Title: Unidad 2
Course: Química Plus + 2 BGU

Ácidos y bases

En el universo siempre encontramos los opuestos y los complementarios: la carga positiva y la carga negativa, lo duro y lo blando, lo denso y lo ligero, el calor y el frío. El caso de las sustancias no podía ser la excepción: así, lo opuesto al metal es un no metal, lo opuesto al enlace polar es un enlace no polar y lo opuesto al carácter ácido es el carácter básico.

Los opuestos presentan un aspecto extremo, incluso ese aspecto permite que uno complemente a otro y, en conjunto, formen nuevas realidades. Así, los ácidos se complementan con las bases o álcalis, buscando neutralidad.

   Objetivos

1. O.CN.Q.5.1. Reconocer la importancia de la Química dentro de la ciencia y su impacto en la sociedad industrial y tecnológica para promover y fomentar el Buen Vivir asumiendo responsabilidad social.
2. O.CN.Q.5.4. Reconocer, a partir de la curiosidad intelectual y la indagación, los factores que dan origen a las transformaciones de la materia, comprender que esta se conserva y proceder con respeto hacia la naturaleza para evidenciar los cambios de estado.
3. O.CN.Q.5.9. Reconocer diversos tipos de sistemas dispersos según el estado de agregación de sus componentes, y el tamaño de las partículas de su fase dispersa, sus propiedades y aplicaciones tecnológicas y preparar diversos tipos de disoluciones de concentraciones conocidas en un entorno de trabajo colaborativo utilizando todos los recursos físicos e intelectuales.
4. O.CN.Q.5.11. Evaluar, interpretar y sintetizar datos e información sobre las propiedades físicas y las características estructurales de los compuestos químicos para construir nuestra identidad y cultura de investigación científica.

  La Química y las profesiones

El ingeniero en acuacultura

Este profesional utiliza técnicas de producción empleadas en el cultivo de especies bioacuáticas, por lo tanto, es un experto en el tratamiento y metodologías para la utilización de suelos y aguas.

El ingeniero en acuacultura conoce sobre las dietas de larvas y alevines, además de manejar la biotecnología. Está en capacidad de prevenir enfermedades de las especies bioacuáticas y de planificar y administrar una industria acuícola. Realiza investigación y transferencia de nuevas tecnologías para mejorar la producción y prevenir los riesgos ambientales. Tiene habilidades para experimentar de forma adecuada y analizar los datos e información obtenidos en diversas áreas, tanto económicas o comerciales, como ambientales y de producción en un contexto global.

En el Ecuador, las universidades que ofertan esta carrera son la Universidad Técnica de Machala, la Universidad Técnica de Manabí, la Universidad Estatal de la Península de Santa Elena y la Escuela Superior Politécnica del Litoral.

En el siguiente enlace podrás encontrar mayor información sobre la carrera:

www.espol.edu.ec/es/facultades/FIMCBOR/carrera/ingenieria-en-acuicultura

Compuestos químicos: ácidos y bases

I CN.Q.5.3.4. Analizar y deducir, a partir de la comprensión del significado de la acidez, la forma de su determinación y su importancia en diferentes ámbitos de la vida, como la aplicación de los antiácidos y el balance del pH estomacal, en la industria y en la agricultura, con ayuda de las TIC.

I CN.Q.5.2.13. Examinar y aplicar el método más apropiado para balancear las ecuaciones químicas basándose en la escritura correcta de las fórmulas químicas y el conocimiento del rol que desempeñan los coeficientes y subíndices, para utilizarlos o modificarlos correctamente.

● Compuestos químicos: ácidos y bases

Saberes previos

¿Cómo se controla en tu familia la acidez estomacal?

Desequilibrio cognitivo

Qué ácidos tienen disociación iónica fuerte?, ¿por qué?

En la antigüedad, se habían calificado algunas sustancias como ácidos debido a su sabor agrio. Ácido proviene del vocablo latino acidus que significa ‘agrio’. Una característica importante de los ácidos es que reaccionan con los metales y producen gas hidrógeno (H_2). Muchos ácidos son comunes en la cotidianidad, por ejemplo:

- El ácido cítrico, que da el sabor característico de los limones, naranjas, mandarinas, uvas y otras frutas.
- El ácido acético, que le da el sabor agrio al vinagre.
- El ácido láctico, que lo encontramos en la leche y que es el causante de que nos duelan los músculos luego de hacer mucho deporte.
- El ácido clorhídrico, que forma parte de los jugos gástricos.
- El ácido fosfórico, presente en muchas bebidas gaseosas.

A través de los años, mientras que los ácidos ganaban identidad y eran reconocidos, las bases se clasificaban en función de cómo reaccionaban frente a los ácidos. Así, se las definía como “las sustancias que reaccionan con un ácido para formar sales”. Las bases también se llaman álcalis, vocablo proveniente del árabe al-kali, que significa ‘cenizas vegetales’; contrariamente a los ácidos, las bases poseen un sabor amargo.

Buen Vivir

Seguridad industrial

Norma INEN 2266, sobre almacenaje de sustancias clase 8, corrosivas y el equipo requerido en un laboratorio:

d.10) Debe tener disponibles el equipo y los suministros necesarios de seguridad y primeros auxilios como: máscaras para gases, gafas o máscaras de protección de la cara, vestimenta impermeable a gases, líquidos tóxicos o corrosivos, duchas de emergencia, equipos contra incendios.

