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Ácidos y bases fuertes y débiles

Ácidos y bases fuertes y débiles

Tanto el ácido clorhídrico como el ácido etanoico son ácidos, como sugieren sus nombres. Los ácidos son moléculas que donan protones cuando están en disolución acuosa, disociándose en iones de hidrógeno positivos e iones negativos. Sin embargo, mientras que el ácido clorhídrico es un ácido fuerte, el ácido etanoico es débil.

Definiendo los ácidos y bases débiles

Veamos algunas definiciones para aclararlo.

Un ácido fuerte es un ácido que se disocia completamente en una disolución.

Podemos representar un ácido fuerte mediante la siguiente ecuación. Es importante señalar que esta reacción es irreversible:

Por otro lado, los ácidos débiles se comportan de forma un poco diferente.

Un ácido débil es un ácido que sólo se disocia parcialmente en una disolución.

Los ácidos débiles se encuentran en un estado de equilibrio en el que la mayoría de las moléculas presentes son moléculas de ácido y sólo una pequeña fracción dona sus protones y se disocia en iones. Cuanto más fuerte es un ácido, más se desplaza el equilibrio hacia la derecha y mayor es la concentración de iones de hidrógeno en la solución.

Recuerda que los ácidos en disolución acuosa se disocian y reaccionan con el agua para formar el ion hidronio, H3O+. Para simplificar la ecuación, omitimos el agua y sustituimos el ion hidronio por el ion hidrógeno .

La versión simplificada es

De hecho, siempre que veas el ion hidrógeno en las reacciones ácido-base, debes saber que en realidad representa al ion hidronio.

Las bases también pueden ser fuertes y débiles. Como sabrás una base es un aceptor de protones.

Una base fuerte es una base que se disocia completamente en una disolución acuosa.

Un ejemplo de una base fuerte es el hidróxido de sodio, NaOH. En una disolución acuosa se disocia para formar iones de sodio y iones de hidróxido:

La ecuación general para la disociación de una base fuerte se muestra a continuación:

A diferencia del hidróxido de sodio, el amoníaco es una base débil.

Una base débil es una base que se disocia parcialmente en una solución acuosa.

Al igual que en el caso de los ácidos débiles, las bases débiles forman un equilibrio en el que la reacción inversa se ve fuertemente favorecida, y sólo una pequeña proporción de las moléculas se disocian. Podemos representar la disociación del amoníaco con la siguiente ecuación:

La ecuación general para la disociación de una base débil se muestra a continuación:

No confundas fuerte con concentrado: significan cosas totalmente diferentes. La concentración es una medida de cuántas moléculas de ácido o base están disueltas en la solución, mientras que la fuerza es una medida de la proporción de estas moléculas que se disocian en iones. Se pueden obtener tanto ácidos débiles concentrados como ácidos fuertes diluidos

Ácidos fuertes y débiles concentrados y diluidos.

Débil y diluido Fuerte y diluido Débil y concentrado Fuerte y concentrado

Ácidos fuertes y débiles concentrados y diluidos. Imagen de StudySmarter

En la vida cotidiana te encontrarás con ácidos y bases fuertes y débiles. Por ejemplo, el ácido clorhídrico concentrado, un ácido fuerte, se utiliza para eliminar las algas del fondo de los barcos, mientras que una solución más diluida se utiliza en los limpiadores de inodoros. También es el ácido que se encuentra en nuestros estómagos y que ayuda a digerir los alimentos. El ácido cítrico y el ácido etanoico que se encuentran en los limones y el vinagre de malta, respectivamente, son ácidos débiles. El bicarbonato de sodio, es útil en la repostería, mientras que el hidróxido de calcio se usa para ayudar a neutralizar los suelos ácidos.

¿Qué es el Ka?

En el producto iónico del agua, hablamos sobre el Kw, una constante de equilibrio modificada para la disociación del agua. También podemos obtener Ka, una constante de equilibrio modificada para la disociación de ácidos débiles.

