará completamente en iones H+ y Cl-. Por tanto, podemos suponer que la concentración de iones [H+] será igual a la concentración de HCl.
$$HCl++Cl^{-}}$$
Sin embargo, calcular el pH de los ácidos débiles no es tan sencillo como con los ácidos fuertes. Para calcular el pH de los ácidos débiles, tenemos que utilizar las tablas ICE para determinar cuántos iones H+ tendremos en el equilibrio, y también utilizar las expresiones de equilibrio (Ka).
$$HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^{+}_{(aq)}+A^{-}_{(aq)}$$
Ácidosdébiles son los que se ionizan parcialmente en disolución.
La forma más fácil de aprender sobre las tablas ICE es viendo un ejemplo. Utilicemos una tabla ICE para hallar el pH de una disolución 0,1 M de ácido acético (el valorKa del ácido acético es 1,76 x 10-5).
Paso 1: Primero, escribe la ecuación genérica de los ácidos débiles:
$$HA_{(aq)}\rightleftharpoons H^{+}_{(aq)}+A^{-}_{(aq)}$$
Paso 2: A continuación, crea un gráfico ICE. "I" significa inicial, "C" significa cambio y "E" significa equilibrio. Por el problema, sabemos que la concentración inicial de ácido acético es igual a 0,1 M. Por tanto, tenemos que escribir ese número en la tabla ICE. ¿Dónde? En la fila "I", debajo de HA. Antes de la disociación, no tenemos iones H+ ni A-. Por tanto, escribe el valor 0 debajo de esos iones.
Fig. 3: Cómo rellenar la fila "I" de la tabla ICE, Isadora Santos - StudySmarter Originals
En realidad, el agua pura tiene un poco de iones H+ (1 x 10-7 M). Pero podemos ignorarlo por ahora, ya que la cantidad de iones H+ que producirá la reacción será mucho más significativa.
Paso 3: Ahora tenemos que rellenar la fila "C" (cambio). Cuando se produce la disociación, el cambio va hacia la derecha. Por tanto, el cambio en HA será mientras que el cambio en los iones será .
Fig. 4: Rellenar la fila "C" de la Tabla ICE. Isadora Santos - StudySmarter Originals.
Paso 4: La fila del equilibrio muestra la concentración en el equilibrio. "E" puede rellenarse utilizando los valores de "I" y "C". Así, HA tendrá una concentración de 0,1 - x en el equilibrio y los iones tendrán una concentración de x en el equilibrio.
Fig. 5: Rellenando la fila "E" del gráfico ICE, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
Paso 5: Ahora, tenemos que crear una expresión de equilibrio utilizando los valores de la fila del equilibrio, que luego se utilizará para resolver x.
$$K_{a}=\frac{[H^{+}]\cdot [A^{-}]}{HA}=\frac{x^{2}}{0.1-x}$$
Paso 6: Introduce todos los valores conocidos en la expresiónKa y resuelve para x. Como x suele ser un número pequeño, podemos ignorar la x que se resta de 0,1.
$$K_{a}=\frac{x^{2}}{0.1-x}\cdot 1.76\cdot 10^{-5}=\frac{x^{2}}{0.1}x=\sqrt{(1.76\cdot 10^{-5})}\cdot 0.1=0.0013M=[H^{+}]$$
Si después de hacer este paso resulta que x es mayor que 0,05, entonces tendrás que hacer la ecuación cuadrática completa. Después de un poco de álgebra, en este caso obtendrías x^2 +Ka*x - 0,1*Ka = 0. Ahora sólo tienes que utilizar la fórmula cuadrática normal para resolver x.
Paso 7: Utiliza el valor [H+] para calcular el pH.
$$=-log_{10}[H^{+}]pH=-log_{10}[0.0013]pH=2.9$$
Normalmente, al hallar el pH de un ácido débil, se te pedirá que construyas una tabla ICE. Sin embargo, para tu examen AP (y también para reducir tiempo), hay un pequeño atajo que puedes tomar para hallar la concentración de iones [H+] de un ácido débil que se necesita para hallar su pH.
Así pues, para calcular el [H+] todo lo que necesitas saber es el valor de la concentración del ácido débil y el valorKa, y enchufar esos valores en la siguiente ecuación:
$$[H^{+}]=\sqrt{K_{a}\cdot concentración inicial\ of\ HA}$$
A continuación, puedes utilizar el valor de [H+] para calcular el pH. Ten en cuenta que esta ecuación no se te dará en el examen AP, ¡así que debes intentar memorizarla!
Para calcular el pH y el pKa, debes estar familiarizado con las siguientes fórmulas:
Fig. 6: Fórmulas que relacionan el pH y el pKa, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
¡Veamos un problema!
Halla el pH de una solución que contiene 1,3-10-5 M de concentración de iones [H+].
Sólo tenemos que utilizar la primera fórmula anterior para calcular el pH.
$$pH=-log_{10}[H^{+}]pH=-log_{10}[1.3\cdot 10^{-5}M]pH=4.9$$
Ha sido bastante sencillo, ¿verdad? Pero, ¡incrementemos un poco más la dificultad!