Las bases no son solamente los hidróxidos; existen otras sustancias con carácter básico que las estudiaremos más adelante.

Las bases también son comunes en la vida cotidiana, por ejemplo:

- Los antiácidos como la Sal Andrews o la leche de magnesia.
- Los destapacaños como el Sello Rojo o la lejía.
- Los limpiadores de hornos.

Muchas de estas sustancias requieren un manejo, transporte y almacenaje adecuados. Por tal motivo, los laboratorios estudiantiles que poseen estas sustancias también deben cumplir con la normativa emitida en cada Estado. En nuestro país, el encargado de vigilar y normar estos asuntos es el Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN).

Disociación ácidos y bases

●Disociación ácidos y bases

Humor

Como estudiamos en la primera unidad, la disociación de una molécula de agua produce un ion hidróxido OH^1– y un protón que se adhiere a otra molécula de agua para formar el ion oxonio H_3O^1+.

La proporción de iones OH^1– e iones H_3O^1+ es igual, es decir, es de 1:1; debido a esta proporcionalidad, el agua es neutra.

Cuando se forma una solución de un ácido o una base, esta proporcionalidad cambia; puede aumentar la cantidad de uno de los iones y con ello la solución deja de ser neutra y puede adquirir un carácter básico o ácido.

Una forma de medir la cantidad de moles disociadas es el grado de disociación o ionización. El grado de disociación se calculará con la siguiente ecuación. En ocasiones  también suele expresarse en porcentaje.

Disociación de bases fuertes

La fuerza de una base no solo depende de cuantos hidróxidos posea en su estructura molecular, sino de la capacidad de disociación de estos iones.

Mientras más elevado sea el carácter iónico o polar del enlace entre el metal y el oxígeno, la base presentará más posibilidades de disociarse completamente.

Entre las bases más fuertes, se hallan las que forman los metales

Entre las bases más fuertes, se hallan las que forman los metales alcalinos, cuyo porcentaje de disociación es del 100%. Ejemplo:

NaOH | → | Na^+ + | OH^–
1 mol de hidróxido de sodio | produce | 1 mol de ion sodio 1+ | 1 mol de ion hidróxido

Disociación de ácidos fuertes

●Disociación de ácidos fuertes

TIC

Ingresa a esta dirección y observa en la animación cómo se disocian los ácidos fuertes y débiles.

www.mayedu.ec/quim2/p50

Indica una diferencia consistente entre la forma de disociarse de los ácidos débiles y de los ácidos fuertes.

En la molécula de un ácido, los átomos que se disocian son los iones hidrógeno (1+) o protón p^+ que, junto a las moléculas de agua, conformarán el ion oxonio.

La capacidad de un ácido para disociarse también depende de la polaridad que presente el anión que se forma; mientras más polar resulte el anión, más sencillo le será al ácido disociarse.

Los ácidos fuertes se disocian en el 100%, entre ellos se hallan el ácido clorhídrico, el ácido nítrico, el ácido sulfúrico; todos ellos son ácidos inorgánicos.

Por presentar un elevado porcentaje de disociación, los ácidos y las bases fuertes son electrolitos fuertes; forman excelentes soluciones conductoras de la electricidad.

Problema resuelto

Una disolución acuosa 0,2M de un ácido débil tiene un porcentaje de disociación del 3%.

Calcula:

1. Las moles disueltas del ácido
2. El grado de disociación

Datos

n_i = 0,2 moles (n iniciales)

%α = 3%

n_d = ¿? (n disociadas)

α= ¿?

Resolución

Problema propuesto

Una disolución de ácido fluorhídrico contiene 2,5 x 10^-3 moles disueltas en un litro de solución, de las cuales 1,0 x10^-3 moles se hallan disociadas.

Establece:

1. El grado de disociación
2. El porcentaje de disociación

Datos

n_i = 2,5 x 10^–3 moles HF (n iniciales)
n _d = 1,0 x 10^–3 moles HF (n disociadas)

Resolución

Teorías de equilibrio ácido-base

I CN.Q.5.1.29. Comparar y examinar las reacciones reversibles e irreversibles en función del equilibrio químico y la diferenciación del tipo de electrolitos que constituyen los compuestos químicos reaccionantes y los productos.

I CN.Q.5.3.4. Analizar y deducir a partir de la comprensión del significado de la acidez, la forma de su determinación y su importancia en diferentes ámbitos de la vida, como la aplicación de los antiácidos y el balance del pH estomacal, en la industria y en la agricultura, con ayuda de las TIC.

● Teorías de equilibrio ácido-base

Saberes previos

Con base en su sabor estable, ¿cuál de estas soluciones es ácida?

- Agua con sal
- Agua con azúcar
- Agua con vinagre

Desequilibrio cognitivo

Las cenizas dejadas tras una fogata son básicas porque contienen una fracción de hidróxido de potasio. ¿Qué sucede con el equilibrio ácido-base del agua si se disuelve un poco de ceniza?

Antes de llegar a la actual definición de ácido y base, el químico inglés Boyle (1627-1691), definió a los ácidos y las bases de acuerdo con el comportamiento químico de las sustancias. Luego, Justus von Liebig (1803-1873), químico alemán, definió a los ácidos y las bases por su composición molecular. A pesar de varios intentos más por definir estos compuestos, todos ellos eran incompletos, puesto que no describían lo que realmente era un ácido y una base.

