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Supuesto 31

Cantabria 2024 ·

Enunciado

Se realiza una valoración de 50,00 mL de ácido sulfuroso 0,1 M con NaOH 0,2 M.

a) Determine el pH de la disolución cuando se han añadido 15 mL, 25 mL, 40 mL y 50 mL de NaOH, sucesivamente, identificando los puntos de equivalencia. (1 punto) b) A partir de los resultados obtenidos, construya la curva de valoración, identificando cada una de las zonas y puntos representativos. (1 punto)

Datos: Ka1=1,4⋅10−2K_{a1} = 1{,}4\cdot 10^{-2}; Ka2=6,5⋅10−8K_{a2} = 6{,}5\cdot 10^{-8}.

Solución

Cantidades de partida: n(HX2SOX3)=0,0500⋅0,1=5,0⋅10−3n(\ce{H2SO3}) = 0{,}0500\cdot 0{,}1 = 5{,}0\cdot 10^{-3} mol. Como el NaOH\ce{NaOH} es 0,2 M, cada mL aporta 2,0⋅10−42{,}0\cdot 10^{-4} mol, de modo que los puntos de equivalencia están en

Veq1=25,0 mL(HX2SOX3→HSOX3X−),Veq2=50,0 mL(HSOX3X−→SOX3X2−)V_{eq1} = 25{,}0\ \mathrm{mL} \quad (\ce{H2SO3 -> HSO3-}), \qquad V_{eq2} = 50{,}0\ \mathrm{mL} \quad (\ce{HSO3- -> SO3^2-})

pKa1=1,85pK_{a1} = 1{,}85 y pKa2=7,19pK_{a2} = 7{,}19: se diferencian en 5,3 unidades, suficiente para que los dos saltos se resuelvan por separado.

15 mL — zona tampón HX2SOX3/HSOX3X−\ce{H2SO3}/\ce{HSO3-}. Se han añadido 3,0⋅10−33{,}0\cdot 10^{-3} mol de OHX−\ce{OH-}, quedan 2,0⋅10−32{,}0\cdot 10^{-3} mol de HX2SOX3\ce{H2SO3} y se han formado 3,0⋅10−33{,}0\cdot 10^{-3} mol de HSOX3X−\ce{HSO3-} en 65 mL.

Aquí está la trampa del problema: Henderson-Hasselbalch no vale. Con Ka1=1,4⋅10−2K_{a1} = 1{,}4\cdot 10^{-2} el ácido sulfuroso es un ácido casi fuerte, y la disociación adicional no es despreciable frente a las cantidades presentes. Hay que resolver el equilibrio completo. Con C=0,0769C = 0{,}0769 M (sulfito total) y [NaX+]=0,0462[\ce{Na+}] = 0{,}0462 M, del balance de cargas [HSOX3X−]=[NaX+]+[HX+][\ce{HSO3-}] = [\ce{Na+}] + [\ce{H+}]:

Ka1=x (0,0462+x)0,0308−x=1,4⋅10−2  ⟹  x2+0,0602 x−4,31⋅10−4=0K_{a1} = \frac{x\,(0{,}0462 + x)}{0{,}0308 - x} = 1{,}4\cdot 10^{-2} \;\Longrightarrow\; x^2 + 0{,}0602\,x - 4{,}31\cdot 10^{-4} = 0 [HX+]=6,47⋅10−3 M⟹pH=2,19[\ce{H+}] = 6{,}47\cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} \quad\Longrightarrow\quad \boxed{\mathrm{pH} = 2{,}19}

Henderson-Hasselbalch daría 1,85+log⁡1,5=2,031{,}85 + \log 1{,}5 = 2{,}03: 0,16 unidades de diferencia, y en un ejercicio de este nivel eso se nota.

