10.3: Constantes de disociación ácida

Objetivos de aprendizaje

• Describir la diferencia entre ácidos y bases fuertes y débiles.
• Describir cómo una reacción química alcanza el equilibrio químico.
• Defina la escala de pH y utilícela para describir ácidos y bases.

Equilibrio Químico en Ácidos Débiles y Bases

El comportamiento de ácidos y bases débiles ilustra un concepto clave en química. ¿La reacción química que describe la ionización de un ácido o base débil simplemente se detiene cuando el ácido o la base se termina de ionizar? En realidad, no. Más bien, el proceso inverso, la reforma de la forma molecular del ácido o base, ocurre, en última instancia, a la misma velocidad que el proceso de ionización. Por ejemplo, la ionización del ácido débil\(\ce{HC2H3O2 (aq)}\) es la siguiente:

\[\ce{HC2H3O2(aq) + H2O(ℓ) \rightarrow H3O^{+}(aq) + C2H3O^{−}2(aq)} \label{Eq1} \]

El proceso inverso también comienza a ocurrir:

\[\ce{H3O^{+}(aq) + C2H3O^{−}2(aq) \rightarrow HC2H3O2(aq) + H2O(ℓ)} \label{Eq2} \]

Eventualmente, hay un equilibrio entre los dos procesos opuestos, y no se produce ningún cambio adicional. La reacción química se representa mejor en este punto con una doble flecha:

\[\ce{HC2H3O2(aq) + H2O(ℓ) <=> H3O^{+}(aq) + C2H3O^{-}2(aq)} \label{Eq3} \]

El\(\rightleftharpoons\) implica que están ocurriendo tanto las reacciones hacia adelante como las reacciones inversas, y sus efectos se anulan mutuamente. Un proceso en este punto se considera que está en equilibrio químico (o equilibrio). Es importante señalar que los procesos no se detienen. Se equilibran entre sí para que no haya más cambio neto; es decir, el equilibrio químico es un equilibrio dinámico.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Partial Ionization

Escribir la ecuación química de equilibrio para la ionización parcial de cada ácido o base débil.

1. HNO ₂ (ac)
2. C ₅ H ₅ N (aq)

Solución

1. HNO ₂ (aq) + H ₂ O (l) NO ₂ ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)
2. C ₅ H ₅ N (aq) + H ₂ O (l) C ₅ H ₅ NH ⁺ (aq) + OH ⁻ (aq)

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Escribir la ecuación química de equilibrio para la ionización parcial de cada ácido o base débil.

1. \(HF_{(aq)}\)
2. \(AgOH_{(aq)}\)
3. CH ₃ NH ₂ (aq)

Contestar

a. HF (aq) + H ₂ O (l) F ⁻ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

b. agoH (aq) Ag ⁺ (aq) + OH ⁻ (aq)

c. CH ₃ NH ₂ (aq) + H ₂ O (l) CH ₃ NH ₃ ⁺ (aq) + OH ⁻ (aq)

Constante de ionización ácida,\(K_\text{a}\)

La ionización para un ácido débil general,\(\ce{HA}\), se puede escribir de la siguiente manera:

\[\ce{HA} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{A^-} \left( aq \right) \nonumber \]

Debido a que el ácido es débil, se puede escribir una expresión de equilibrio. Una constante de ionización ácida\(\left( K_\text{a} \right)\) es la constante de equilibrio para la ionización de un ácido.

\[K_\text{a} = \frac{\left[ \ce{H^+} \right] \left[ \ce{A^-} \right]}{\left[ \ce{HA} \right]} \nonumber \]

La ionización ácida representa la fracción del ácido original que ha sido ionizado en solución. Por lo tanto, el valor numérico de\(K_\text{a}\) es un reflejo de la fuerza del ácido. Los ácidos débiles con\(K_\text{a}\) valores relativamente más altos son más fuertes que los ácidos con\(K_\text{a}\) valores relativamente menores. Debido a que los ácidos fuertes están esencialmente\(100\%\) ionizados, la concentración del ácido en el denominador es casi cero y el\(K_\text{a}\) valor se acerca al infinito. Por esta razón,\(K_\text{a}\) los valores generalmente se reportan solo para ácidos débiles.

La siguiente tabla es una lista de constantes de ionización ácida para varios ácidos. Nótese que los ácidos polipróticos tienen una constante de ionización distinta para cada etapa de ionización, siendo cada constante de ionización sucesiva menor que la anterior.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Constantes de ionización ácida\(25^\text{o} \text{C}\)

Nombre del ácido	Ecuación de ionización	\(K_\text{a}\)
Ácido sulfúrico	\(\ce{H_2SO_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{HSO_4^-}\) \(\ce{HSO_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{SO_4^{2-}}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; "> muy grande \(1.3 \times 10^{-2}\)
Ácido fluorhídrico	\(\ce{HF} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{F^-}\)	\ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(7.1 \times 10^{-4}\)
Ácido nitroso	\(\ce{HNO_2} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{NO_2^-}\)	\ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(4.5 \times 10^{-4}\)
Ácido benzoico	\(\ce{C_6H_5COOH} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{C_6H_5COO^-}\)	\ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(6.5 \times 10^{-5}\)
Ácido acético	\(\ce{CH_3COOH} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{CH_3COO^-}\)	\ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(1.8 \times 10^{-5}\)
Ácido carbónico	\(\ce{H_2CO_3} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{HCO_3^-}\) \(\ce{HCO_3^-} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{CO_3^{2-}}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; "> \(4.2 \times 10^{-7}\) \(4.8 \times 10^{-11}\)

El ácido fluorhídrico\(HF_{(aq)}\) reacciona directamente con el vidrio (muy pocos químicos reaccionan con el vidrio). El ácido fluorhídrico se utiliza en el grabado de vidrio.