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Química 2ed

14.5 Ácidos polipróticos

Química 2ed14.5 Ácidos polipróticos

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Ampliar los conceptos de equilibrio previamente introducidos a los ácidos y bases que pueden donar o aceptar más de un protón

Los ácidos se clasifican por el número de protones por molécula que pueden ceder en una reacción. Los ácidos como el HCl, el HNO3 y el HCN que contienen un átomo de hidrógeno ionizable en cada molécula se denominan ácidos monopróticos. Sus reacciones con el agua son:

HCl(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+Cl(aq)HNO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+NO3(aq)HCN(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CN(aq)HCl(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+Cl(aq)HNO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+NO3(aq)HCN(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CN(aq)

Aunque contiene cuatro átomos de hidrógeno, el ácido acético, CH3CO2H, también es monoprótico porque solo el átomo de hidrógeno del grupo carboxilo (COOH) reacciona con las bases:

Esta imagen contiene dos reacciones de equilibrio. La primera muestra un átomo de C unido a tres átomos de H y a otro átomo de C. El segundo átomo de C tiene un doble enlace con un átomo de O y también forma un enlace simple con otro átomo de O. El segundo átomo de O está unido a un átomo de H. Hay un signo de suma y luego la fórmula molecular H subíndice 2 O. Una flecha de equilibrio sigue a H subíndice 2 O. A la derecha de la flecha está H subíndice 3 O superíndice signo positivo. Hay un signo de suma. La estructura final muestra un átomo de C unido a los tres átomos de H y a otro átomo de C. Este segundo átomo de C tiene un doble enlace con un átomo de O y un enlace simple con otro átomo de O. Toda la estructura está entre corchetes y un superíndice signo negativo aparece fuera de los corchetes. La segunda reacción muestra C H subíndice 3 C O O H ( a q ) más H subíndice 2 O ( l ) flecha de equilibrio H subíndice 3 O ( a q ) más C H subíndice 3 C O O superíndice signo negativo ( a q ).

Así mismo, las bases monopróticas son bases que aceptan un solo protón.

Los ácidos dipróticos contienen dos átomos de hidrógeno ionizables por molécula; la ionización de estos ácidos se produce en dos pasos. La primera ionización siempre se produce en mayor medida que la segunda. Por ejemplo, el ácido sulfúrico, un ácido fuerte, se ioniza de la siguiente manera:

Primera ionización:H2SO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HSO4(aq)Ka1=más de102; disociación completaSegunda ionización:HSO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+SO42−(aq)Ka2 =1,2×10-2Primera ionización:H2SO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HSO4(aq)Ka1=más de102; disociación completaSegunda ionización:HSO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+SO42−(aq)Ka2 =1,2×10-2

Este proceso de ionización secuencial se produce para todos los ácidos polipróticos. El ácido carbónico, H2CO3, es un ejemplo de ácido diprótico débil. La primera ionización del ácido carbónico produce iones de hidronio e iones de bicarbonato en pequeñas cantidades.

Primera ionización:H2CO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HCO3(aq)KH2CO3=[H3O+][HCO3][H2CO3]=4,3×10-7Primera ionización:H2CO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HCO3(aq)KH2CO3=[H3O+][HCO3][H2CO3]=4,3×10-7

El ion de bicarbonato también puede actuar como un ácido. Se ioniza y forma iones de hidronio e iones de carbonato en cantidades aún más pequeñas.

Segunda ionización:HCO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CO32−(aq)KHCO3=[H3O+][CO32−][HCO3]=4,7×10-11Segunda ionización:HCO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CO32−(aq)KHCO3=[H3O+][CO32−][HCO3]=4,7×10-11

KH2CO3KH2CO3 es mayor que KHCO3KHCO3 por un factor de 104, por lo que el H2CO3 es el productor dominante de iones de hidronio en la solución. Esto significa que un poco de HCO3HCO3 formado por la ionización del H2CO3 se ioniza para dar iones de hidronio (e iones de carbonato), y las concentraciones de H3O+ y HCO3HCO3 son prácticamente iguales en una solución acuosa pura de H2CO3.

Si la primera constante de ionización de un ácido diprótico débil es mayor que la segunda por un factor de al menos 20, es conveniente tratar la primera ionización por separado y calcular las concentraciones resultantes de ella antes de calcular las concentraciones de las especies resultantes de la ionización posterior. Este enfoque se demuestra en el siguiente ejercicio de ejemplo.

Ejemplo 14.19

Ionización de un ácido diprótico

El "agua carbonatada" contiene una cantidad de dióxido de carbono disuelto sabroso. La solución es ácida porque el CO2 reacciona con el agua para formar ácido carbónico, H2CO3. ¿Cuáles son las concentraciones de [H3O+],[H3O+], [HCO3],[HCO3], y [CO32−][CO32−] en una solución saturada de CO2 con un [H2CO3] inicial = 0,033 M?
H2CO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HCO3(aq)Ka1=4,3×10-7H2CO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HCO3(aq)Ka1=4,3×10-7
HCO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CO32−(aq)Ka2=4,7×10-11HCO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CO32−(aq)Ka2=4,7×10-11

Solución

Como indican las constantes de ionización, el H2CO3 es un ácido mucho más fuerte que HCO3,HCO3, por lo que las reacciones de ionización secuencial se pueden tratar por separado.

