15.7: Soluciones de Bases Débiles

Algunos compuestos producen iones hidróxido cuando se disuelven reaccionando químicamente con moléculas de agua. En todos los casos, estos compuestos reaccionan sólo parcialmente y por lo tanto se clasifican como bases débiles. Este tipo de compuestos son también abundantes en la naturaleza y son productos básicos importantes en diversas tecnologías. Por ejemplo, la producción mundial de la base débil amoníaco suele ser más de 100 toneladas métricas al año, siendo ampliamente utilizada como fertilizante agrícola, una materia prima para la síntesis química de otros compuestos y un ingrediente activo en los limpiadores domésticos. Cuando se disuelve en agua, el amoníaco reacciona parcialmente para producir iones hidróxido, como se muestra a continuación:

Esta es, por definición, una reacción ácido-base, en este caso implicando la transferencia de iones H⁺ de las moléculas de agua a las moléculas de amoníaco. En condiciones normales, sólo alrededor del 1% del amoníaco disuelto está presente como iones NH₄⁺.

Cálculo de las concentraciones de iones hidróxido y del pOH en una solución de base débil

Encontrar la concentración de ion hidróxido, el pOH y el pH de una solución 0,25 M de trimetilamina, una base débil:

La tabla ICE para este sistema es

Al sustituir los términos de concentración de equilibrio en la expresión K_b queda

Asumiendo que x << 0,25 y resolviendo x se obtiene

Este valor es inferior al 5% de la concentración inicial (0,25), por lo que la suposición está justificada.

Como se define en la tabla ICE, x es igual a la concentración de equilibrio del ión hidróxido:

El pOH se calcula que es

Utilizar la relación;

permite el cálculo del pH:

Determinación de K_b a partir del pH

Si el pH de la solución de etilamina 0,28 M (C₂H₅NH₂) es 12,10, ¿cuále es su K_b?

Para calcular el K_b de la etilamina, es necesario determinar primero la concentración de iones hidróxido y el pOH. Como el pH es 12,10, el pOH se puede calcular de la siguiente manera:

Como la pOH es 1,90, la concentración de iones hidróxido de la solución puede calcularse utilizando la fórmula

La tabla ICE para este sistema se puede construir de la siguiente manera

Como el 0,0126 M es el 4,5% de 0,28 M, 0,28 − 0,0126 puede considerarse casi igual a 0,28 M por la regla del 5%.

Después de sustituir los valores anteriores en la expresión por el K_b de la etilamina,

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e Sección 4.2: Clasificación de las Reacciones Químicas y 14.3 Fuerzas Relativas de Ácidos y Bases.

Una base débil, como el amoníaco, es una base de Brønsted que acepta un protón del agua para producir el ion de hidróxido. Las bases débiles reaccionan parcialmente con el agua de acuerdo con su constante de disociación de bases, Kb, que es 1, 76 10⁻⁵ para el amoniaco. La Kb del amoníaco se puede expresar como la concentración de iones de amonio multiplicada por la concentración de iones de hidróxido dividida por la concentración de amoníaco en equilibrio.

La Kb se puede utilizar para determinar la concentración de iones de hidróxido en una solución de base débil y, en consecuencia, el pOH y el pH de la solución. La concentración de iones de hidróxido y el pH de 0, 23 M de la solución de amoniaco se pueden determinar usando su constante de disociación básica y preparando una tabla ICE que contenga los valores iniciales y de equilibrio de los iones de amoniaco, amonio e hidróxido. Si se substituyen las concentraciones de equilibrio en la expresión de Kb, Kb es igual a x por x dividido por 0, 23 menos x.

Como las bases débiles muestran una disociación parcial, se puede considerar que 0, 23 menos x es aproximadamente 0, 23. Cuando se resuelve la ecuación, x es igual a 2 10⁻³ molar. La aproximación 0, 23 menos x es igual a 0, 23 es válida aquí ya que la concentración de iones de hidróxido es solo el 0, 86 de 0, 23 molar.

Para calcular el pH de esta solución, primero determine el pOH a partir del logaritmo negativo de la concentración de iones de hidróxido, que es igual a 2, 70. El pH se puede determinar usando la fórmula:pH más pOH igual a 14 y calculado en 11, 30. El Kb para una solución de base débil se puede calcular si se conoce el pH de la solución de base débil.

La metilamina es una base débil que se disocia parcialmente en agua en iones de metilamonio e iones de hidróxido. La Kb de metilamina se puede expresar como la concentración de iones de metilamonio multiplicada por la concentración de iones de hidróxido dividida por la concentración de metilamina en equilibrio. Para calcular la Kb de una solución de metilamina 0, 040 molar con un pH de 11, 6, primero se debe calcular el pOH seguido de su concentración de iones de hidróxido.

Como el pH es 11, 60, el pOH es 2, 40 y su concentración de iones de hidróxido es 4, 0 x 10⁻³. En la tabla ICE se puede construir a partir de las concentraciones iniciales y de equilibrio de la metilamina, el metilamonio y el hidróxido. Si se sustituyen las concentraciones de equilibrio en la expresión por Kb se obtiene el valor de la Kb, que es 4, 4 10⁻⁴.