1 1.RESUMEN
Enlaprcticadelaboratoriosereportalaevaluacindeunsistemasalino dbil
por medio de las propiedades de hidrlisis, para este caso, se
analizaron
lasdilucionesdelassolucionesdeClorurodeAmonio(NH4Cl)yAcetatode
Sodio(CH3COONa),yasuvezseevaludeerrordelosvalores experimentales y
tericos.
SeobtuvoelpHparacadadilucinpormediodedatostericos,utilizando
ecuacionesmatemticasyelmtodogrficodeldiagramadeSillen.Estos
valoresserelacionaronconlosvaloresobtenidosexperimentalmenteenel
Laboratorio,paracadadilucin.Seobtuvoqueamedidaqueavanzabanlas
dilucioneselpHdisminuaparaelcasodelAcetatodeSodio(CH3COONa)y
aumenta para el Cloruro de Amonio (NH4Cl) hasta llegar a la
neutralidad, Los datos obtenidos se obtuvieron en las siguientes
condiciones de trabajo: 22C y una presin atmosfrica de 0.84
atm.
2 3 2.OBJETIVOS General Evaluar un sistema salino dbil por medio
de las propiedades de Hidrlisis. Especficos 1.Definir Hidrlisis y
observar su comportamiento en un sistema salino dbil. 2.Evaluar un
sistema qumico salino dbil, por medio del Diagrama de Sillen.
3.DeterminarlosvalorestericosdepHdecadaunadelassoluciones
preparadas a partir de las diferentes diluciones.
4.Evaluarelporcentajedeerrorutilizandolosvaloresexperimentalesylos
tericos de pH para las distintas diluciones. 4 5 3.MARCO TERICO 1.
cidos y Bases En el estudio de las sustancias en estado acuoso,
llamados cidos o bases, de acuerdo a sus comportamientos dentro del
agua. Segn la Teora cido-base de Brnsted/Lowry, un cido es una
substancia donadora de protones, H+, y una base es una substancia
aceptora de protones. 1.1.Fuerza cido-base
Algunoscidossonmejoresdonadoresdeprotonesqueotros;asimismo, algunas
bases son mejores aceptoras de protones que otras. Si clasificamos
a los cidos de acuerdo con su capacidad de donar un protn,
encontramos que
entremsfcilunasustanciacedeunprotn,subaseconjugadaconmenos
facilidad acepta un protn. De forma similar, entre ms fcil una base
acepta un
protn,suacidoconjugadoconmenosfacilidadcedeunprotn.Enotras
palabras, entre ms fuerte es un cido, ms dbil es su base conjugada;
entre msfuerteesunabase,msdbilessuacidoconjugado.Entonces,si
sabemosalgosobrelafuerzadeuncido(sucapacidaddedonarprotones),
tambin sabemos algo sobre la fuerza de su base conjugada (su
capacidad de aceptar protones). 1.1.1.cidos dbiles
Uncidodbilesaquelcidoquenoesttotalmentedisociadoenuna
disolucinacuosa.Aportaioneshidronioalmedioperotambinescapazde
aceptarlos. 6
Labaseconjugadadeuncidodbilmuestraunaligeracapacidadde
eliminarprotonesdelagua(labaseconjugadadeuncidodbilesunabase
dbil).As,parauncidogenricoAHendisolucinseproducelareaccin
reversible: HA + H2O
A-(ac) + H3O+ (Ecuacin Qumica 1) 1.1.2.Constante de Acidez
Laconstante dedisociacindeun cidodbileslaconstante deequilibrio
paralaionizacindeuncido.LafuerzadelcidoHAsemide
cuantitativamentemediantelamagnituddeKa.Cuantomayorseaelvalorde
Kaelcidosermsfuerteesdecirmayorserlaconcentracindeiones
hidronioenlasolucin.Sinembargodebemosrecordarquesololoscidos dbiles
tienen valores de Ka asociados con ellos. La expresin que relaciona
las concentraciones de productos y reactivos con la constante de
equilibrio, derivada de la Ecuacin 1, es la siguiente: [
][
][](Ecuacin 1)
Laconcentracindelagua[H20]enunasolucindiluidaesprcticamente
constante, por lo que su valor est incluido en la constante. 7 1.2.