Teoría de Arrhenius

Svante August Arrhenius (1859 -1927), físico y químico sueco, propuso la teoría de la ionización. Como parte de su tesis doctoral y luego de realizar varios experimentos con ácidos y bases, observó que estas sustancias se disociaban en agua produciendo unidades con carga eléctrica a los que llamó iones. A este proceso lo denominó disociación electrolítica.

Arrhenius relacionaba el carácter ácido con la capacidad que tienen las sustancias para disociarse y producir iones H^1+ (protones). Por otro lado, indicaba que el carácter básico se debe a la capacidad de ciertas sustancias que al disociarse producen OH^1–.

Esta disociación se producía en un equilibrio entre las moléculas de la sustancia que no se disocian y los iones de las moléculas disociadas, de acuerdo con la siguiente reacción, en donde:

▲ Sello postal en honor a Svante Arrhenius.

Ejemplo:

- HCl_(ac) ⇄ H^1+ + Cl^1–
- KOH_(ac) ⇄ K^1++ OH^1–

La teoría de Arrhenius no explicaba cómo ciertas sustancias, sin estar en solución acuosa, podían presentar carácter básico o carácter ácido.

Interdisciplinariedad

Química y Física

Las soluciones electrolíticas son conductoras de la electricidad. Dialoga con tu maestro de Física acerca de los materiales y sustancias conductores y aislantes.

Teoría ácido-base según Brönsted y Lowry

I CN.Q.5.2.4. Examinar y clasificar la composición, formulación y nomenclatura de los hidróxidos, diferenciar los métodos de obtención de los hidróxidos de los metales alcalinos del resto de metales e identificar la función de estos compuestos según la teoría de Brönsted-Lowry.

I CN.Q.5.2.5. Examinar y clasificar la composición, formulación y nomenclatura de los ácidos: hidrácidos y oxácidos, e identificar la función de estos compuestos según la teoría de Brönsted-Lowry.

●Teoría ácido-base según Brönsted y Lowry

Laboratorio casero

En dos vasos de vidrio, coloca una infusión de té. En el primero, añade unas gotas de zumo de limón y en el segundo unas gotas de vinagre. Observa y establece qué similitudes puedes encontrar en el comportamiento de las dos soluciones.

La definición de Arrhenius de ácidos y bases por disociación iónica explicaba muchas de las propiedades de estas sustancias. Sin embargo, su definición dejaba fuera a ciertas sustancias como el amoniaco NH_3 que, sin poseer iones OH ^–, se comportaba igual que una base.

Johannes Nicolaus Brönsted (1879-1947), químico danés, y Thomas Martin Lowry (1874-1936), físico y químico inglés, ampliaron la definición de ácido y base. Estaba claro que los ácidos cedían protones (H^1+) y se sabía que las bases se comportaban en forma opuesta a los ácidos. De acuerdo con esta relación, estos científicos definen a los ácidos y las bases de la siguiente manera:

Este concepto de basicidad aclaraba el comportamiento básico del NH_3, a pesar de no poseer iones (OH^1–) y explicaba el carácter ácido o básico de otras sustancias, sin necesidad de estar formando una solución acuosa.

NH_3 + H_3O^1+​ ⇄ NH_4^1+ + H_2O

Problema resuelto

En las siguientes ecuaciones iónicas, utiliza el siguiente cifrado para identificar el sistema conjugado:

A: ácido
​Ac: ácido conjugado
B: base
Bc: base conjugada

Las condiciones de la Tierra impiden que existan protones libres en el ambiente, por tal motivo, siempre buscarán una base a la cual adherirse. El proceso de ganar o perder protones es reversible (⇄). En este sentido, sucede lo siguiente:

- El ácido, al perder un protón, se transforma en una base conjugada.
- Una base, al ganar un protón, se transforma en un ácido conjugado.
- El ácido y su base correspondiente forman un sistema conjugado.

Ácidos y bases según Brönsted-Lowry

●Ácidos y bases según Brönsted-Lowry

Estrategias para resolver problemas

Todos los problemas se pueden resolver de distintas maneras, solo necesitas encontrar una para tener éxito.

Los sistemas conjugados coexisten en condiciones de equilibrio iónico. Es decir que mientras unas moléculas ceden protones, otras captan los protones, de tal manera que siempre se mantiene la concentración de todas las unidades que forman parte del sistema.

La teoría de Brönsted-Lowry, además, explica que una sustancia dadora de protones (ácido) obliga a la sustancia receptora a actuar como una base al aceptar el protón.

- Un ácido fuerte hace que un ácido débil actúe como una base.
- Una base fuerte hace que una base débil actúe como un ácido.

Debido a esto, se puede explicar el comportamiento de ciertas sustancias que pueden ser ácidos o bases, dependiendo del medio en el que se encuentren.

La teoría de Brönsted-Lowry, a pesar de ser muy completa, aún no explicaba por qué ciertas sales podían presentar carácter ácido y no contener protones que pudieran ceder.

Glosario

Anfiprótico. Sustancia que puede donar o recibir un protón.