La ecuación general de la constante de equilibrio para una reacción se muestra a continuación:

Los corchetes ( [ ] ) representan la concentración, y la letra minúscula representa el número de moles de cada especie en la ecuación química (también conocida con el coeficiente estequiométrico). Por ejemplo, la reacción del HI que se encuentra en equilibrio, tiene la constante de equilibrio:

Veamos esto desde el punto de vista de un ácido débil. Se disocia en una disolución acuosa con la ecuación:

El reactivo es el ácido y los productos son los iones de hidrógeno y los iones negativos. Esto nos da la siguiente constante de equilibrio, conocida como Ka:

Si quieres, puedes eliminar los símbolos de estado para simplificar la ecuación.

"¡Pero espera!" Te oímos gritar. "¿Y esa ecuación de un ácido débil en la que intervenía el agua y los iones de hidronio? ¿Dónde se han metido?"

Pues veamos la reacción:

Ya que sabes calcular la constante de equilibrio, sabrás que la constante es:

Sin embargo, la concentración de agua es tan grande que dominaría por completo todos los valores de la ecuación. Por lo que simplemente la omitimos. También debes recordar que podemos utilizar el ion hidrógeno para representar el ion hidronio en las reacciones ácido-base. Esto nos da la ecuación que mencionamos antes.

Las unidades de Ka

Para deducir las unidades de Ka, hacemos un factor de conversión. Multiplicamos y anulamos las unidades de todas las especies implicadas en la ecuación. Las tres especies [H+], [A-] y [HA], tienen las unidades mol/L (M). Por lo tanto, la ecuación tiene el siguiente aspecto:

Se cancela con la de la parte inferior, dejando:

Ka y pKa

Sabiendo que pKw es el logaritmo negativo de Kw , pKa es el logaritmo negativo de Ka:

Debes tener en cuenta cómo se relacionan el pH, el Ka, el pKa y la fuerza del ácido.

  • Cuanto mayor sea la Ka, menor será el pKa y, por lo tanto, el pH (acuérdate que los protones están en el numerador, por lo tanto hay una relación directamente proporcional con Ka)
  • A medida que aumenta la Ka, la fuerza del ácido aumenta (la fuerza es la cantidad que se disocia, por lo que cuanto más fuerte, más protones).

¿Cómo se calcula el pH de los ácidos débiles?

Para calcular el pH de los ácidos débiles, utilizaremos las relaciones entre el pKa, la Ka y [H+]. Te tendrá que dar alguno de estos datos para poder calcular los otros. Hay que hacer más pasos en comparción con el cálculo del pH de un ácido fuerte, pero no es demasiado complicado. Veamos juntos un ejemplo.

El ácido etanoico, CH3COOH, tiene Ka = 1,74 x 10-5 . Calcula el pH de este ácido débil en una disolución acuosa de 0,1 M.

En primer lugar, veamos la ecuación de disociación del ácido etanoico:

Para encontrar el pH, sabemos que tenemos que utilizar la ecuación

pH = - log [H+]

Por lo que tenemos que utilizar los datos que nos han dado para llegar a calcular [H+]

¿Qué sabemos? Nos dan la constante de la disociación de un ácido débil, el ácido etanoico, y su concentración. Para el ácido etanoico, sabemos que la constante se calcula así:

Tenemos que tener en cuenta que podemos sustituir la concentración del ácido, ya que es un ácido débil y casi ninguna de las moléculas se disocia: el equilibrio está muy a la izquierda. Por tanto, podemos decir que la concentración de ácido etanoico en el equilibrio sigue siendo aproximadamente la concentración inicial al despreciar el cambio. Por lo que nos faltan dos datos. Vamos a ver si los podemos deducir.

Podemos ver en la ecuación que los coeficientes estequiométricos de todas las sustancias son iguales a 1. Por lo que un mol de ácido etanoico se disocia, formando un mol de H+ y un mol de iones de acetato CH3COO-. Esto significa que el número de iones de hidrógeno en la solución es igual al número de iones de acetato en la solución y, por tanto, tienen las mismas concentraciones:

Podemos sustituir en nuestra ecuación para:

Ahora, solo nos falta despejar los protones, ya que es la única incógnita que nos queda por resolver:

Ahora sí que podemos sustituirlo en la reacción:

pH = - log [H+] = - log (1,319 x 10-3) = 2,88

Recuerda que siempre debes dar el pH con dos decimales.

Imagínate que en vez de darte el Ka en una pregunta, te dan como dato el pKa. Lo único que tienes que hacer es convertirlo a la Ka. Puedes hacerlo utilizando la ecuación que aprendimos, Ka = 10-pKa.