Ionizacin de cidos y bases
LaionizacindeuncidoAensolucinacuosa,puederepresentar, mediante la
siguiente reaccin. Donde A, es un cido; B, es una base y H+ es el
ion hidronio: A + H2O H+ + B(Ecuacin Qumica 2)
De igual forma, la disociacin de una base B en medio acuoso se
expresa mediante la siguiente ecuacin. Donde A, es un cido; B es
una base y OH- es el ion hidrxido. B + H2O A +OH- (Ecuacin Qumica
3) Laconcentracindelagua(H2O)enunasolucindiluidaesprcticamente
constante.Tomandoencuentaloanterior,nosvemosconducidosala expresin
de la constate de acidez o disociacin de cidos, Ka: Ka =[
]
(Ecuacin 2)
Anlogamenteeltratamientodecidos,laconstatedebasicidadode disociacin
de una base, Kb, puede expresarse de la siguiente manera: Kb =[
]
(Ecuacin 3) Multiplicando estas dos ecuaciones previas, se
obtiene la forma del producto inico del agua, Kw, de esta forma: Kw
= Ka x Kb(Ecuacin 4) pKw = pKa + pKb (Ecuacin 5) 8 1.3. Concepto de
pH El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolucin.
ElpH indica
laconcentracindeioneshidronio[H3O+]presentesendeterminadas
disoluciones.SrenSrensenpropusoeltrminopH(potencialdehidrgeno),
elsmbolopprovienedela palabrapoder enelidiomainglsysuexpresin
implica el negativo del logaritmo del valor afectado. pH = -
log([H+])(Ecuacin 6) 1.4. Acidez, alcalinidad y neutralidad
Laneutralidaddeunasolucinacuosa,implicalaexistenciade
concentraciones iguales de especies cidas y bsicas, el cual ocurre
a un valor depH=pKw/2alatemperatura
Tdelsistema;noobstante,escasiimposible
obtenersolucionesconconcentracionesexactamenteigualesdecidoybase,
porloqueesteconceptoseextiendeaunintervalodeneutralidadconlmites
depHentre(pKw/21).Enelcasodelassoluciones cidastendremosquela
concentracindeiones(H+)sermayoraladeiones(OH-)yelpHestar contenido
en un rango, desde0 hasta ser menor que (pKw/2 - 1).
Recprocamente,paralassolucionesbsicasoalcalinas,laconcentracin
deiones(H+)sermenoraladeiones(OH-)yelphestarcontenidoenun
rango,siendomayorque(pKw/2+1)hasta14.Cabedestacarque,enel
intervalode(pKw/21),elpHdependedelaportedeiones(H+)u(OH-)
provenientesdelsolutoenmayorproporcindelosqueprovienendela
autoprotlisis del agua. Fuera de este intervalo, el aporte protnico
del agua es despreciable, esto es porque el aporte acuoso es menor
que el 10% del aporte total de iones (H+). 9 2.Autoionizacin del
agua El agua tiene la peculiaridad de actuar como cido, al donar un
protn a otra
molculadeagua(H2O)ycomobase,alaceptarunprotn.Porello,en
solucionesacuosaselaguaeseldisolventeanfiprtico.Lamolculadeagua
quedonaunprotnseconvierteenOH-,esdecir,unabaseconjugada;asla
molculadelaguaqueaceptaunprotnseconvierteenH3O+,uncido conjugado.