Teoría ácido-base según Lewis

Para Gilbert Newton Lewis (1875–1946), químico estadounidense, los ácidos son aquellas molécula, radicales o iones, en capacidad de aceptar o compartir un par de electrones. La base, en cambio, es la sustancia que está en capacidad de donar o compartir un par electrónico. Ejemplo:

En el amoniaco, el par electrónico no enlazado del nitrógeno se comparte mediante enlace coordinado para formar el ion amonio. El amoniaco, que es la sustancia que dona los electrones, actúa como una base.

“El de Lewis es el modelo de ácidos y base de alcance más general” (Burns, 2011, p. 486).

Química de disoluciones y sistemas dispersos

I CN.Q.5.2.9. Experimentar y deducir el cumplimiento de las leyes de transformación de la materia: leyes ponderales y de la conservación de la materia que rigen la formación de compuestos químicos.

I CN.Q.5.3.2. Comparar y analizar disoluciones de diferente concentración, mediante la elaboración de soluciones de uso común.

●Química de disoluciones y sistemas dispersos

Saberes previos

¿Qué compuesto se disocia más fácilmente: un ácido fuerte o un ácido débil? ¿Por qué?

Desequilibrio cognitivo

Una solución puede presentar una concentración molar diferente para cada sustancia disuelta en ella.

En tu cuaderno, explica, con tus palabras, la afirmación anterior.

Molaridad y grado de disociación

Hasta ahora, hemos aprendido a calcular la molaridad de soluciones en donde se tomaba en cuenta la molécula como una unidad. Sin embargo, en el proceso de disolución de ácidos y bases, las moléculas se disocian en iones.

Los ácidos y las bases fuertes se disocian totalmente; su grado de disociación α es igual a 1.

En los ácidos y bases débiles α, puede llegar a tener valores muy pequeños. En estos casos, la solución o el sistema disperso alcanza lo que se denomina equilibrio iónico. Es aquí donde las moléculas que se disocian lo hacen a la velocidad en la que los iones se juntan para armar la molécula nuevamente, de tal manera que la concentración, tanto de las moléculas no disociadas como de los iones formados, no cambia. La ecuación de este proceso de disociación se plantea con una flecha de doble sentido, donde se debe entender que el proceso transcurre para ambos lados simultáneamente. Es un proceso reversible, que se expresa de acuerdo con la siguiente ecuación:

A ⇄ bB + cC

Así, en este enunciado, A es la molécula no disociada, B y C son los iones formados; b, c son coeficientes de la ecuación balanceada.

A → B + C | La molécula A se disocia para formar los iones B y C.
B + C → A | Los iones B y C se unen para formar la molécula A.

Problema resuelto

Un ácido monoprótico débil tiene una concentración de 0,05 M y su grado de disociación α es 1,86x10^–2. Determina la concentración del ácido no disociado y la concentración de los iones formados.

Al inicio, las moléculas se van disociando y va disminuyendo su concentración inicial C_o. Al mismo tiempo, va aumentando la concentración de moles de los iones que resultan de la disociación (C_oα).

Ecuación de disociación | A_(ac) | ⇄ | bB_(ac) | + cC_(ac)
Inicio de la disociación | C_o | ⇄ | – | –
Disociación | C_o – C_oα disminuye | ⇄ | b C_oα aumenta | cC_oα aumenta
Equilibrio | C_o(1 –α) | ⇄ | C_o bα | C_o cα

Constante de equilibrio iónico o constante de disociación iónica Kc

I CN.Q.5.1.29. Comparar y examinar las reacciones reversibles e irreversibles en función del equilibrio químico y la diferenciación del tipo de electrolitos que constituyen los compuestos químicos reaccionantes y los productos.

●Constante de equilibrio iónico o constante de disociación iónica K_c

Interdisciplinariedad

Química y Matemática

Cociente es el resultado obtenido cuando se divide una cantidad (dividendo) por otra (divisor). El cociente expresa las veces que está contenido el divisor en el dividendo.

Discute con tus compañeros: ¿qué pasa con la constante de equilibrio iónico cuando se la divide para la concentración del agua, considerada como un líquido puro?

Cuando los componentes de las soluciones de ácidos y bases débiles han alcanzado el equilibrio iónico, establecen una relación entre sus concentraciones. A esta relación se la denomina constante de equilibrio iónico o constante de disociación iónica, y corresponde al cociente que se obtiene al dividir la concentración molar de los iones (productos) para la concentración molar de la sustancia no disociada (reactivo). La ecuación para determinar el valor de la constante es:

Al plantear la expresión de la constante de disociación, no se toma en cuenta la concentración del agua, porque se la considera como un líquido puro, cuyo valor de concentración se asume como 1. El valor de la constante de disociación describe la fortaleza del ácido o la base. Si su valor es elevado, el ácido o la base son fuertes; si su valor es bajo, corresponde a un ácido o base débil.

La constante de disociación de ácidos débiles K_a

La constante de un ácido se representa por K_a, para la ecuación de disociación:

La expresión de la constante de disociación iónica es:

Para los ácidos fuertes, no es necesario calcular la constante de disociación, debido a que se hallan disociados completamente y la dirección del proceso transcurre únicamente hacia la derecha.

Problema resuelto

Establece la ecuación de disociación y la expresión para determinar K_a del ácido nitroso HNO_2.

Problema propuesto

Establece la ecuación de disociación y la expresión para determinar K_a del ácido sulfuroso H_2SO_3.

