Constante de acidez

¿Qué es la constante de acidez Ka?

Si has leído un poco sobre ácidos y bases, quizá sepas lo que es un ácido débil.

Podemos representar la disociación (también conocida como ionización) del ácido débil HA con la siguiente ecuación:

$$HA\rightleftharpoons H^++A^-$$

Aquí, el ácido HA se disocia en iones H⁺ y A^- en una reacción reversible que forma un equilibrio dinámico. Como todos los equilibrios químicos, puede representarse mediante una constante de equilibrio. La constante de equilibrio para la disociación de un ácido débil se conoce como Ka.

Para la reacción que hemos visto anteriormente, la expresión de Ka tiene este aspecto:

$$Ka=\frac{[H^+]\space [A^-]}{[HA]}$$

En esta expresión, [H⁺], [A^-] y [HA] son las concentraciones en equilibrio de H⁺, A^- y HA, respectivamente.

¿Cómo se calcula la constante de acidez Ka?

La constante de acidez Ka es útil porque nos indica la fuerza del ácido:

• Cuanto más alto sea el valor de Ka, más fuerte es el ácido y mayor es su grado de disociación.
• Cuanto menor sea el valor de Ka, más débil es el ácido y menor es el grado de disociación.

Por tanto, gracias a Ka es fácil comparar diferentes ácidos y averiguar cuál es el más fuerte y cuál el más débil. Pero, ¿cómo calculamos realmente la Ka? Bueno, hay varias formas, y dedicaremos el resto del artículo a explorarlas.

Entre ellas, está la de calcular la Ka a partir de:

• El pH: esto implica trabajar con la expresión Ka.
• Las curvas de titulación: que implican mirar el punto de equivalencia, el punto de semi-neutralización y el pKa.
• A partir de Kb (La constante de basicidad): esto implica los pares conjugados ácido-base.

Calcular Ka a partir del pH de la solución

La primera forma de calcular la Ka que se te podría preguntar en los exámenes es encontrar la Ka a partir del pH.

• Te darán información sobre un ácido débil disuelto en una solución y te dirán el pH resultante.
• A continuación, deberás utilizar tus conocimientos sobre el comportamiento de los ácidos débiles en disolución, junto con algunas suposiciones básicas y la expresión de Ka.

Para calcular Ka, sigue los pasos a continuación:

1. Escribe una expresión para Ka.
2. Encuentra [H⁺], usando el pH dado en la pregunta.
3. Al encontrar [H⁺] también puedes encontrar [A^-]
4. Encuentra [HA], utilizando cualquier otra información dada en la pregunta.
5. Sustituye los valores de [H⁺], [A^-] y [HA] en la expresión para Ka y resuelve para obtener tu respuesta final.

Ahora, estas son las suposiciones que hacemos para que nuestros cálculos sean mucho más sencillos:

• En primer lugar, sabemos que los ácidos débiles (HA) solo se ionizan parcialmente en solución en el equilibrio. Esto significa que solo una mínima proporción del ácido se disocia en iones H⁺ y A^- y la gran mayoría permanece como moléculas de HA. Por tanto, para nuestra primera hipótesis, suponemos que la concentración de moléculas de HA en el equilibrio es la misma que la cantidad original de ácido añadida a la solución.
• En segundo lugar, sabemos que las moléculas de agua también se ionizan parcialmente en la solución, y producen iones H⁺ y OH^-. Pero, una vez más, esta disociación solo afecta a una pequeña proporción de moléculas de agua, por lo que la cantidad de iones H⁺ en solución procedentes de las moléculas de agua es mínima. Por tanto, suponemos que toda la concentración de equilibrio de H⁺ se debe a la disociación del ácido débil, HA.

¿Todavía no sabes cómo calcular Ka a partir del pH? Lee nuestro ejemplo resuelto para hacerte una idea del método, y luego intenta el problema por ti mismo. Es una forma útil de practicar los cálculos químicos.

Calcular Ka a partir de curvas de titulación, punto de equivalencia y punto de semi-neutralización

¿Quieres calcular Ka de forma más práctica? Puedes llevar a cabo una reacción de titulación y encontrar la Ka utilizando el punto de equivalencia y el punto de semi-neutralización.

La semi-neutralización es importante por una razón particular:

Aquí, el valor de Ka es igual a la concentración de iones H⁺ en la solución, por lo que pKa es idéntico al valor del pH. Por tanto, si conoces el pH de una solución a la mitad de la neutralización, conoces el pKa del ácido. Una vez que conozcas el pKa, podrás encontrar fácilmente la Ka, simplemente aplicando la fórmula que hemos aprendido antes y que relaciona ambos valores: \(pKa=-\log_{10}Ka\)

¿No tienes tiempo o instalaciones para llevar a cabo una valoración completa? ¡No te preocupes! También puedes utilizar los datos existentes para encontrar el pH de un ácido débil a la mitad de la neutralización, en forma de curva de titulación.