La primera reacción de ionización es

H2CO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HCO3(aq)Ka1=4,3×10-7H2CO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HCO3(aq)Ka1=4,3×10-7


A partir de la información proporcionada, se prepara una tabla ICE para este primer paso:

Esta tabla tiene dos columnas principales y cuatro filas. La primera fila de la primera columna no tiene encabezamiento y luego contiene lo siguiente en la primera columna: Concentración inicial ( M ), Cambio ( M ), Concentración en equilibrio ( M ). La segunda columna tiene el encabezado "H subíndice 2 C O subíndice 3 signo de suma H subíndice 2 O flecha de equilibrio H subíndice 3 O superíndice signo positivo más H C O subíndice 3 superíndice signo negativo". Bajo la segunda columna hay un subgrupo de tres columnas y tres filas. La primera columna contiene lo siguiente: 0,033, x negativo, 0,033 menos x. La segunda columna contiene lo siguiente: aproximadamente 0, x positivo, x. La tercera columna contiene lo siguiente: 0, positivo x, x.


Sustituyendo las concentraciones de equilibrio en la ecuación de equilibrio se obtiene

KH2CO3=[H3O+][HCO3][H2CO3]=(x)(x)0,033x=4,3×10-7KH2CO3=[H3O+][HCO3][H2CO3]=(x)(x)0,033x=4,3×10-7


Suponiendo que x << 0,033 y resolviendo la ecuación simplificada se obtiene

x=1,2×10-4x=1,2×10-4


La tabla ICE definió x como igual a la molaridad del ion de bicarbonato y la molaridad del ion de hidronio:

[H2CO3]=0,033M[H2CO3]=0,033M


[H3O+]=[HCO3]=1,2×10-4M[H3O+]=[HCO3]=1,2×10-4M

Utilizando la concentración de iones de bicarbonato calculada anteriormente, la segunda ionización se somete a un cálculo de equilibrio similar:

HCO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CO32−(aq)HCO3(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+CO32−(aq)
KHCO3=[H3O+][CO32−][HCO3]=(1,2×10-4)[CO32−]1,2×10-4KHCO3=[H3O+][CO32−][HCO3]=(1,2×10-4)[CO32−]1,2×10-4
[CO32−]=(4,7×10-11)(1,2×10-4)1,2×10-4=4,7×10-11M[CO32−]=(4,7×10-11)(1,2×10-4)1,2×10-4=4,7×10-11M

En resumen: en equilibrio [H2CO3] = 0,033 M; [H3O+][H3O+] = 1,2 ×× 10−4; [HCO3]=1,2×10-4M;[HCO3]=1,2×10-4M; [CO32−]=4,7×10-11M.[CO32−]=4,7×10-11M.

Compruebe lo aprendido

La concentración de H2S en una solución acuosa saturada a temperatura ambiente es de aproximadamente 0,1 M. Calcule las concentraciones de [H3O+],[H3O+], [HS] y [S2−] en la solución:
H2S(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HS(aq)Ka1=8,9×10-8H2S(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HS(aq)Ka1=8,9×10-8
HS(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+S2−(aq)Ka2 =1,0×10-19HS(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+S2−(aq)Ka2 =1,0×10-19

Respuesta:

[H2S] = 0,1 M; [H3O+][H3O+] = [HS] = 0,000094 M; [S2−] = 1 ×× 10−19 M

Un ácido triprótico es un ácido que tiene tres átomos de H ionizables. El ácido fosfórico es un ejemplo:

Primera ionización:H3PO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+H2PO4(aq)Ka1=7,5×10-3Segunda ionización:H2PO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HPO42−(aq)Ka2 =6,2×10-8Tercera ionización:HPO42−(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+PO43−(aq)Ka3=4,2×10-13Primera ionización:H3PO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+H2PO4(aq)Ka1=7,5×10-3Segunda ionización:H2PO4(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+HPO42−(aq)Ka2 =6,2×10-8Tercera ionización:HPO42−(aq)+H2O(l)H3O+(aq)+PO43−(aq)Ka3=4,2×10-13

En cuanto a los ejemplos de ácidos dipróticos, cada reacción de ionización sucesiva es menos extensa que la anterior, lo que se refleja en valores decrecientes de las constantes de ionización secuencial de los ácidos. Esta es una característica general de los ácidos polipróticos y las constantes de ionización sucesivas suelen diferir en un factor de aproximadamente 105 a 106.

Este conjunto de tres reacciones de disociación puede parecer que complica los cálculos de las concentraciones de equilibrio en una solución de H3PO4. Sin embargo, como las constantes de ionización sucesivas difieren en un factor de 105 a 106, existen grandes diferencias en los pequeños cambios de concentración que acompañan a las reacciones de ionización. Esto permite el uso de suposiciones y procesos de simplificación matemática, como se demuestra en los ejemplos anteriores.

Las bases polipróticas son capaces de aceptar más de un ion de hidrógeno. El ion de carbonato es un ejemplo de base diprótica, porque puede aceptar dos protones, como se muestra a continuación. Al igual que en el caso de los ácidos polipróticos, hay que tener en cuenta que las constantes de ionización disminuyen con el paso de ionización. Del mismo modo, los cálculos de equilibrio que implican a las bases polipróticas siguen los mismos enfoques que los de los ácidos polipróticos.

H 2 O(l)+ CO 3 2− (aq) HCO 3 (aq)+ OH (aq) K b1 =2,1× 10 -4 H 2 O(l)+H CO3 (aq) H 2 CO 3 (aq)+ OH (aq) K b2 =2,3× 10 -8 H 2 O(l)+ CO 3 2− (aq) HCO 3 (aq)+ OH (aq) K b1 =2,1× 10 -4 H 2 O(l)+H CO3 (aq) H 2 CO 3 (aq)+ OH (aq) K b2 =2,3× 10 -8
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