Estudio del porcentaje de disociación de ácidos y bases débiles

En esta oportunidad les presento información relacionada con los ácidos y bases débiles específicamente con su protonación porcentual o porcentaje de disociación, tomando en cuenta que estos compuestos se caracterizan por disociarse parcialmente en una reacción reversible.

Imagen realizada en power point con imagen de dominio público 1

La gran mayoría de los ácidos son débiles, un ejemplo común y muy abundante es el ácido málico cuya fórmula química es C₄H₆O₅, constituyendo el ácido principal presente en muchas frutas entre ellas cerezas, uvas, duraznos, peras y es quien le otorga la acidez a las manzanas verdes.

Imagen realizada en power point con imágenes de dominio público1,2,3,4
Por otra parte entre las bases débiles se encuentra la anilina, un compuesto orgánico con fórmula molecular C₆H₅NH₂, que se utiliza en la fabricación de barnices, explosivos, pigmentos, en la industria farmacéutica entre otros.

Estructura de la anilina. Imagen realizada en power point con imágenes de dominio público1,2
Ahora bien revisemos en primer lugar la disociación de los ácidos y bases débiles. Un ácido débil (HX) en forma general se disocia según la siguiente reacción de equilibrio

Dicha reacción muestra que en una disolución acuosa una cantidad significativa de HX queda sin disociarse, mientras que el resto del ácido se disocia en X^- y H₃O⁺

La constante de disociación (K_a) para este equilibrio viene dada por

En el caso de las bases débiles de igual forma no se disocian completamente y la solución acuosa resultante contiene iones OH^- y el catión correspondiente por lo que queda una gran cantidad de moléculas no disociadas de la base.

Como la disociación no es completa, una forma de conocer cuantitativamente la fuerza de un ácido o una base débil es por medio de la determinación de su protonación porcentual o porcentaje de disociación (α), en el caso descrito anteriormente se calcula el porcentaje de moléculas de ácido HX que se disocian en la solución.

Partiendo de la estequiometría de la reacción

La ecuación del porcentaje de disociación viene dada por

Donde:
[HX]_inicial = concentración molar inicial del ácido tomando en consideración que no ocurrió disociación.

De esta ecuación se deduce que un bajo porcentaje de protonación indica que el soluto consiste en su mayoría del ácido HX siendo las concentraciones de H₃O⁺ y X^- bajas. De la misma forma se puede estudiar la fuerza de las bases débiles.

Si se comparan por ejemplo disoluciones 0.10M de CH₃COOH, HOCl y HCl, se puede inspeccionar el valor de sus constante de disociación y se puede deducir que el CH₃COOH se ioniza el 1.3%, mientras que el HOCl se ioniza el 0.059% y el HCl se ioniza casi en su totalidad, esto quiere decir que tanto el CH₃COOH como el HOCl en disoluciones diluidas se presentan en su mayoría como molécula no disociada y hay poco iones H₃O⁺ y los aniones correspondientes indicando así la fuerza de cada ácido y la diferencia entre ácidos fuertes como el HCl y ácidos débiles.

Tabla realizada con datos tomados Whitten

De lo anteriormente descrito se deduce que para el cálculo del pH y del porcentaje de disociación de un ácido o una base débil se puede partir del cuadro de equilibrio, lo que permite determinar la concentración de H₃O⁺ y por medio de la constante de disociación bien sea K_a o K_b.

Aplicación cuantitativa

Estudiemos a continuación algunos ejemplos para el cálculo del pH y del porcentaje de disociación para ácidos débiles los cuales se pueden emplear en el tratamiento de bases débiles.

Caso 1

Cálculo del pH y el porcentaje de disociación de un ácido débil_

En este caso se tomará como ejemplo el ácido acético o vinagre comercial el cual es el principal responsable de su sabor y olor agrio característico. Su fórmula química es CH₃COOH.Se tiene una solución de ácido acético 0.25 M y su constante de disociación es 1.8*10^-5 determinar su pH y porcentaje de disociación.

• La reacción de disociación es

Imagen realizada con imagen de dominio público1

• Cálculo de las concentraciones de H₃O⁺ en el equilibrio

• Expresión de la constante de disociación ácida

• Sustitución de valores en Kc
  

  

• Cálculo del pH y el porcentaje de disociación

Caso 2.

Cálculo de la constante a partir del porcentaje de disociación

En este caso se trabajará con un una disolución de ácido HA 0.01M que se ioniza 2.1%

• La reacción de disociación es
  

  

• Expresión de la constante de disociación ácida
  

  

• Calculo de [H₃O⁺] a partir del porcentaje de disociación
  

  
  

Como vemos los ácidos y bases débiles se disocian parcialmente por lo que resulta importante determinar el porcentaje de moléculas que quedan sin disociar lo que aporta información sobre su fuerza acida o básica y se deben conocer los fundamentos para su cálculo.

Hasta aquí el presente post, espero la información les sea útil, gracias por leer

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Referencias

[1]. Whitten K. y Gailey, K. (1985). Química General. México: Nueva Editoral Interamericana
[2]. Brown, T. (1997). Química La Ciencia Central. 7ma Edición, Prentice Hall, México