Ecuación de disociación |
Expresión para determinar la constante de equilibrio |

La constante de disociación de bases débiles Kb

●La constante de disociación de bases débiles K_b

Interdisciplinariedad

Química y Biología
Entre las bases débiles, encontramos a las bases nitrogenadas que forman parte del ADN, guanina, citosina, timina y adenina.

La constante de disociación de una base se representa por K_b, para la ecuación de disociación:

La constante de disociación se establece con la siguiente expresión:

Las bases fuertes, al igual que los ácidos fuertes, no requieren que su constante de disociación se calcule, pues también están disociadas completamente.

La constante de disociación iónica no solo pertenece a los ácidos y a las bases, también está presente en todas las sustancias que poseen la capacidad de disociarse en iones.

Constantes de disociación de fármacos

Ácidos débiles | pK_b | Bases débiles | pK_b
Acetaminofén | 9,5 | Adrenalina | 8,7
Aspirina | 3,5 | Amiodarona | 6,6
Ampicilina | 2,5 | Cocaína | 8,5
Ciprofloxacina | 6,1 | Imipramina | 9,5
Fenitoína | 8,3 | Kanamicina | 7,2
Metildopa | 2,2 | Morfina | 7,9
Teofilina | 8,8 | Propranolol | 9,4
Warfarina | 5,0 | Terbutalina | 10,1

^Fuente: SlidePlayer, (2014). www.slideplayer.es

Problema resuelto

Establece la ecuación de disociación y la expresión para determinar la constante K_a para el ácido clorhídrico HCl.

Problema propuesto

Establece la ecuación de disociación y la expresión para determinar la constante K_b del amoniaco NH_3.

Ecuación de disociación | NH_3(ac) + H_2O_(l) ⇄_ NH_4^1+_(ac) + OH^1–_(ac)
Expresión para determinar la constante de equilibrio |

Química de disoluciones y sistemas dispersos

I CN.Q.5.3.2. Comparar y analizar disoluciones de diferente concentración, mediante la elaboración de soluciones de uso común.

D CN.Q.5.3.5. Deducir y comunicar la importancia del pH a través de la medición de este parámetro en varias soluciones de uso diario.

●Química de disoluciones y sistemas dispersos

Saberes previos

Químicamente hablando, ¿cuál de estas sustancias es agua pura?

- Agua de manantial
- Agua embotellada
- Agua destilada

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué el agua potable conduce la corriente eléctrica y el agua pura no?

Producto iónico del agua

De acuerdo con la teoría de Brönsted y Lowry, en la ecuación de disociación del agua, podemos observar que esta se puede comportar a la vez como ácido o como base. Es decir, es una sustancia anfótera, debido a que se halla en capacidad de aceptar protones o ceder protones.

La concentración molar (M) de las moléculas de agua que se disocian es muy pequeña. Su valor es igual a [1 x 10^–7].

2H_2O | ⇄ | H_3O^1+ | + OH^1–
Concentración molar de los iones oxonio e hidróxido formados |  | oxonio [1 x 10^–7] = | hidróxido [1 x 10^–7]

La constante de disociación para el agua se establece con la siguiente expresión:

Buen Vivir

Derechos

Constitución de la República

Art. 12. “El derecho humano al agua es fundamental e irrenunciable […]”.

Comenta con tus compañeros. ¿Qué significado tiene para ustedes que el derecho al agua sea irrenunciable?

Recordemos que la concentración molar del agua se asume como [1], por presentar un grado de disociación tan pequeño y por ser considerada un líquido puro.

Por lo tanto, la expresión final para la constante queda expresada en forma de producto, lo que se conoce como producto iónico del agua K_w.

Remplazando los valores de la concentración de los iones oxonio e hidróxido, se puede determinar el valor del producto iónico del agua K_w:

TIC

Observa la simulación de la formación del ion oxonio en la siguiente dirección:

www.mayedu.ec/quim2/p61

Grafica en tu cuaderno la fórmula estructural de los iones oxonio e hidróxido.

Variación de la concentración molar de los iones oxonio e hidróxido

Una solución acuosa siempre contiene iones oxonio e hidróxido.

Si en ella se disuelve un ácido o una base, la concentración de iones cambia.

- Los ácidos aportarán con más protones al sistema disperso y con ello se formarán más iones oxonio.
- Las bases aportan incrementando la cantidad de iones hidróxido al sistema disperso.

La mayor concentración de iones oxonio o hidróxido determina si la solución es ácida, básica o neutra.

Concentración de iones | Solución
H_3O^1+ > OH^1– | Ácida
H_3O^1+ = OH^1– | Neutra
H_3O^1+< OH^1– | Básica

En las soluciones acuosas, el valor del producto iónico del agua se mantiene constante, aunque las concentraciones de los iones oxonio e hidróxido cambien al disolver un ácido o una base. La prevalencia de uno o de otro definirá si la solución es ácida o básica. Ejemplo:

Kw = | [H_3O^+] | [OH^–] | Tipo de solución
1 x 10^–14 = | [1 x 10^–3] | [1 x 10^–11] ⇒ | Ácida
1 x 10^–14 = | [1 x 10^–7] | [1 x 10^–7] ⇒ | Neutra
1 x 10^–14 = | [1 x 10^–10] | [1 x 10^–4] ⇒ | Básica

Problema resuelto y propuesto

En la tabla se muestra la concentración de iones oxonio [H_3O^1+] e hidróxido [OH^1–]. Con base en esta información, analiza los valores, coloca los signos mayor que (>) o menor que (<) y establece si la solución es ácida o básica.