Estos dos fenmenos se expresan como una reaccin de autoionizacin
del agua,lacualesconocidatambincomoautoprotlisis,orupturaprotnicade
las molculas de agua en s mismas. H2O +H2O
H3O++ OH- (Ecuacin Qumica 4)cido BasecidoBase ConjugadoConjugada
La constante de equilibrio de la autoionizacin del agua se expresa
as: Keq = [
][
] [
]
(Ecuacin 7) Debido a que el estado normal del disolvente H2O es
puro su concentracin es igual a 1.0 3.Hidrlisis
LapalabraHidrlisissignificadescomposicinpormediodelagua.Setrata
deunprocesocontrarioalaneutralizacin.Esuna reaccinqumica entre una
molcula de agua y otra molcula, en la cual la molcula de agua se
divide y sus tomos pasan a formar parte de otra especie qumica. 10
Alusareltrminodehidrlisis,enrealidadseindicalareaccinentreun
cidoyunabase.Lasreaccionesdehidrlisisohidrolticas,selimitanensu
gran mayora a los iones que actan ya sean como donadores o
aceptores de protones. 4.Hidrlisis de los iones
Parapoderestudiarelcomportamientoconelagua,lassalessesuelen
clasificar segn su procedencia en cuatro grupos: Sales procedentes
de un cido fuerte y una base fuerte Sales procedentes de base
fuerte y cido dbil Sales procedentes de base dbil y cido fuerte
Sales procedentes de cido dbil y cido dbil. 4.1. Sales procedentes
de un cido fuerte y una base fuerte Sales cuyos iones son aprticos
(disoluciones de una sal que proceda de un cido fuerte, que se ha
combinado con una base fuerte). Los iones producidos
aparentementenoganannipierdenprotones,porlotanto,noafectanel
equilibrio entre las concentraciones de los iones hidronio y
oxhidrilosdel agua,
esdecir,noserealizaningunahidrlisisylasolucinpresentauncarcter
neutro. Algunos ejemplos de estas sales son el Cloruro de Sodio y
el Nitrato de Potasio. 11 4.2.Sales procedentes de un cido dbily
una base fuerte
Sales cuyosaniones son aceptadores de protones (disoluciones de
una sal que proceda de un cido dbil, que se ha combinado con una
base fuerte).Los
anionesqueseforman,secomportancomobases,yporlotantoreaccionan
conelsolventecapturandooaceptandodesteprotones.Estohacequese
verifique un aumento en la concentracin de los iones oxhidrilos del
solvente, lo
cualtambinequivale,aunadisminucindelaconcentracindelosiones
hidronio contenidos en el solvente.
Elcarcterdeladisolucinserbsicoyporesto,elpHsermayora7. Algunos
ejemplos de estas sales son el Acetato de Sodio, Carbonato de Sodio
y el Cianuro de Potasio. 4.3.Sales procedentes de un cido fuertey
una base dbil
Salescuyoscationessondonadoresdeprotones(disolucionesdeunasal que
proceda de un cido fuerte, que se ha combinado con una base dbil).
Los cationes producidos de acuerdo con Brnsted, se consideran como
cidos. Los aniones formados, son dbilmente bsicos. Los cationes
pueden ser de dos tipos: No hidratados: Ion Amonio. Hidratados: Ion
Aluminio y Ion Frrico.
Lassalesqueproducencationesconradioinicorelativamentepequeo como
consecuencia de la hidrlisis, se precipita un hidrxido o una sal
bsica. 12 Enestoscasos,sepuedeobservarqueelcatinproducidoporlasal
reacciona con el solvente (agua), donando protones que dan carcter
cido a la disolucin. Se debe esperar entonces que al disolver una
sal de este grupo, el pH de la disolucin sea menor de 7. 4.4.Sales
procedentes de un cido dbily una base dbil
Salescuyoscationessecomportancomocidosycuyosanionesse
conducencomobases(disolucindeunasalformadaporuncidoybase
dbil).Sielcatinesundonadordeprotonesyelaninunaceptadorde protones,
una sal de este tipo puede tener u carcter acido neutro o bsico.
Estodependedelafuerzarelativadelcatincomocidoydelanincomo
base.Podemosdecirquelasalsufreunaprofundadescomposicinhidroltica
pordobleconcepto.Sicorrespondaaunabaseouacidoinsoluble,al
hidrolizarse la sal se producir una precipitacin. Algunos ejemplos
de las sales que pertenecen a este grupo son el Acetato de Amonio y
el Cianuro de Amonio. 4.5.Constante de Hidrlisis
Lareaccindeliondeunasalconagua,essemejante,alareaccinde
ionizacinquesepresentaenloselectrolitosdbiles.Losdostiposde
reaccionessonreversibles,yporreglageneral,salvoexcepciones,tambinel
gradodeavancedelareaccinespequeoenlahidrlisis,delasalyporlo tanto,
aplicable la ley de equilibrio qumico a las reacciones que
comprendenla hidrolisis de los iones producidos por las sales al
disociarse.
