Conceptos Esenciales de Equilibrio Iónico, pH y Reacciones en Disolución Acuosa

Equilibrio Iónico del Agua

El agua conduce la corriente eléctrica en muy pequeña medida, lo que indica que debe haber iones en el agua, aunque sea en una cantidad mínima. La presencia de estos iones se debe a la autoionización del agua. En los equilibrios heterogéneos, la concentración de los líquidos puros permanece constante. En toda disolución debe cumplirse el producto iónico del agua, ya que por muy ácida que sea, debe haber una mínima concentración de iones hidroxilo (OH⁻).

Concepto de pH y pOH

Acidez y Basicidad

• Acidez: A mayor concentración de iones hidronio (H₃O⁺), mayor será la acidez de la disolución y menor la concentración de iones hidroxilo (OH⁻).
• Basicidad: A mayor concentración de iones hidroxilo (OH⁻), mayor será la basicidad de la disolución y menor la concentración de iones hidronio (H₃O⁺).

El pH se define como: pH = -log[H₃O⁺]. Cuanto más ácida sea una disolución, mayor será la concentración de protones (H⁺/H₃O⁺) y menor su pH. Cuanto más básica sea una disolución, menor será la concentración de protones (H⁺/H₃O⁺) y mayor su pH.

El pOH se define como: pOH = -log[OH⁻].

Medidas del pH

De manera aproximada

Se realiza con papel pH, un papel impregnado con un indicador que cambia de color según el pH de la disolución.

De manera exacta

Se utiliza un pHmetro, un aparato basado en una diferencia de potencial (ddp) entre dos disoluciones separadas por una membrana. Una de ellas es una disolución de referencia que contiene el electrodo del aparato, y la otra es la disolución cuyo pH se desea medir, ambas con diferente concentración de iones hidronio.

Cálculo del pH

Ácidos y Bases Fuertes Monopróticos

Como están totalmente disociados, la concentración de iones hidronio (H₃O⁺) o hidroxilo (OH⁻) será igual a la del ácido o base fuerte de partida.

Ácidos y Bases Débiles

Están parcialmente disociados. La concentración de iones hidronio (H₃O⁺) o hidroxilo (OH⁻) se calcula a partir del equilibrio iónico.

Indicadores Ácido-Base

Los indicadores son ácidos y bases orgánicas débiles que permiten determinar si una disolución es ácida o básica y en qué grado lo es (ejemplos: rojo de metilo, tornasol). En los indicadores, el color del compuesto no disociado es diferente del color del ion que forma en disolución acuosa. Un indicador en agua pura muestra el color de la especie sin disociar. Por ejemplo, si se añade un ácido a la disolución acuosa de un indicador, puede observarse un color (ej. azul), y si se añade una base, otro color (ej. verde).

Zona de Viraje de los Indicadores

Es el rango de pH en el que el indicador cambia de color. Se produce en una zona de pH específica, generalmente dada por pH = pKa ± 1. Por lo tanto, es diferente para cada indicador, ya que poseen distintas constantes de acidez (Ka) o basicidad (Kb).

Hidrólisis del Agua

pH de Disoluciones Acuosas de Sales Neutras

Las sales neutras son aquellas que no poseen hidrógeno ácido en su molécula. Aunque se esperaría un pH de 7, esto no siempre es así. La hidrólisis es el proceso por el cual los iones de una sal en disolución acuosa reaccionan con las moléculas de agua y regeneran el ácido o base débil de origen de la sal, produciendo iones hidroxilo (OH⁻) o hidronio (H₃O⁺). Solo se produce si el ácido o base que se origina es débil.

Reacciones de Neutralización

Ocurren cuando los ácidos y las bases reaccionan entre sí, neutralizando sus efectos total o parcialmente.

• Según Arrhenius, una neutralización implica la reacción de los iones hidronio (H₃O⁺) y hidroxilo (OH⁻) para formar agua.
• Según Brønsted-Lowry, la neutralización implica la transferencia de uno o más protones del ácido a la base.

Punto de Equivalencia de una Neutralización

Se alcanza cuando un ácido se neutraliza totalmente con una base. Los moles de ácido y base necesarios se determinan a partir de los coeficientes estequiométricos de la ecuación química. Se puede determinar de forma aproximada por el cambio de color de un indicador adecuado, o de forma exacta mediante un pHmetro.

Solubilidad y Reacciones de Precipitación

Solubilidad

Es la máxima cantidad de un compuesto que puede disolverse en un volumen de disolvente dado y a una temperatura específica.

Reacciones de Precipitación

Se producen cuando se mezclan dos reactivos en una disolución y se originan precipitados.

Producto Iónico (Q)

Se denomina Q al valor que se obtiene al sustituir en la expresión del producto de solubilidad (Kps) las concentraciones de los iones presentes en un momento dado.

Relación entre Q y Kps

• Q > Kps: Se formará precipitado.
• Q < Kps: No se formará precipitado; la disolución es insaturada.
• Q = Kps: La disolución está en equilibrio con el sólido; es una disolución saturada.