Halla el pH de 0,200 M de ácido benzoico. El valorKa para el C6H5COOHes 6,3 x 10-5 mol dm-3.
$$C_{6}H_{5}COOH\rightarrow H^{+}C_{6}H_{5}COO^{-}$$
Aunque podemos hacer una tabla ICE para hallar la concentración de iones [H+] del benzoico, vamos a utilizar la fórmula abreviada:
$$[H^{+}]=\sqrt{K_{a}\cdot inicial\ concentración\ of\ HA}$$
Así, el valor de la concentración de iones hidrógeno H+ será
$$[H^{+}]=cuadrado{(6,3\cdot 10^{-5})\cdot (0,200)}=0,00355$$
Ahora podemos utilizar el valor calculado de [H+] para hallar el pH:
$$pH=-log_{10}[H^{+}]pH=-log_{10}[0.00355]pH=2.450$$
Ahora bien, ¿y si te pidieran que calcularas el pKa a partir del Ka? Basta con que utilices la fórmula de pKa si conoces el valor de Ka.
Por ejemplo, si sabes que el valor deKa para el ácido benzoico es 6,5x10-5 mol dm-3, puedes utilizarlo para calcular el pKa:
$$pK_{a}=-log_{10}(K_{a})pK_{a}=-log_{10}(6.3\cdot 10^{-5})pKa=4.2$$
Podemos utilizar el pH y la concentración de un ácido débil para calcular el pKa de la disolución. ¡Veamos un ejemplo!
Calcula el pKa de una disolución 0,010 M de un ácido débil con un valor de pH de 5,3.
Paso 1: Utiliza el valor de pH para hallar la concentración de iones [H+] reordenando la fórmula del pH. Conociendo la concentración de [H+], también podemos aplicarla a la concentración de A-, ya que la reacción de los ácidos débiles está en equilibrio.
$$H^{+}=10^{-pH}[H^{+}]=10^{-5.3}=5.0\cdot 10^{-6}$$
Paso 2: Haz un gráfico ICE. Recuerda que "X" es igual a la concentración de iones [H+].
Fig. 8: Gráfico ICE para una disolución 0,010 M de un ácido débil, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
Paso3: Escribe la expresión de equilibrio utilizando los valores de la fila de equilibrio (E), y luego resuelve paraKa.
Paso 4: Utiliza elKa calculado para hallar el pKa.
$$K_{a}=\frac{[products]}{[reactants]}=\frac{[H^{+}]\cdot[A^{-}]}{HA}=\frac{x^{2}}{0.010-x}K_{a}=\frac{(5.0\cdot 10^{-6})(5.0\cdot 10^{-6})}{0.010-5.0\cdot 10^{-6}}=2.5\cdot 10^{-9}mol\cdot dm^{-3}$$
Otra forma de medir la fuerza de los ácidos es mediante el porcentaje de ionización. La fórmula para calcular el porcentaje de ionización es la siguiente
$$% de ionización = frac {concentración de iones de H^+} en equilibrio} {concentración inicial del ácido débil} = frac {x} {[HA]} cdot 100$$.
Recuerda: cuanto más fuerte sea el ácido, mayor será el % de ionización. ¡Vamos a aplicar esta fórmula a un ejemplo!
Halla elvalor Ka y el porcentaje de ionización de una disolución 0,1 M de un ácido débil con un pH de 3.
1. Utiliza el pH para hallar [H+].
$$[H^{+}]=10^{-pH}\cdot [H^{+}]=10^{-3}$$
2. Haz una tabla ICE para hallar las concentraciones de HA, H+ y A- en equilibrio.
Fig. 9: Tabla ICE de una disolución 0,1 M de un ácido débil, Isadora Santos - StudySmarter Originals.
3. Calcula el porcentaje de ionización utilizando el valor para x ([H+]) y para HA de la tabla ICE.
$$%\ ionización= \frac{[H^{+}]}{[HA]}\cdot 100%\ ionización=\frac{[10^{-3}M]}{0,1M-10^{-3}M}\cdot 100=1%$$
Ahora, ¡ya deberías tener lo necesario para hallar el pH y el pKa de los ácidos débiles!
Referencias:
Brown, T. L., Nelson, J. H., Stoltzfus, M., Kemp, K. C., Lufaso, M., & Brown, T. L. (2016). La Química: La ciencia central. Harlow, Essex: Pearson Education Limited.
Malone, L. J., & Dolter, T. (2013). Conceptos básicos de Química. Hoboken, NJ: John Wiley.
Ryan, L., & Norris, R. (2015). Cambridge International as and A level chemistry. Cambridge: Cambridge University Press.
Salazar, E., Sulzer, C., Yap, S., Hana, N., Batul, K., Chen, A., . . . Pasho, M. (s.f.). Curso magistral de química general de Chad. Obtenido el 4 de mayo de 2022, de https://courses.chadsprep.com/courses/general-chemistry-1-and-2
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