¿Qué es Kb?

Sabemos que una base débil es aquella que sólo se disocia parcialmente en una disolución acuosa, formando una reacción que también se encuentra en equilibrio. Al igual que para los ácidos, podemos calcular una constante de equilibrio, esta vez conocida como Kb. La ecuación para Kb se da a continuación, utilizando B para representar la base:

Al igual que Ka, Kb tiene las unidades M.

Kb y pKb

Seguramente puedes adivinar cómo calculamos pKb. ¿Sencillo, verdad? El logaritmo negativo de Kb, al igual que el pKa que es el logaritmo negativo de Ka:

Hay una relación especial entre pKw, pKa y pKb. Es muy similar a la relación que vimos entre pKw, pH y pOH en El producto iónico del agua:

pKw = pKa + pKb

¿Cómo se calcula el pH de las bases débiles?

Calcular el pH de una base débil es similar a calcular el pH de un ácido débil. Sin embargo, hay algunas diferencias. Veamos juntos un ejemplo.

Una disolución acuosa de 0,15 M de NH3 tiene un Kb = 1,77 x 10-5. ¿Cuál es su pH a 25 ºC?

En primer lugar, vamos a ver ecuación para la disociación del amoníaco y, por lo tanto, su Kb:

Sabemos por la primera ecuación que las cantidades de iones de amonio, NH4+, y de iones hidróxido, OH-, son iguales. Por consiguiente, tienen concentraciones iguales. Esto simplifica la ecuación para Kb:

Al saber que NH3 es una base débil, sabemos que, en equilibrio, la proporción de moléculas que se han disociado en iones es tan pequeña que podemos ignorarla en gran medida. De modo que, la concentración de equilibrio de las moléculas NH3 sigue siendo aproximadamente igual a 0,15 M. Podemos sustituir estos valores y reordenar para encontrar:

A continuación, podemos utilizar las relaciones entre [OH-] y el pH para calcular el pH, al igual que hicimos para una base fuerte. (Si esto no lo tienes claro, consulta Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry para obtener una explicación detallada).

pOH = - log [OH-]

pOH = - log ( 1,63 x 10-3) = 2,79

pH = pKw - pOH

pH =14 - 2,79 = 11,21

¡Enhorabuena! Has conseguido realizar algunos cálculos complicados. Ahora deberías ser capaz de calcular los valores de pH de todo tipo de ácidos, bases y mezclas.

El siguiente diagrama de flujo resume los pasos necesarios para calcular el pH de los ácidos y las bases débiles. Recuerda consultar los artículos anteriores para obtener más información sobre otros tipos de cálculos ácido-base.

Diagrama de flujo de ácidos y bases débiles pH StudySmarter
Encontrar el pH de los ácidos y las bases débiles. Imagen de StudySmarter

Grado de disociación de un ácido o base

Como podrás imaginar, no todos los ácidos y las bases van a disociar igual. Puede ser que el equilibrio esté más o menos desplazado hacía los productos, variando la concentración del ácido y su base conjugado. Por eso, tenemos que tener en cuenta el grado de disociación de un ácido o una base,.

El grado de disociación de un ácido o una base, , es la proporción de moléculas disociadas respecto a las iniciales.

Por lo que tendremos la siguiente ecuación

Fuerza
Ácido / base fuerte1
Ácido / base débil<1

Como sabemos que la ecuación en equilibrio de los ácidos en una disolución acuosa es

Vemos que en este caso, el ácido se ha disociado en protones y una base conjugada por lo que el ion ácido sería el protón, y la sustancia inicial es el ácido, como consecuencia el grado de disociación es

Además, sabemos que la ecuación en equilibrio de las bases en una disolución acuosa, y su es

;

Muy bonito, pero ¿qué tiene que ver esto con el Ka ? A mayor Ka habrá un grado de disociación mayor.

ABC
Concentración inicialCinadanada
Concentración final Ci (1-a)c*ac*a

Ci es la concentración inicial, por lo que todavía no se ha disociado en iones y B y C son iguales a 0. En el equilibrio algunas moléculas se disocian (c*a ya que a es un porcentaje) y otros no (Ci (1- a))

Vamos a ver un ejemplo

Si tenemos un ácido con una concentración de 0,5 M con un Ka de 1,89 x 10-3 ¿qué grado de disociación tendría?