[H_3O^1+] | > ó < | [OH^1–] | Tipo de solución
1 x 10^–14 | < | 1 x 10^0 | básica
1 x 10^–1 | > | 1 x 10^–13 | ácida
1 x 10^–6 |  | 1 x 10^–8 |
1 x 10^–12 |  | 1 x 10^–2 |

Humor

Cálculo de la concentración de iones oxonio e hidróxido

Cuando un ácido o una base se disocian completamente, aumentan en una gran proporción los iones hidróxido y oxonio. Si la base o el ácido se disocian parcialmente, la concentración de los iones es bajo. Así, el grado de acidez o basicidad depende de la concentración que presentan estas soluciones.

El valor del producto iónico del agua K_w nos permitirá establecer la concentración molar de los iones oxonio o hidróxido, si se conoce la concentración de uno de ellos.

Problema resuelto

Determina si la solución de vinagre es ácida
o básica, cuando se conoce que [H_3O^+] es igual
a 1 x 10^-2.

Datos | Resolución
K_w = 1 x 10^–14
[H _3O^1+] = 1 x 10^–2
[OH ^1–] = ¿ ?
Recordamos: K_w = [H_3O^1+] [OH^1–]

Reemplazamos valores:

1 x 10^–14 = 1 x 10^–2[OH^1–]

Despejamos:

(1 x 10^–14/1 x 10^–2) = [OH^1–]

Calculamos: [OH^1–] = 1 x 10^–12

Comparamos las concentraciones:

[H_3O^1+] > [OH^1–]

La solución de vinagre es ácida, debido a que la concentración de iones oxonio es mayor que la de los iones hidróxido. (Ver tabla).

Problema propuesto

Determina si la clara de huevo es ácida o básica, cuando se conoce que [OH^–] es igual a 1 x 10^–6.

Datos | Resolución
K_w = 1 x 10^–14
[H _3O^+] = ¿ ?
[OH ^–] = 1 x 10^–6
Recordamos: K_w = [H_3O^+] [OH^–]

Reemplazamos valores:

_____________________________

Despejamos:

_____________________________

Calculamos:

_____________________________

Comparamos las concentraciones:

[H_3O^+] ____________ [OH^–]

_____________________________
_____________________________
_____________________________
_____________________________

Potencial hidrógeno pH

I CN.Q.5.3.4. Analizar y deducir a partir de la comprensión del significado de la acidez, la forma de su determinación y su importancia en diferentes ámbitos de la vida, como la aplicación de los antiácidos y el balance del pH estomacal, en la industria y en la agricultura, con ayuda de las TIC.

D CN.Q.5.3.5. Deducir y comunicar la importancia del pH a través de la medición de este parámetro en varias soluciones de uso diario.

● Potencial hidrógeno pH

Saberes previos

Se dice que los mejores jabones para la piel son aquellos que tienen pH neutro, ¿qué significa esto?, ¿son realmente neutros con pH 7?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué una sustancia ácida tiene un pH bajo, si el pH es una escala que mide la concentración de iones oxonio?

El pH o potencial hidrógeno de una sustancia es una escala que expresa la concentración molar de iones oxonio H_3O^1+ que se hallan disueltos en una sustancia. Esta medida de concentración se la hace transformando el valor de potencia en un logaritmo.

La escala de pH son valores que están en un intervalo de cero (0) a catorce (14).

Los valores bajos en el pH indican una alta acidez; los valores altos de pH indican una alta basicidad.

Todas las sustancias presentan un valor determinado de pH.

En una solución siempre están presentes los iones oxonio e hidróxido. Aun cuando las sustancias sean extremadamente ácidas o básicas, existirá, al menos, una concentración mínima de iones hidróxido y oxonio, respectivamente.

Estrategias para resolver problemas

Resolver problemas es una experiencia significativa, mientras los resuelves aprendes y puedes reforzar tus destrezas.

Interdisciplinariedad

Química y Matemática
Las notaciones exponenciales logarítmicas son equivalentes.

Así, "[...] las expresiones a^x = N y log_aN = x son equivalentes" (Mancill & González, 1962, p. 244).

En donde:
​a = base
x = exponente
N = número real positivo

Los logaritmos vulgares tienen como base 10, que en muchas ocasiones se suele omitir su escritura, como en el caso del logaritmo de la concentración de los iones oxonio.

pH= –log_10 [H_3O^1+]

pH = –log [H_3O^1+]

Cálculo del pH

El valor del pH se calcula partiendo de la concentración molar de los iones oxonio [H_3O^1+]. La fórmula expresa esta concentración como un logaritmo.

Concentración de oxonio: [H_3O^1+]

pH = –log [H_3O^1+]

Problemas resueltos

Conociendo que la concentración de los iones oxonio en las frutillas es 5,0 x 10^–4, calcula el pH de las frutillas e indica si son frutas ácidas o básicas.

 | Datos | Resolución
 | [H_3O^1+] = 5,0 x 10^–4 pH = ¿ ? | pH = –log [H_3O^1+] pH = –log [5,0 x 10^–4] pH = 3,3
Las frutillas al presentar un pH de 3,3, son frutas muy ácidas.