Suponiendo una sal MA que reacciona con el agua, se produce una
solucin bsica o alcalina. Esto nos indica que el anin es una base.
13 Kh = [][
][
] (Ecuacin 8) 4.6.Hidrlisis de los cationes que son cidos
Reaccionanconelaguaformandosolucionescidas.Estosiones,son
donadoresdeprotonesyporlotantosecomportancomo cidos.Una frmula ms
directa para determinar el pH, cuando una sal de este tipo se
disuelve en agua. pH =
(Ecuacin 9) Donde: Kh =
(Ecuacin 10) 4.7.Hidrlisis de los aniones que son bsicos Estas
sales se disuelven en agua formando soluciones fuertemente bsicas o
alcalinas. En esta reaccin el agua se comporta como un cido. Para
calcular directamente el pH para este tipo de sales: pH =
(Ecuacin 11) Donde: Kh =
(Ecuacin 12) 14 5.Diagrama de Sillen
EldiagramadeSillenseutilizaconmayorfrecuenciaenelestudiodela
hidrlisis por su versatilidad para con este tema del anlisis
qumico. EldiagramadeSillenesunaformadeexpresarelpH(ordenada)yla
concentracinmolardelsoluto(abscisa).Utilizandomtodosmatemticos,
combinndolosconmtodosanalticospodemosobtenerecuacionesexactas
paradeterminarlasdiferentescomponentesdeunasolucin,porlomismosi
podemosrelacionarestasramasdelaciencia,podemosdemostrarel
comportamiento de una solucin al ser diluida en agua, lo que es
bsicamente el significado de hidrlisis. De esta forma es posible,
identificar visualmente las especies importantes a
unvalorparticulardepH.Seusaunaescalalogartmica,debidoaquelas
concentraciones pueden variar en muchos rdenes de magnitud.
EldiagramadeSillenseaplicasoloauncido-baseespecficoyauna
concentracin inicial. Estos diagramas se obtienen a partir de la
concentracin y las constantes de disociacin. 15 Figura 1. Diagrama
de Sillen
Base cido 6.Dilucin La dilucin es la reduccin de la concentracin
de una sustancia qumica en una disolucin. La dilucin consiste en
rebajar la cantidad de soluto por unidad de volumen
dedisolucin.Selograadicionandomsdiluyentealamisma
cantidaddesoluto:setomaunapocaporcindeunasolucin alcuota y despus
esta misma se introduce en ms disolvente. 16 17 4. MARCO
METODOLGICO 4.1. Algoritmo de Procedimiento 1.Se prepar50 mL de una
solucin 1 M de Cloruro de Amonio (NH4Cl) y 50 mL de una solucin 1M
de Acetato de Sodio (CH3COONa). 2.Se midi el pH de cada una de las
soluciones anteriores. 3.Se tom5 mL de la solucin original del
Cloruro de Amonio (NH4Cl).
4.Secolocaronlos5mLdelincisoanteriorenunbalnde50mL,se procedi a
aforar y se midi el pH. 5.Se continuo haciendo soluciones sucesivas
hasta llegar a 1/1 000 000 en dilucin.
6.SerepitieronlospasosdelClorurodeAmonio(NH4Cl),conlasolucin de
Acetato de Sodio (CH3COONa).
7.SeelaborundiagramadeSillenparacadasalysecompararonlos valores
tericos con los experimentales. 18 Inicio Se prepar50 mL de una
solucin 1 M de NH4Cl y 50 mL de una solucin 1M de CH3COONa. Se midi
el pH de cada una de las soluciones. Se tom5 mL de la solucin
original de NH4Cl. Se colocaron los 5 mL de la solucin de NH4Cl en
un baln de 50 mL, se procedi a aforar y se midi el pH. Se continuo
haciendo soluciones sucesivas hasta llegar a1/1 000 000 en dilucin.
Cambi la coloracin de la solucin? Se repitieron los pasos del
NH4Cl, con la solucin de CH3COONa. Se elabor un diagrama de Sillen
para cada sal y se compararon los valores tericos con los
experimentales. Fin 4.3. Diagrama de Flujo Figura 2. Evaluacin de
un sistema salino dbil por medio de Hidrlisis.
