Ejercicio resuelto de pH · Química · Comunidad de Madrid · 2023

B.3 Se preparan disoluciones acuosas de igual concentración de las especies: ácido nítrico, cloruro de potasio, cloruro de amonio e hidróxido de potasio. Responda razonadamente a las siguientes cuestiones:

a) (0,5 puntos) ¿Qué disolución tiene mayor pH?
b) (0,5 puntos) ¿Qué disolución no cambia su pH al diluirla con agua?
c) (0,5 puntos) ¿Qué reacción se producirá al mezclar volúmenes iguales de las disoluciones de cloruro de amonio y de hidróxido de potasio?
d) (0,5 puntos) El pH de la disolución formada en el apartado c), ¿será ácido, básico o neutro?

Dato: Ka ($\mathrm{NH_4^+}$) $= 6{,}7 \times 10^{-10}$.

$\textbf{a) ¿Qué disolución tiene mayor pH? (0{,}5 puntos)}$

Conviene clasificar antes las cuatro especies:

El $\textbf{ácido nítrico}$ es un ácido fuerte: disolución muy ácida.

El $\textbf{cloruro de potasio}$ procede de ácido fuerte y base fuerte, así que ninguno de sus iones se hidroliza: disolución neutra.

El $\textbf{cloruro de amonio}$ procede de ácido fuerte y base débil; el $\mathrm{NH_4^+}$ se hidroliza dando protones: disolución ácida, aunque mucho menos que la del nítrico.

El $\textbf{hidróxido de potasio}$ es una base fuerte y está totalmente disociado: disolución muy básica.

La de mayor pH es, por tanto, la de $\textbf{hidróxido de potasio}$. El orden completo, de mayor a menor pH, es $\mathrm{KOH} > \mathrm{KCl} > \mathrm{NH_4Cl} > \mathrm{HNO_3}$.

$\textbf{b) ¿Qué disolución no cambia su pH al diluirla con agua? (0{,}5 puntos)}$

La de $\textbf{cloruro de potasio}$. Su pH no lo fija el soluto, sino la propia autoionización del agua, porque ni el $\mathrm{K^+}$ ni el $\mathrm{Cl^-}$ reaccionan con ella:

$\mathrm{KCl} \rightarrow \mathrm{K^+} + \mathrm{Cl^-}$

Diluir una disolución neutra sigue dando una disolución neutra: el pH se queda en 7. En las otras tres, en cambio, diluir sí cambia el pH, acercándolo a 7 en todos los casos.

$\textbf{c) ¿Qué reacción se producirá al mezclar volúmenes iguales de las disoluciones de cloruro de amonio y de hidróxido de potasio? (0{,}5 puntos)}$

El hidróxido de potasio aporta $\mathrm{OH^-}$ y el cloruro de amonio, $\mathrm{NH_4^+}$. La reacción que ocurre es la neutralización entre ambos:

$\mathrm{NH_4^+} + \mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2O}$

O bien, en forma molecular:

$\mathrm{NH_4Cl} + \mathrm{KOH} \rightarrow \mathrm{NH_3} + \mathrm{KCl} + \mathrm{H_2O}$

Como los volúmenes y las concentraciones son iguales y la estequiometría es 1 a 1, la reacción es completa: no sobra ni amonio ni hidróxido, y en el matraz quedan amoniaco y cloruro de potasio.

$\textbf{d) El pH de la disolución formada en el apartado c), ¿será ácido, básico o neutro? (0{,}5 puntos)}$

$\textbf{Básico.}$ Aquí está la trampa habitual: que no sobre ninguno de los dos reactivos no significa que la disolución sea neutra, porque hay que mirar qué queda en ella.

El $\mathrm{KCl}$ es neutro y no influye. Pero el amoniaco es una base débil y reacciona con el agua:

$\mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{NH_4^+} + \mathrm{OH^-}$

El dato del enunciado lo confirma: la constante de la base se obtiene de la del ácido conjugado,

$K_b(\mathrm{NH_3}) = \frac{K_w}{K_a(\mathrm{NH_4^+})} = \frac{10^{-14}}{6{,}7 \cdot 10^{-10}} = 1{,}5 \cdot 10^{-5}$

y ese valor, muy superior a $K_a$, indica que el amoniaco genera bastante más $\mathrm{OH^-}$ del que el agua aporta por sí sola. El pH será mayor que 7.