HAH+A-
Concentracón inicial0,5--
Concentración final
Calculamos el Ka

Si tenemos otros coeficientes estequiométricos, tendremos que tenerlos en cuenta al calcular el Ka.

Hay algunos ácidos que son capaces de donar varios protones, a estos se les denomina polipróticos. Por ejemplo, el H2SO3, por lo que tendrá varios Ka y dependiendo del protón que está soltando.

Si te quieres comprender este tema en profundidad, puedes ver "Equilibrio químico".

Los valoraciones de ácidos y bases débiles

Los ácidos débiles tienen valores de pH más altos que los ácidos fuertes. Del mismo modo, las bases débiles tienen valores de pH más bajos que las bases fuertes.

Ácidos débiles y bases fuertes ácidos débiles bases pH StudySmarter

El pH de los ácidos y bases fuertes y débiles. Imagen de StudySmarter

Esto significa que producen curvas de pH ligeramente diferentes en los experimentos de valoración. Puedes profundizar en esto en Curvas de pH y valoraciones.

Ácidos y bases débiles - Puntos claves

  • Un ácido débil es un ácido que sólo se disocia parcialmente en una disolución acuosa. La ecuación de la disociación en equilibrio es
  • Una base débil es una base que sólo se disocia parcialmente en una disolución acuosa. La ecuación de la disociación en equilibrio es
  • Ka es una constante de equilibrio modificada para la disociación de ácidos débiles. Está representada por la ecuación
  • Kb es una constante de equilibrio modificada para la disociación de las bases débiles. Se representa por la ecuación
  • Ambos toman las unidades mol/L (M) .
  • pKa = - log( Ka ) y pKb = - log( Kb )
  • Podemos utilizar Ka y Kb para encontrar el pH de las soluciones que contienen ácidos y bases débiles.

Preguntas frecuentes sobre Ácidos y bases fuertes y débiles

La fuerza de un ácido o base depende del grado de disociación de tal. Un ácido fuerte se disocia completamente en disolución, por lo que tiene un  de 1.  

Los ácidos y bases débiles son aquellos que sólo se disocia parcialmente en una disolución. Por lo que el ácido nitroso, ácido acético, ácido bórico entre otros son ácidos débiles y el amoniaco, la piridina y hipoclorito de sodio son bases débiles.


Los ácidos más fuertes son ácidos inorgánicos (los ácidos orgánicos tienen menor Ka) por lo que los ácidos más fuertes son el ácido perclórico (HClO4), los ácidos de los halogenos (HI, HBr, HCl), el ácido sulfúrico (H2SO4), el nítrico y el propio ion hidronio del agua. 

La fuerza de un ácido se mide por su grado de disocación o la ka. Esta Ka se suele representar como pKa, a menor pKa, más fuerte el ácido. 

Las bases débiles son aquellos que sólo se disocia parcialmente en una disolución. Por lo que se encuentran en equilibrio, y tendrán un pKa mayor. 


Cuestionario final de Ácidos y bases fuertes y débiles

Pregunta

¿Qué es un ácido débil?

Mostrar respuesta

Answer

Es un ácido que no se disocia completamente en disolución

Show question

Pregunta

¿Qué es una base débil?

Mostrar respuesta

Answer

Es una base que solo se disocia parcialmente en agua

Show question

Pregunta

Compara los términos de fuerte y concentrado en los ácidos

Mostrar respuesta

Answer

  • Fuerte significa que el ˋácido se ha disociado por completo
  • Concentrado significa que hay muchas moléculas de ácido

Show question

Pregunta

¿Cuál es la ecuación del pKa?

Mostrar respuesta

Answer

pKa = 10ka 

Show question

Pregunta

Calcula el pH de 1,5 M (mol/dm3) de una disolución acuosa de HA con un pKa =4,2

Mostrar respuesta

Answer

2,01

Show question

Pregunta

Calcula la concentración del ácido débil en una disolución acuosa con el pH = 4,53 y Ka = 1,74 x 10-5 

Mostrar respuesta

Answer

5,01 x 10-5

Show question

Pregunta

Calcula el pH de una base débil a 0,5M (mol/dm3) en disolución acuosa a 25ºC y un pKb = 4,07

Mostrar respuesta

Answer

11,81

Show question

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