NO SI 19 5. RESULTADOS Tabla 1. Valores de pH para el Acetato de
Sodio (CH3COONa). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%) Terico
Diagrama de SillenExperimental Diagrama de SillenExperimental
19,379,308,450,759,82 1/108,878,808,250,796,99
1/1008,378,338,110,483,11 1/1 0007,877,837,820,510,64 1/10
0007,377,337,690,544,34 1/100 0006,876,837,430,587,54 1/1 000
0006,376,337,240,6313,66 Fuente: Datos Originales, Muestra de
Clculo, Ecuacin1, 2 y 4, Grfica 1. Tabla 2. Valores de pH para el
Cloruro de Amonio (NH4Cl). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%)
Terico Diagrama de SillenExperimental Diagrama de
SillenExperimental 14,634,675,620,8621,38 1/105,135,176,210,7821,05
1/1005,635,676,800,7120,78 1/1 0006,136,137,500,0022,35 1/10
0006,536,678,032,1422,97 1/100 0007,137,208,360,9817,25 1/1 000
0007,637,678,480,5211,14 Fuente: Datos Originales, Muestra de
Clculo, Ecuacin 1,3 y 4, Grfica 2. 20 21 22 23 24 25 6.
INTERPRETACIN DE RESULTADOS
Enlaprcticadellaboratorio,seobservqueamedidaqueserealizaban
solucionessucesivas dela
muestraoriginal,laconcentracinsereducahasta llegar a la dilucin
establecida. ElpH de la solucin para el caso del Acetato
deSodio(CH3CHOONa)tiendeadisminuir,yparaelcasodelClorurode Amonio
(NH4Cl) el pH aumenta. ElAcetato de Sodio es una sal que procede de
un cido dbil, cido Actico
(CH3CHOOH),yunabasefuerte,HidrxidodeSodio(NaOH).Dicha
caracterstica,involucraquelosanionesqueseforman,secomportencomo
bases,loscualesalreaccionarconelsolvente(agua)capturenoaceptenlos
protonesdedichosolvente.Locualaumentalaconcentracindeiones
oxhidrilos(OH-)ydisminuyelaconcentracindelosioneshidronios(H+)
contenidosenelsolvente.Poresoestadisolucintomouncarcterbsico hasta
que se llegue a la neutralidad. ElCloruro de Amonio es una sal que
procede de un cido fuerte y una base fuerte. Los cationes
producidos de acuerdo con Brnsted, se consideran como
cidos.Asuvezlosanionesformadossondbilmentebsicos.Enestecaso, se
puede observar que el catin producido por la sal reacciona con el
solvente
(agua),donandoprotonesquedancarctercidoaladisolucin.Seobserv
entonces que al disolver la sal, el pH de la disolucin sea menor de
7. 26 Para los datos experimentales la solucin de Cloruro de Amonio
presento el comportamiento de aumento de pH, el cual a medida que
se diluye la solucin
nosencontramosquesepegaasintticamentealaneutralidadparadatos
experimentales (pKw/ 2 1), caso similar, ocurre con la solucin de
Acetato de Sodio(CH3COONa)peroparaestecasoelpHbajahastapegarse
asintticamente a la neutralidad descrita anteriormente. Para los
datos tericos obtenidos por medio de un mtodo grfico, se utiliz
elDiagramadeSillen,conelculobtenemosdatosconunerrorpromedio
menora1,dichodiagramaserealizconelcomportamientoinicialdela
solucin,esdecir,conelpHinicialdelasolucinylaconcentracininicial,
tomando solo las soluciones con pH por debajo de 7 para el Acetato
de Sodio (CH3CHOONa) y pH por encima de 7 para el Cloruro de Amonio
(NH4Cl), esto
debidoaquelassolucionesfueradelrangotienenconcentracionespequeas
las cuales se desprecia el aporte de la sal.
