tema 02 de 03 · Química
Ácido-base
Cae prácticamente todos los años, y casi siempre con la misma trampa: darte un ácido débil esperando que lo trates como fuerte. Si tienes clara esa decisión inicial, el resto del tema es un procedimiento que se aprende y se repite.
Qué te va a pedir el examen
- «Calcula el pH» de una disolución de ácido o base, fuerte o débil.
- «Determina la concentración inicial o la Ka a partir del pH» (el problema inverso) y el grado de disociación.
- «Justifica si la disolución de una sal es ácida, básica o neutra», escribiendo la reacción de hidrólisis.
- «Calcula el volumen necesario para neutralizar» y razona el carácter del pH en el punto de equivalencia.
- «Ordena disoluciones por pH creciente», justificando cada posición.
1 El idioma del tema: pH, Kw y pares conjugados
La teoría que se usa es la de Brønsted-Lowry: ácido es quien cede un protón y base quien lo acepta. Al ceder su H+, el ácido se convierte en su base conjugada; esa pareja va a aparecer en todo el tema. El agua juega en los dos equipos y se autoioniza: Kw = [H3O+][OH-] = 10^-14 a 25 grados.
De ahí salen las escalas: pH = -log[H3O+], pOH = -log[OH-] y la relación pH + pOH = 14. Por debajo de 7, ácido; 7, neutro; por encima, básico. Para el problema inverso te hace falta el camino de vuelta: [H3O+] = 10^-pH.
Y la relación que ata los pares conjugados: Ka por Kb igual a Kw. Su consecuencia se pregunta mucho: cuanto más fuerte es un ácido (mayor Ka, menor pKa), más débil es su base conjugada, y al revés. Con ella puedes ordenar bases conjugadas conociendo solo los pKa de sus ácidos.
2 Fuerte o débil: la decisión que ordena todo el tema
Un ácido fuerte (HCl, HNO3, H2SO4) se disocia por completo: la concentración de H3O+ es la del ácido y el pH sale directo, sin constante. Una base fuerte (NaOH, KOH) igual, pero con OH-: primero pOH y después pH = 14 menos pOH. Ojo con los que aportan dos protones o dos hidroxilos: el H2SO4 da 2 H+ y el Ca(OH)2 da 2 OH-.
Un ácido débil (acético, fórmico, HCN) se disocia solo en parte: hay un equilibrio gobernado por su Ka y toca montar la tabla de concentraciones (inicial, cambio, equilibrio). Para el ácido HA de concentración inicial c0: Ka = x^2/(c0 - x), donde x es la [H3O+] que buscas. Si la disociación es pequeña puedes aproximar c0 - x por c0, y entonces x sale como la raíz de Ka por c0. La aproximación hay que validarla: comprueba que el grado de disociación queda por debajo del 5 por ciento, y dilo, porque esa comprobación también puntúa.
El grado de disociación es la fracción que reacciona: alfa = x/c0. Es la pieza que conecta el problema directo con el inverso: del pH sacas x, con x y c0 tienes alfa, y con la tabla sale Ka. Un mismo esquema resuelve las cuatro variantes que se preguntan.
3 Hidrólisis de sales: el ion que viene del débil es el que manda
Una sal disuelta se separa en sus iones, y la pregunta es siempre la misma: ¿de qué ácido y de qué base procede cada uno? El ion que procede de un fuerte no hace nada; el que procede de un débil reacciona con el agua (se hidroliza) y decide el pH. De ácido fuerte y base fuerte (NaCl): disolución neutra. De ácido débil y base fuerte (CH3COONa): básica. De ácido fuerte y base débil (NH4Cl): ácida.
La intuición de que «una sal en agua da pH neutro» es exactamente lo que este apartado desmonta, y por eso gusta tanto en los enunciados. El acetato de sodio da pH básico porque el acetato es la base conjugada de un ácido débil y le quita un protón al agua: CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH-. El amonio hace lo contrario: NH4+ + H2O ⇌ NH3 + H3O+, y acidifica.
Un aviso que vale puntos: cuando el enunciado dice «justifica», la tabla de memoria no basta. Hay que escribir la reacción de hidrólisis; la conclusión sin la ecuación se queda a medias.
4 Neutralización: el punto de equivalencia no es pH 7
En el punto de equivalencia los moles de H+ igualan a los de OH-. Para ácidos y bases monopróticos eso es Ma por Va igual a Mb por Vb, con el factor 2 si hay H2SO4 o Ca(OH)2 por medio. Hasta aquí, estequiometría pura: para calcular el volumen no necesitas la Ka para nada.
El matiz que separa notas: equivalencia significa estequiometría exacta, no neutralidad. El pH en ese punto lo fija la sal que queda en el vaso. Fuerte con fuerte deja NaCl y pH 7. Pero un ácido débil valorado con base fuerte deja una sal que se hidroliza a básico, así que el punto de equivalencia queda por encima de 7. Y si en una mezcla sobra ácido o base fuerte, manda el exceso: calcula los moles sobrantes en el volumen total.
Cierra el círculo: la pregunta difícil de las valoraciones es una hidrólisis disfrazada. Si dominas la sección anterior, esta cae sola.
Para llevarte
- Un ácido fuerte se disocia del todo: [H3O+] es su concentración. Uno débil exige Ka y tabla de equilibrio; tratarlo como fuerte es el error más caro del tema.
- Con bases, el orden es fijo: primero [OH-] y pOH, después pH = 14 - pOH.
- Ka por Kb es igual a Kw: a ácido más fuerte, base conjugada más débil.
- En una sal, el ion que procede del débil es el que se hidroliza y decide el pH; la justificación exige escribir la reacción.
- El punto de equivalencia es estequiometría exacta, no pH 7: el pH final lo fija la sal que queda (o el reactivo en exceso).
- La aproximación c0 - x ≈ c0 se valida comprobando que alfa es pequeño, y conviene decirlo en la respuesta.
Errores que restan
- Tratar un ácido débil como fuerte, poniendo [H3O+] igual a la concentración inicial sin usar la Ka.
- Confundir pH con pOH al trabajar con bases y dar como pH lo que es el pOH.
- Olvidar que el H2SO4 aporta 2 H+ y el Ca(OH)2 aporta 2 OH- en las neutralizaciones.
- Concluir «la disolución es básica» sin escribir la reacción de hidrólisis que lo justifica.
- Responder «neutro» en el punto de equivalencia cuando la sal resultante se hidroliza.
Autochequeo
Responde sin mirar arriba. Si fallas, mejor aquí que el día del examen: cada opción trae su porqué.
1. Tienes ácido acético (CH3COOH) 0,10 M, con Ka = 1,8 · 10^-5. ¿Cómo calculas su pH?
El acético es débil: solo se disocia una fracción, así que [H3O+] no es 0,10 sino la x del equilibrio, la raíz de Ka por c0. Poner pH 1 es tratarlo como fuerte, el error más repetido del tema; y el pOH se reserva para las bases, no para un ácido.
2. Una disolución de amoniaco tiene [OH-] = 1,0 · 10^-3 M. ¿Cuál es su pH?
Con bases el camino es [OH-], pOH y de ahí pH = 14 - pOH. Responder 3 es el clásico cruce de pH con pOH: ese 3 es el pOH. Y la Kb no hace falta porque la [OH-] ya te la dan; la necesitarías para obtenerla desde la concentración inicial.
3. Disuelves acetato de sodio (CH3COONa) en agua. ¿Qué pH esperas?
La sal procede de ácido débil (acético) y base fuerte (NaOH): el ion que viene del débil, el acetato, es el que reacciona con el agua y libera OH-. La intuición de que toda sal da pH neutro solo vale para las de fuerte con fuerte, y «procede de un ácido» no significa que acidifique: el acetato es una base conjugada.
4. ¿Qué volumen de NaOH 0,10 M neutraliza exactamente 25 mL de H2SO4 0,10 M?
El H2SO4 es diprótico: 25 mL a 0,10 M son 0,0025 moles de ácido, pero 0,0050 moles de H+. Para igualarlos hacen falta 0,0050 moles de OH-, es decir, 50 mL de NaOH 0,10 M. Olvidar el factor 2 (y responder 25 mL) es un error documentado que se repite cada año.
5. Valoras ácido acético con NaOH y llegas justo al punto de equivalencia. El pH en ese momento es...
Equivalencia significa estequiometría exacta, no neutralidad: el pH lo fija la sal que queda, y el acetato se hidroliza a básico. Pensar «moles iguales, pH 7» es el error señalado del apartado; y el carácter (básico, ácido o neutro) se predice sin números, la Ka solo haría falta para el valor exacto.
La pregunta que decide si lo tienes
Una disolución de HCl tiene pH = 2,0. ¿Qué concentración de ácido acético (Ka = 1,8 · 10^-5) necesitas para preparar una disolución con ese mismo pH?
Pista 1
El pH fija la [H3O+] en las dos disoluciones: 10^-2 M. Para el HCl, fuerte, esa es también su concentración. Para el acético no: piensa qué papel juega ese 10^-2 en la tabla de equilibrio del ácido débil.
Pista 2
En la tabla del débil, la x ya la conoces: es 10^-2. Sustituye en Ka = x^2/(c0 - x) y despeja c0, que es la única incógnita que queda.
Solución
Mismo pH significa misma [H3O+] = 10^-2 M. En el HCl, que se disocia del todo, esa cifra coincide con su concentración: 0,010 M. En el acético es solo la parte disociada: con x = 10^-2 en Ka = x^2/(c0 - x), queda c0 - x = x^2/Ka = (10^-2)^2 / (1,8 · 10^-5) = 5,6, así que c0 ≈ 5,6 M. Léelo despacio: el ácido débil necesita ser unas 560 veces más concentrado que el fuerte para producir los mismos protones, porque solo una fracción pequeña de sus moléculas se disocia. Si tu instinto era responder 0,010 M, acabas de ver en números el error de tratar un débil como fuerte, y ya no se te va a escapar en el examen.