1. Cuando añades por primera vez la base al ácido, el pH de la solución aumenta lentamente. Esto crea una curva con un gradiente inicial poco marcado.
2. Sin embargo, una vez que has añadido una cierta cantidad de base, el pH aumenta rápidamente. Esto da lugar a un tramo vertical pronunciado.
3. A continuación, la curva se nivela de nuevo, generando otra sección con un gradiente poco marcado.
4. Ahora localizamos el punto de equivalencia. Este punto se encuentra en el centro de la sección vertical empinada de la curva.
5. Utilizamos el punto de equivalencia para hallar el volumen del punto de equivalencia; es decir, el volumen de solución patrón necesario para neutralizar completamente el ácido.
6. Posteriormente, hallamos el volumen del punto de neutralización medio. Este es precisamente la mitad del volumen del punto de equivalencia.
7. Por último, empleamos nuestro gráfico para identificar el pH a la mitad de la neutralización. Este es, simplemente, el pH de la solución cuando hemos añadido el volumen de solución patrón del punto de neutralización medio.

Ahora es tu turno: usa el gráfico anterior para encontrar Ka, con la ayuda del siguiente ejemplo resuelto.

Calcular Ka a partir de Kb

Para nuestra última forma de calcular Ka, vamos a explorar cómo podemos encontrar Ka a partir de Kb (constante de basicidad). Esto implica observar los pares conjugados ácido-base.

Cuando un ácido débil (HA) se disocia en solución, se ioniza en un protón (H⁺) y un ion negativo (A^-). Sin embargo, como hemos aprendido al principio del artículo, los ácidos débiles solo se disocian parcialmente en solución, por lo que la reacción es reversible. Esto significa que el ion negativo A^- puede combinarse con un ion positivo H⁺ para formar, de nuevo, HA. En otras palabras: gana un protón y actúa como base. Por tanto, el A^- es la base conjugada del HA.

Al igual que la Ka mide el grado de disociación de un ácido débil, la constante de equilibrio Kb mide el grado de disociación de una base débil. La Kb también se aplica a las bases conjugadas. De hecho, el valor de Ka para un ácido débil y el valor de Kb para su pareja de bases conjugadas tienen una relación especial:

$$Ka\times Kb=Kw$$

Ten en cuenta que Kw (constante de ionización o de disociación del agua) es un valor constante a una temperatura determinada. Esto significa que Ka y Kb son inversamente proporcionales:

• Cuanto mayor sea el valor de Ka, más fuerteserá el ácido.
  • Esto da lugar a una base conjugada más débil con un valor Kb más bajo.
• Cuanto menor sea el valor de Kb, más débilserá el ácido.
  • El resultado es una base conjugada más fuerte con un valor Kb más alto.

Encontrar Ka a partir de Kb es, probablemente, el tipo de cálculo de Ka más sencillo. Este es el método (si es que puede llamarse método); ¡es sólo un paso!:

1. Divide Kw entre Kb para encontrar Ka.

¡Te dijimos que era fácil!

Ahora, haz la prueba con la siguiente pregunta. Si te atascas, nuestro ejemplo resuelto te guiará a través del problema:

¿Cómo se mide la acidez de una solución?

Ahora conoces como calcular la constante de acidez de un ácido a partir del pH de la solución, de las curvas de titulación y de Kb. Pero, ¿cómo puedes obtener la acidez de una solución en la vida real? Existen diferentes dispositivos y sustancias que permiten medir la acidez de una solución:

pHmetro

El pHmetro es uno de los dispositivos más confiables que existen para determinar la acidez de una solución.

La base del funcionamiento de un pHmetro es la medición de la diferencia de potencial entre un electrodo detector y un electrodo de referencia. El electrodo detector es permeable al ion H⁺, mientras que el electrodo de referencia tiene una solución con pH conocido.

Usando la ecuación de Nernst, puedes relacionar el potencial (E) con la concentración de H⁺ ([H⁺_s]) en la solución: $$E=E_0-0.0591\log \frac{[H^+_{ref}]\space}{[H^+_{s}]}$$

Indicador ácido-base

Si no dispones de un instrumento tan sofisticado como un pHmetro, puedes utilizar un indicador ácido-base para estimar el pH de la solución:

Los indicadores ácido-base son ácidos o bases orgánicos muy débiles que tienen estructuras químicas diferentes a diferentes valores de pH. Si agregas unas gotas de indicador ácido-base a una solución con pH desconocido, podrás conocer su acidez aproximada solo con ver el color de la solución. La Fig. 2 muestra una tabla de los colores de algunos indicadores ácido-base de uso común.

Papel tornasol

Una desventaja de los indicadores es que, al ser ácidos o bases, pueden modificar ligeramente la acidez de la solución. En caso de que necesites medir la acidez de forma rápida, sencilla y sin agregar ninguna sustancia adicional, el papel tornasol es una opción que puedes considerar.

En vez de agregar unas gotas de indicador a una solución, puedes añadir unas gotas de solución al papel tornasol, y comparar el color del papel con una tabla de comparación proporcionada por el fabricante. Esto te permitirá medir el pH aproximado de la solución.

Constante de acidez: Tabla de ácidos

A continuación te presentamos una tabla con los valores de constante de acidez Ka y pKa para algunos ácidos comunes:

Tabla 1: valores.