Delosdatosarrojados,tantotericoscomoexperimentales,sedetermin que
el Diagrama de Sillen es el mtodo grfico ideal para el estudio de
hidrlisis
debidoaquetieneunporcentajedeerrorpromediomenorque1%.Paralos datos
experimentales se determin que a medida que secontina diluyendo la
solucinse despreciaelaportedesaldejandolugarsoloaelcomportamiento
del solvente (agua). 27 7. CONCLUSIONES 1.Se determin los
diferentes tipos de sales para el estudio de hidrlisis en un
sistema salino dbil. 2.Se estableci el principio de hidrlisis, para
la reaccin de una sal con el solvente (agua) segn las
caractersticas de la sal. 3.Se desgloso el Diagrama de Sillen para
el estudio de la hidrlisis. 4.S analizo el comportamiento del pH de
las soluciones para las diferentes soluciones a medida que se
continuaba con las diluciones. 5.Se estableci el Diagrama de
Sillen, como el mtodo grfico ms exacto paraelestudio
deHidrlisis,debidoaquecuentacon unporcentajede error promedio menor
del 1%. 28 29 8. BIBLIOGRAFA 1.
Canales,Margarita.Fisicoqumica,VolumenI:Teora.Escuela Nacional de
Estudios Profesionales Iztacala. Mxico 1999. 241 p. 2.
Crouch,Holler,Skoog,West.FundamentosdeQumicaAnaltica. Sptima
Edicin. Editoria Thomson. Mxico 2001. 3.
Harris,DanielC.AnlisisQumicoCuantitativo.3aed.Editorial Revert.
Espaa 2007. 709p. 4.
Pickering,W.F.QumicaAnalticaModerna.EditorialRevertS.A. Espaa 1986.
689p. 5. Raymond,Chang.Qumica.10aed.McGrawHill,Mxico,2010. 1172p.
30 31 9. APNDICE 9.1. Hoja de Datos Originales 32 9.2. Muestra de
Clculo Ecuacin 1. Molaridad
Ejemplo: Preparar 50mL de solucin 0,1 M de CH3COONa.
Ecuacin 2. Determinacin del pH en Hidrlisis de los cationes que
son cidos.
Dnde: = Potencial Concentracin de la sal bsica. =Potencial
Constante de basicidad. =Potencial de Hidrgeno = Potencial de la
Constante de equilibrio del agua a 25 C (14). 33 Ejemplo:
Determinar el pH de la solucin de NH4Cl a 0,01 M.
Ecuacin 3. Determinacin del pH en Hidrlisis de los aniones que
son bsicos.
Dnde: = Potencial Concentracin de la sal cida. =Potencial
Constante de acidez. =Potencial de Hidrgeno. = Potencial de la
Constante de equilibrio del agua a 25 C (14). Ejemplo: Determinar
el pH de la solucin de CH3COONa a 0,1 M.
34 Ecuacin 4. Porcentaje de Error|
| Dnde: = Dato terico = Dato Experimental Ejemplo: Determinar el
% de Error del pHla solucin de CH3COONa con los siguientes datos =
9,37 = 9,30 |
|
35 9.3. Anlisis de Error Porcentaje de Error|
| Dnde: = Dato terico = Dato Experimental Ejemplo: Determinar el
% de Error del pHla solucin de CH3COONa con los siguientes datos =
9,37 = 9,30 |
|
36 9.4. Datos Calculados Tabla 1. Valores de pH para el Acetato
de Sodio (CH3COONa). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%) Terico
Diagrama de SillenExperimental Diagrama de SillenExperimental
19,379,308,450,759,82 1/108,878,808,250,796,99
1/1008,378,338,110,483,11 1/1 0007,877,837,820,510,64 1/10
0007,377,337,690,544,34 1/100 0006,876,837,430,587,54 1/1 000
0006,376,337,240,6313,66 Fuente: Datos Originales, Muestra de
Clculo, Ecuacin1, 2 y 4, Grfica 1. Tabla 2. Valores de pH para el
Cloruro de Amonio (NH4Cl). Dilucin (M) pHPorcentaje de Error (%)
Terico Diagrama de SillenExperimental Diagrama de
SillenExperimental 14,634,675,620,8621,38 1/105,135,176,210,7821,05
1/1005,635,676,800,7120,78 1/1 0006,136,137,500,0022,35 1/10
0006,536,678,032,1422,97 1/100 0007,137,208,360,9817,25 1/1 000
0007,637,678,480,5211,14 Fuente: Datos Originales, Muestra de
Clculo, Ecuacin 1,3 y 4, Grfica 2.