El detergente utilizado para lavar la ropa tiene una concentración de iones [OH^1–] de 3,2 x 10^–4. Determina la concentración de iones oxonio y el pH del detergente. Establece si este tipo de jabones son básicos o ácidos.

 | Datos | Resolución
[OH^1–] = 3,2 x 10^–4
[H _3O^1+] = ¿ ?
pH = ¿ ?
- Calculamos el valor de [H_3O^1+]
[H _3O^1+] = K_w/[OH^1–]
[H _3O^1+] = 1 x 10^–14/
                   [3,2 x 10^–4]
[H _3O^1+] = 3,1 x 10^–11
- Calculamos el valor del pH
pH = –log [H_3O^1+]
pH = –log [3,1 x 10^–11]
pH = 10,5
El detergente de ropa es una sustancia básica.

Laboratorio casero

Corta una remolacha en rebanadas delgadas. Coloca, en cada una de ellas, gotas de diferentes sustancias ácidas y básicas, como jugo de limón, jugo de piña, jabón líquido o legía. Observa el cambio de coloración que sucede en las rebanadas. Establece una conclusión.

Importancia del pH

El valor del pH de una sustancia nos ayuda a comprender su naturaleza, su forma de reaccionar ante otras sustancias y su comportamiento futuro.

Conocer el valor del pH de las sustancias es de suma importancia para el avance tecnológico. Su aplicación se extiende en casi todas las ciencias y campos de la actividad antrópica.

Medicina
Los análisis médicos siempre incluyen la determinación del pH de la orina y el de la sangre. El pH de la sangre es 7,4; una ligera alteración de este valor podría indicar que la persona está enferma. Por ejemplo, en el caso de las personas con cáncer, su pH sanguíneo es inferior a este valor.

La orina tiene un valor de pH que va desde 4,6 a 8,0; los valores superiores a estos pueden suponer infección en los riñones o vías urinarias.

Muchas de las infecciones bacterianas cambian el pH de los tejidos. Los antibióticos evitan la proliferación bacteriana, haciendo que los tejidos humanos tengan un pH correcto.
Agricultura
 | Para la agricultura, controlar el pH de los suelos de cultivo es muy importante. Su valor óptimo está entre 6,6 y 7,5. Estas condiciones de pH favorecen el cultivo y desarrollo de las plantas, aunque existen algunas especies, como las papas, que requieren de un suelo un poco más ácido.
Cosmetología
 | Se conoce que el pH de la piel tiene que ver con su aspecto y salud. La piel grasa presenta un pH entre 4,9 y 5,0; la piel normal entre 5,2 y 5,5; y la piel seca presenta un pH de entre 5,7 y 5,9. En la industria cosmetológica se han creado jabones con pH neutro (7), para evitar dañar la piel.
Alimentación
Los alimentos presentan diversos pH. Por ejemplo, los plátanos 4,5; el fréjol 5,7; el cangrejo 7,0; la papaya 9,0; y el brócoli 10,0.

Es recomendable disminuir los alimentos ácidos cuando se sufre de acidez estomacal.

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

¿Cómo se investiga en Química?

¿Cómo se investiga en Química?

Análisis de datos estadísticos

Una forma de presentar los datos estadísticos es usando diagramas, como el diagrama de pastel o el diagrama de barras verticales. Así, se puede analizar datos sobre la emisión de óxidos ácidos a la atmósfera, a partir de estos diagramas.

Las emisiones de óxidos de azufre y nitrógeno

Se denomina lluvia ácida a cualquier precipitación que contenga elevadas concentraciones de ácido nítrico y sulfúrico. Se considera lluvia ácida también a la nieve, granizo, neblina o partículas sólidas contaminadas que puedan depositarse en el suelo, así como la ceniza volcánica.

La lluvia ácida se forma por las emisiones a la atmósfera de óxidos de azufre y de nitrógeno. Estas emisiones pueden originarse en dos fuentes:

Naturales

- Emisiones volcánicas
- Descomposición de materia orgánica

Antrópicas

- Plantas industriales
- Termoeléctricas
- Motores de combustión interna

En el diagrama de pastel adjunto, podemos observar que en la ciudad de Quito, la mayor parte de emisiones de los gases que producen la lluvia ácida proviene de los automotores. Su emisión compone el 76% de la emisión de gases.

En el diagrama de barras verticales podemos observar que, en el año de 2012, el 70% de empresas que funcionaban en el territorio del Ecuador monitoreaba sus emisiones de dióxido de azufre (SO_2). En el caso de emisiones de óxidos de nitrógeno (N_xO), se observa que el porcentaje es del 69% de las empresas.

Fuente: INEC, Encuesta de Información Ambiental Económica en Empresas 2012

Tarea
Analiza el diagrama de pastel e identifica cuál es la segunda fuente emisora de gases sulfurosos y nitrosos en el Ecuador. Responde. ¿En qué porcentaje esta fuente emite gases?

Infiere las causas de por qué este agente ocupa el segundo lugar en emisiones de gases que producen lluvia ácida en nuestro país.

Laboratorio 2

Laboratorio 2

Acidez y basicidad de las sustancias

Datos informativos
Institución educativa:
Nombre del estudiante: ​
Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Objetivo

1. Elaborar un indicador de acidez o basicidad casero.
2. Establecer el carácter ácido, neutro o básico de diversas sustancias.
3. Familiarizarse con los colores que presentan los indicadores frente a la presencia de sustancias ácidas, neutras y básicas.

