Fundamentos de Reacciones Ácido-Base y Electroquímica

Ácidos y Bases: El Equilibrio del Agua y el pH

Dado que solo una cantidad muy pequeña de moléculas de agua se ioniza, la concentración de H₂O permanece virtualmente sin cambios. Por lo tanto, la constante del producto iónico del agua (K_w) se define como:

K_w = [H₃O⁺][OH^-] = 1.0 x 10^-14

Cuando las concentraciones de H₃O⁺ y OH^- son iguales, la disolución acuosa es neutra.

Cálculo del pH y pOH

El pH es una medida de la acidez o basicidad de una disolución.

• pH: Se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidronio.
  pH = −log[H3O+] o pH = −log[H+]
• pOH: Se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidroxilo.
  pOH = −log[OH-]
• La suma de pH y pOH a 25°C es siempre 14:
  pH + pOH = 14

Escala de pH:

• pH < 7: Disolución Ácida
• pH > 7: Disolución Básica
• pH = 7: Disolución Neutra

Porcentaje de Ionización

El porcentaje de ionización indica qué fracción de un ácido (o base) se ha disociado en sus iones en el equilibrio. Se calcula con la siguiente fórmula:

% de ionización = ([Concentración del ácido ionizado en el equilibrio] / [Concentración inicial del ácido]) x 100%

Cuanto más fuerte es el ácido, mayor es su porcentaje de ionización.

Ejemplo:

Para una reacción de un ácido genérico HA en agua: HA ⇌ H+ + A-

La fórmula se simplifica a: % de ionización = ([H+] / [HA]inicial) x 100%

Electroquímica: Celdas Galvánicas

Una celda galvánica (o pila voltaica) es un dispositivo que genera electricidad mediante reacciones redox espontáneas.

• En el ánodo ocurre la oxidación (es el electrodo negativo).
• En el cátodo ocurre la reducción (es el electrodo positivo).

Los electrones circulan externamente desde el ánodo hacia el cátodo.

m = (Eq-g ⋅ I ⋅ t) / F

Donde:

• m: masa depositada (gramos).
• Eq-g: Peso equivalente en gramos.
• I: Intensidad de la corriente (Amperios).
• t: tiempo (segundos).
• F: Constante de Faraday (96500 C/mol).
• Q: Carga total transferida (Coulombs), donde Q = I ⋅ t.

Leyes de Faraday de la Electrólisis

1. Primera Ley: La masa de una sustancia depositada o liberada en un electrodo es directamente proporcional a la cantidad total de carga eléctrica que pasa a través de la celda.
2. Segunda Ley: Para una misma cantidad de carga eléctrica, las masas de diferentes sustancias depositadas o liberadas en los electrodos son proporcionales a sus pesos equivalentes.

Conceptos Fundamentales

Electrolitos

Un electrolito es una sustancia que, al disolverse en agua, se disocia en iones, formando una disolución que conduce la electricidad. Por el contrario, un no electrolito es una sustancia que no se disocia en iones al disolverse en agua y, por lo tanto, su disolución no conduce la electricidad.

Teorías Ácido-Base

Teoría de Arrhenius

Un ácido es una sustancia que libera iones hidrógeno (H⁺) en disolución acuosa. Una base es una sustancia que libera iones hidroxilo (OH^-) en disolución acuosa.

Teoría de Brønsted-Lowry

Un ácido es una sustancia capaz de donar un protón (un ion hidrógeno, H⁺). Una base es una sustancia capaz de aceptar un protón.

Teoría de Lewis

Un ácido de Lewis es una sustancia capaz de aceptar un par de electrones para formar un enlace covalente. Una base de Lewis es una sustancia que puede donar un par de electrones. Esta teoría explica que la reacción ácido-base implica la formación de un enlace coordinado.