Ejercicio resuelto de Ácido-Base · Química · Cantabria · 2023

Razone las respuestas de las siguientes cuestiones:

a) El pH de una disolución de un ácido monoprótico (HA) de concentración $5\cdot 10^{-3}$ M es 2,3. ¿Se trata de un ácido fuerte o débil? [0,5 puntos]

b) ¿El pH de una disolución acuosa de $\text{CH}_3\text{COONa}$ es mayor, menor o igual a 7? [0,5 puntos]

c) ¿A un ácido fuerte le corresponde una base conjugada débil? [0,5 puntos]

d) ¿Se pueden preparar disoluciones diluidas de un ácido fuerte? [0,5 puntos]

$\textbf{a) El pH de una disolución de un ácido monoprótico (HA) de concentración 5×10⁻³ M es 2,3. ¿Se trata de un ácido fuerte o débil? [0,5 puntos]}$

Es un ácido $\textbf{fuerte}$. La forma de decidirlo es comparar la concentración de protones que se mide con la que tendría el ácido si estuviera totalmente disociado.

$[\mathrm{H_3O^+}] = 10^{-\mathrm{pH}} = 10^{-2{,}3} = 5{,}0 \cdot 10^{-3} \text{ mol/L}$

Esa concentración coincide con la del ácido, así que el grado de disociación es:

$\alpha = \frac{[\mathrm{H_3O^+}]}{c} = \frac{5{,}0 \cdot 10^{-3}}{5 \cdot 10^{-3}} = 1$

Está disociado al cien por cien, que es la definición de ácido fuerte. Si fuera débil, solo una fracción se habría disociado y el pH habría salido claramente mayor: por ejemplo, con $K_a = 10^{-5}$ el pH de esa misma disolución sería 3,7.

$\textbf{b) ¿El pH de una disolución acuosa de CH₃COONa es mayor, menor o igual a 7? [0,5 puntos]}$

$\textbf{Mayor}$ que 7: la disolución es básica.

El acetato de sodio se disocia por completo:

$\mathrm{CH_3COONa} \rightarrow \mathrm{CH_3COO^-} + \mathrm{Na^+}$

El $\mathrm{Na^+}$ procede de una base fuerte (el NaOH), así que no se hidroliza. El $\mathrm{CH_3COO^-}$, en cambio, es la base conjugada de un ácido débil, el acético, y por tanto una base lo bastante fuerte como para captar protones del agua:

$\mathrm{CH_3COO^-} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{OH^-}$

Al generarse $\mathrm{OH^-}$, el pH sube por encima de 7. Es la regla general: la sal de un ácido débil con una base fuerte da disolución básica.

$\textbf{c) ¿A un ácido fuerte le corresponde una base conjugada débil? [0,5 puntos]}$

Sí. Es una consecuencia directa de la teoría de Brønsted-Lowry.

Un ácido fuerte cede su protón con muchísima facilidad, lo que quiere decir que el enlace con ese protón es poco estable y que la especie que queda tras cederlo tiene muy poca tendencia a recuperarlo. Esa especie es justamente su base conjugada, y esa poca tendencia a captar protones es lo que significa ser una base débil.

Cuantitativamente lo expresa la relación entre ambas constantes:

$K_a \cdot K_b = K_w = 10^{-14}$

Si $K_a$ es muy grande, $K_b$ tiene que ser muy pequeña. Ejemplo: el $\mathrm{HCl}$ es fuerte y su base conjugada, el $\mathrm{Cl^-}$, es tan débil que en agua no se hidroliza en absoluto.

$\textbf{d) ¿Se pueden preparar disoluciones diluidas de un ácido fuerte? [0,5 puntos]}$

Sí, perfectamente. La pregunta busca separar dos conceptos que se confunden a menudo:

La $\textbf{fuerza}$ de un ácido es una propiedad intrínseca de la sustancia: mide qué fracción de sus moléculas cede el protón, y viene dada por su $K_a$.

La $\textbf{concentración}$ es cuánto ácido hay disuelto por litro, y depende solo de cómo se haya preparado la disolución.

Son independientes: se puede tener $\mathrm{HCl}$ $10^{-4}$ M, un ácido fuerte muy diluido, cuyo pH es 4 —más alto que el de muchos ácidos débiles concentrados—, y ácido acético 5 M, un ácido débil muy concentrado. Lo que no cambia al diluir es que el ácido fuerte sigue estando disociado al cien por cien.