Procedimiento

Primera parte: preparación del indicador ácido-base

1. Cortar las hojas de col morada en trozos y cocerlas durante unos minutos en agua destilada, hasta que la solución se torne de color violeta.
2. Dejar enfriar y decantar la cocción.
3. Separar la col de la solución, utilizando el aparto de filtración.

Segunda parte

1. Colocar, en tubos diferentes, 5 mL de soluciones formadas con los reactivos.
2. Añadir en cada tubo 10 gotas del indicador casero.
3. Establecer el carácter ácido, básico o neutro de las soluciones, utilizando la banda de colores expuesta junto a la tabla 1.
4. Determinar el pH aproximado de cada solución contenida en los tubos de ensayo.

Seguridad y recomendaciones

1. Arma de forma correcta cada aparato, guíate por las imágenes.
2. Para evitar derrames, trasvasa las soluciones juntando siempre el pico de los recipientes al agitador.
3. Mantén los mesones libres de materiales (cuadernos, mochilas u otros objetos) que no correspondan a la práctica.
4. Al finalizar la práctica, verifica que las conexiones de gas que hay en el laboratorio queden cerradas.

Reactivos

- Vinagre
- Jugo de fruta cítrica
- Alcohol etílico
- Agua destilada
- Pasta dental
- Limpiador de grasas
- Bicarbonato de sodio
- Refresco gaseoso transparente
- Col morada

Materiales

- Tubos de ensayo
- Pipetas
- Agitadores
- Equipo de filtración
- Mechero de Bunsen
- Malla de amiento
- Pinza de madera
- Vaso de precipitado
- Tubera

Equipo para cocción

Gráfico

Observaciones:

Escribe las partes que conforman el aparato de filtración.

Resultado de las observaciones

Color | rojo intenso | rojo violeta | violeta | azul violeta | azul | azul verde | verde azulado | verde | amarillo
pH | <2 | 4 | 6 | 7 | 7,5 | 9 | 10 | 12 | >13

Solución | Color | pH aproximado | Ácido | Básico | Neutro
Vinagre |  |  |  |  |
Jugo de fruta cítrica |  |  |  |  |
Alcohol etílico |  |  |  |  |
Pasta dental |  |  |  |  |
Limpiador de grasas |  |  |  |  |
Bicarbonato de sodio |  |  |  |  |
Refresco gaseoso transparente |  |  |  |  |

Conclusiones

Proyecto de emprendimiento

Proyecto de emprendimiento^

Tema: Patrulla limpia hornos

Justificación

Casi todos los hogares cuentan con hornos, ya sean eléctricos, a gas o de microondas. En muchas ocasiones, la vida agitada no permite dar una completa limpieza a este artefacto de cocina, por lo que en él se van acumulando restos de comida y sobre todo de grasas.

El uso de limpiahornos que contienen una base débil, como el amoniaco, es muy útil para remover los restos de grasa de los artefactos de cocina.

Objetivos

1. Prestar servicio de limpieza para la obtención de réditos económicos.
2. Contribuir en la comunidad con un servicio útil para la limpieza de los artefactos de cocina.
3. Vivenciar la utilidad cotidiana de las propiedades químicas de las bases.

Actividades y recursos

Materiales

- Gorras, mandiles, mascarillas, guantes, botella de espray
- Tarjetas de identificación y presentación
- Baldes, franelas, espátulas
- Vinagre blanco y bicarbonato

Producción

- Mezclar una taza de bicarbonato de sodio con 5 cucharas de agua hasta formar una pasta.
- Untar el interior del horno con la pasta preparada y dejar que actúe durante 12 horas.
- Limpiar con las franelas la pasta, y esparcir con la botella espray el vinagre.
- Limpiar la espuma que se forma y retirar todos los residuos hasta que el horno quede brillante.

Comercialización

- Jornadas de difusión, reparto de hojas informativas, publicación en redes sociales, cartelera estudiantil
- Demostraciones públicas
- Arreglo de citas y oferta de promociones

Conclusiones:

- ¿Cómo pueden mejorar su estrategia de ventas?
- ¿Qué más se podría hacer para difundir la prestación de servicios?

Evaluación del proyecto | Sí | No | En parte
Se cumplieron los objetivos. |  |  |
Se brindó un servicio de calidad. |  |  |
Las personas quedaron satisfechas con su trabajo. |  |  |

Autoevaluación | Sí | No | En parte
Fuiste responsable con la actividad que se te encargó en el proyecto. |  |  |
Tuviste una comunicación adecuada, cálida y oportuna con las personas. |  |  |
Te esforzaste porque todas las actividades del proyecto se cumplieran a tiempo y con los mejores resultados. |  |  |

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Ingreso de logaritmos y notación científica en la calculadora

Uso de la calculadora para determinar el pH

1. Presiona el signo (–) y luego la palabra "log".

1. Ingresa el primer factor del valor de la concentración de oxonios.

Por ejemplo:
[H _3O^1–] = [1,4 x 10^–4]

1. Presiona en las teclas superiores (–) y luego el valor del exponente en este caso: 4.

1. Por último, presiona el signo (=) o "Enter" para obtener el valor del pH.

En tu cuaderno de asignatura, calcula los valores de pH de las siguientes sustancias: