Càlcul de pH i Solubilitat en Reaccions Químiques

Pregunta 6: Solubilitat de l'Hidròxid de Ferro(II)

La presència de ferro és un dels problemes més sovint associats a la qualitat de l'aigua.

Formulació: Fe(OH)₂ - hidròxid de ferro(II)

Reacció de dissociació:

Fe(OH)₂(s) ↑ Fe²⁺ + 2 OH^-

Expressió de la constant de solubilitat: K_ps = [Fe²⁺] · [OH^-]²

Càlcul de la concentració de Fe²⁺ en M:

[Fe²⁺] = 0,3 mg Fe²⁺ / L · (1 g Fe²⁺ / 1000 mg Fe²⁺) · (1 mol Fe²⁺ / 55,85 g Fe²⁺) = 5,3715 · 10^-6 M

Càlcul de la [OH^-], substituint la concentració de Fe²⁺ en l'expressió de la K_ps:

[OH^-] = (K_ps / [Fe²⁺])^1/2 ⇒ [OH^-] = (4,1 · 10^-15 / 5,3715 · 10^-6)^1/2 = 2,76 · 10^-5 M

Càlcul de la [H₃O⁺], a partir de la constant d'ionització de l'aigua (K_w) i la [OH^-]:

Reacció: 2 H₂O ↑ H₃O⁺ + OH^-

K_w = [H₃O⁺] · [OH^-] ⇒ [H₃O⁺] = K_w / [OH^-]

[H₃O⁺] = 1,0 · 10^-14 / 2,76 · 10^-5 = 3,623 · 10^-10 M

El pH es calcula amb l'expressió pH = - log [H₃O⁺]

pH = - log (3,623 · 10^-10) = 9,4

b) Factors que afecten la solubilitat

• Afegint un àcid: L'àcid (HX) reaccionaria amb l'ió OH^- que prové de l'hidròxid de ferro(II) sòlid per formar aigua, desplaçant la reacció de solubilitat cap a la dreta.
• Modificant la temperatura: Si la reacció de solubilitat és endotèrmica, caldria augmentar la temperatura (donar calor). Si és exotèrmica, caldria disminuir la temperatura (treure calor) per tal que la reacció de solubilitat es desplaci cap a la dreta.

Pregunta 3: Valoració de l'Àcid Làctic

La lactosa, un dels principals components de la llet, es degrada en contacte amb certs agents.

a) Determinació del punt final en una valoració

Formulació: Hidròxid de sodi: NaOH

Reacció global: CH₃CHOHCOOH + NaOH → CH₃CHOHCOONa + H₂O

Per detectar el punt final d'una valoració àcid-base, cal emprar un indicador que canviï de color a prop del punt d'equivalència.

En el punt d'equivalència, hem afegit una quantitat de base (NaOH) perquè tot l'àcid làctic reaccioni, sense que sobri NaOH. Tenim a la solució: ió lactat (CH₃CHOHCOO^-) i aigua. El pH serà bàsic, ja que l'ió lactat és la base conjugada de l'àcid làctic (un àcid feble).

Necessitem, doncs, un indicador que canviï de color en la zona de pH bàsic. El verd de bromocresol canvia de color en la zona àcida (pH= 3,8-5,6). Per tant, no és correcte emprar aquest indicador en la valoració de l'àcid làctic amb NaOH.

b) Càlcul de la concentració d'àcid làctic

Reacció de valoració: CH₃CHOHCOOH + OH^- → CH₃CHOHCOO^- + H₂O

A partir de la reacció igualada (estequiometria 1:1):

Volum de NaOH (V) = 8,50 mL = 0,00850 L

Concentració de NaOH = 0,100 mol / L

Mol de NaOH gastats = (0,00850 L) · (0,100 mol / L) = 0,000850 mol NaOH

Segons l'estequiometria, els mols de NaOH gastats són iguals als mols inicials de CH₃CHOHCOOH:

0,000850 mol de CH₃CHOHCOOH

Transformació a grams:

0,000850 mol àcid làctic · (90 g àcid làctic / 1 mol àcid làctic) = 0,0765 g àcid làctic

Volum de llet = 20 mL = 0,020 L

Concentració de CH₃CHOHCOOH = (0,0765 g) / (0,020 L) = 3,825 g · L^-1

La concentració d'àcid làctic a la llet és de 3,825 g · L^-1, que és inferior a 5,0 g · L^-1. Per tant, aquesta llet no està quallada.

Pregunta 2: Reacció de l'Àcid Cloroetanoic

En dermatologia, el tractament de berrugues es duu a terme habitualment de dues maneres.

a) Reacció de l'àcid cloroetanoic en aigua

ClCH₂COOH + H₂O ↑ ClCH₂COO^- + H₃O⁺

Segons el model de Brønsted-Lowry, un àcid és una espècie química capaç de cedir protons (H⁺). L'àcid cloroetanoic compleix aquesta definició, ja que cedeix un protó a l'aigua (que actua com a base), formant els productes indicats.

Identificació:

• ClCH₂COOH: àcid
• H₂O: base
• ClCH₂COO^-: base conjugada
• H₃O⁺: àcid conjugat

b) Càlcul de la constant d'acidesa (Ka)

Quantitat d'àcid cloroetanoic = 5,0 · 10^-3 mol

Volum de solució = 100 mL = 0,1 L

Concentració inicial (C) d'àcid cloroetanoic = (5,0 · 10^-3 mol) / (0,1 L) = 0,05 M

Reacció d'equilibri:

ClCH₂COOH + H₂O ↑ H₃O⁺ + ClCH₂COO^-

Taula ICE (Inicial, Canvi, Equilibri):

El pH es calcula amb l'expressió pH = - log [H₃O⁺]. Si pH = 2,11:

[H₃O⁺] = 10^-2,11 = 7,762 · 10^-3 M

Per l'estequiometria de la reacció, [H₃O⁺] = [ClCH₂COO^-] = x = 7,762 · 10^-3 M.

La concentració d'àcid cloroetanoic a l'equilibri és:

[ClCH₂COOH] = 0,05 - x = 0,05 - 7,762 · 10^-3 = 0,04224 M

La constant d'acidesa (Ka) es calcula com:

K_a = ([H₃O⁺] · [ClCH₂COO^-]) / [ClCH₂COOH]

K_a = (7,762 · 10^-3)² / (0,04224) = 1,4 · 10^-3