25 mL — primer punto de equivalencia. Todo es HSOX3X−\ce{HSO3-}, especie anfiprótica, con C=5,0⋅10−3/0,075=0,0667C = 5{,}0\cdot 10^{-3}/0{,}075 = 0{,}0667 M. La fórmula completa del anfolito da

[HX+]=Ka1Ka2C+Ka1KwKa1+C=2,74⋅10−5 M⟹pH=4,56[\ce{H+}] = \sqrt{\frac{K_{a1}K_{a2}C + K_{a1}K_w}{K_{a1} + C}} = 2{,}74\cdot 10^{-5}\ \mathrm{M} \quad\Longrightarrow\quad \boxed{\mathrm{pH} = 4{,}56}

La aproximación popular pH≈(pKa1+pKa2)/2=4,52\mathrm{pH} \approx (pK_{a1} + pK_{a2})/2 = 4{,}52 se queda cerca, pero aquí no está del todo justificada porque CC no es mucho mayor que Ka1K_{a1} (0,067 frente a 0,014).

40 mL — zona tampón HSOX3X−/SOX3X2−\ce{HSO3-}/\ce{SO3^2-}. Los primeros 5,0⋅10−35{,}0\cdot 10^{-3} mol de base gastan todo el HX2SOX3\ce{H2SO3} y los 3,0⋅10−33{,}0\cdot 10^{-3} restantes atacan al HSOX3X−\ce{HSO3-}: quedan 2,0⋅10−32{,}0\cdot 10^{-3} mol de HSOX3X−\ce{HSO3-} y 3,0⋅10−33{,}0\cdot 10^{-3} de SOX3X2−\ce{SO3^2-}. Ahora sí, Ka2K_{a2} es pequeña y Henderson-Hasselbalch es legítima:

pH=pKa2+log⁡3,02,0=7,19+0,18=7,36\mathrm{pH} = pK_{a2} + \log\frac{3{,}0}{2{,}0} = 7{,}19 + 0{,}18 = \boxed{7{,}36}

50 mL — segundo punto de equivalencia. Todo es SOX3X2−\ce{SO3^2-}, a 5,0⋅10−3/0,100=0,0505{,}0\cdot 10^{-3}/0{,}100 = 0{,}050 M, que se hidroliza como base:

Kb=KwKa2=1,54⋅10−7,[OHX−]=KbC=8,77⋅10−5 MK_b = \frac{K_w}{K_{a2}} = 1{,}54\cdot 10^{-7}, \qquad [\ce{OH-}] = \sqrt{K_b C} = 8{,}77\cdot 10^{-5}\ \mathrm{M} pOH=4,06⟹pH=9,94\mathrm{pOH} = 4{,}06 \quad\Longrightarrow\quad \boxed{\mathrm{pH} = 9{,}94}

b) La curva y sus zonas.

| V(NaOH)V(\ce{NaOH}) (mL) | pH | Zona | | ------------------- | -------- | ------------------------------------------------- | | 15,0 | 2,19 | tampón HX2SOX3/HSOX3X−\ce{H2SO3}/\ce{HSO3-} | | 25,0 | 4,56 | 1.er punto de equivalencia (anfolito) | | 40,0 | 7,36 | tampón HSOX3X−/SOX3X2−\ce{HSO3-}/\ce{SO3^2-} | | 50,0 | 9,94 | 2.º punto de equivalencia (hidrólisis básica) |

La curva presenta dos saltos, uno en cada punto de equivalencia, separados por dos mesetas tamponadas. Puntos representativos que hay que saber señalar:

  • Semiequivalencias. A 12,5 mL, pH≈pKa1\mathrm{pH} \approx pK_{a1}; a 37,5 mL, pH≈pKa2=7,19\mathrm{pH} \approx pK_{a2} = 7{,}19. Son las zonas de máxima capacidad tamponante y la forma experimental de medir las constantes.
  • Asimetría de los dos saltos. El primero es suave y poco definido porque Ka1K_{a1} es grande (ácido casi fuerte: cuanto más fuerte el ácido, peor definido su punto de equivalencia); el segundo es nítido. En la práctica, esta valoración se hace hasta el segundo punto, con fenolftaleína (viraje 8,2–10,0), que cae justo sobre el salto de pH 9,94.
  • Ambos puntos de equivalencia están fuera del pH 7, uno ácido y otro básico. Neutralidad y equivalencia son cosas distintas.

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