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…
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.
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Q1: What is a weak base and how does it differ from a strong base?
A weak base is a Brønsted base that accepts a proton from water to produce hydroxide ions, but reacts only partially with water. Unlike strong bases that completely dissociate, weak bases establish an equilibrium between the molecular form and ionized products. Ammonia is a common example, with only about 1% of dissolved ammonia present as ammonium ions under typical conditions.
Q2: How is the base dissociation constant used to calculate hydroxide ion concentration?
The base dissociation constant (Kb) expresses the ratio of product concentrations to reactant concentration at equilibrium. For ammonia, Kb = 1.76 × 10⁻⁵. By constructing an ICE table with initial and equilibrium concentrations, you substitute values into the Kb expression to solve for hydroxide ion concentration, which then determines pOH and pH of the solution.
Q3: What is the ICE table method and why is it useful for weak base problems?
The ICE table tracks Initial, Change, and Equilibrium concentrations of all species in a weak base equilibrium. It organizes data systematically, showing how concentrations shift from initial values to equilibrium. This method simplifies substitution into the Kb expression and helps identify which concentrations to use when calculating hydroxide ion concentration and subsequent pH values.
Q4: How do you calculate pH from pOH in a weak base solution?
First, calculate pOH by taking the negative logarithm of hydroxide ion concentration. Then use the relationship pH + pOH = 14 to find pH. For example, a 0.23 M ammonia solution with hydroxide ion concentration of 2 × 10⁻³ M yields pOH of 2.70 and pH of 11.30, confirming the basic nature of the solution.
Q5: Can you determine Kb if you know the pH of a weak base solution?
Yes. Convert pH to pOH using pH + pOH = 14, then calculate hydroxide ion concentration from pOH. Construct an ICE table using the known initial concentration and calculated hydroxide ion concentration at equilibrium. Substitute these values into the Kb expression to solve for the base dissociation constant of the weak base.
Q6: Why is the approximation that x is negligible valid in weak base calculations?
Weak bases show partial dissociation, so the change in concentration (x) is typically very small compared to the initial concentration. The approximation is valid when x is less than 5% of the initial concentration. For ammonia, x = 2 × 10⁻³ M is only 0.86% of 0.23 M, justifying the simplification and making calculations manageable.
Q7: What are common applications of weak bases like ammonia?
Ammonia is produced globally in quantities exceeding 100 metric tons annually. It serves as an agricultural fertilizer, a raw material for chemical synthesis of other compounds, and an active ingredient in household cleaners. Its partial dissociation in water and resulting hydroxide ion production make it valuable across industrial, agricultural, and consumer applications.