Equilibrio en disoluciones acuosas | Química General

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APUNTES QUÍMICA GENERAL Grado en Biotecnología Universidad Ramon Llull AprenAI 2026-2027 Aprende el equilibrio ácidobase en agua: constantes Ka, Kb y Kw, cálculo de Keq en neutralizaciones y resolución exacta con ácidos fuertes paso a paso.

APREN.AI Índice 1 Naturaleza del equilibrio dinámico y constantes ácidobase Concepto de equilibrio dinámico y cociente de reacción Ácidos y bases: clasificación y constantes características 2 Autoionización del agua, equilibrios conjugados y neutralización Producto iónico del agua y parejas conjugadas Reacciones de neutralización entre ácidos y bases no conjugadas 3 Disoluciones de ácidos fuertes y resolución analítica rigurosa Comportamiento del ácido fuerte en disolución Resolución analítica exacta mediante ecuación cuadrática 4 Formulario Equilibrio dinámico y cociente de reacción Constantes ácidobase y neutralización Sistemas neutros y ácidos fuertes Constantes y valores de referencia Errores típicos Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 1 1 Naturaleza del equilibrio dinámico y constantes ácidobase AL ACABAR SABRÁS Definir el concepto de equilibrio químico dinámico en disolución acuosa. Diferenciar electrolitos fuertes y débiles a partir de sus constantes asociadas. Calcular e interpretar el cociente de reacción frente a la constante de equilibrio. PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué las concentraciones de las sustancias no cambian en el equilibrio si las moléculas continúan reaccionando?

En disolución acuosa, las transformaciones químicas pueden completarse totalmente o evolucionar hasta un estado estacionario compartido. Si participa un ácido fuerte o una base fuerte, el reactivo se consume de forma íntegra. En cambio, cuando interactúan especies débiles, coexisten reactivos y productos al alcanzarse una situación de equilibrio. Concepto de equilibrio dinámico y cociente de reacción Al iniciar un proceso reversible ( ), únicamente se dispone de reactivos. Con el transcurso del tiempo, los reactivos se consumen mientras se generan los productos.

El equilibrio dinámico se alcanza cuando la velocidad de transformación directa coincide exactamente con la velocidad del proceso inverso. A nivel macroscópico, las concentraciones de todas las sustancias permanecen invariables una vez alcanzado este punto, mostrándose como rectas paralelas en una representación gráfica frente al tiempo. Para evaluar el estado del sistema en cualquier instante temporal, se define el cociente de reacción ( ): Este parámetro numérico cambia a lo largo del tiempo hasta que el sistema alcanza el equilibrio, instante en el cual adopta el valor de la constante de equilibrio ( ).

COMPRUEBA 2 ¿Por qué las concentraciones de reactivos y productos no varían una vez establecido el equilibrio dinámico? t = 0 Q c Q = c [Reactivos] ν j [Productos] ν i Q c K c Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 2 Ácidos y bases: clasificación y constantes características El comportamiento de los electrolitos en agua depende de su tendencia a ceder o captar protones. En disoluciones acuosas diluidas, el agua actúa como disolvente y su concentración permanece prácticamente invariable, englobándose dentro del valor de la constante.

Tipo de sustancia Comportamiento en agua Especie conjugada Parámetros de equilibrio Ácido fuerte (HCl, HBr, HI, HNO , H SO en su primer protón) Reacciona por completo generando iones oxonio ( ) Base conjugada muy débil , Base fuerte Reacciona al 100 % generando aniones hidróxido ( ) Ácido conjugado muy débil , Ácido débil Ionización muy limitada (apenas reacciona 1:100 o 1:1000) Base conjugada débil muy pequeña Base débil Reacción inversa predominante frente al agua Ácido conjugado débil muy pequeña DEFINICIÓN Las constantes de acidez (K_a) y basicidad (K_b) cuantifican la fuerza relativa de un ácido o base al relacionar en el equilibrio las concentraciones molares de las especies iónicas generadas respecto a la especie neutra original.

ERROR FRECUENTE Suponer que un ácido fuerte establece un equilibrio reversible. Un ácido fuerte posee una constante de acidez considerada infinita y se disocia de modo total, por lo que su concentración residual en el equilibrio es nula. COMPRUEBA 3 ¿Cuál es la naturaleza de la base conjugada formada a partir de un ácido débil?

PROCESO Evolución temporal hacia el equilibrio dinámico 1 Inicio (t = 0) Existen solo reactivos en la disolución 2 Avance de reacción Consumo de reactivos y au mento de productos 3 Equilibrio dinámico Velocidades iguales y concentra ciones constantes H O 3 + K a K = b 0 OH K b K = a 0 K a K b Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 3 IDEAS CLAVE Un equilibrio químico se produce de forma reversible únicamente cuando intervienen especies débiles. En el equilibrio dinámico las velocidades directa e inversa se igualan y las concentraciones no sufren cambios. Los ácidos y bases fuertes poseen constantes formalmente infinitas y reaccionan de manera completa.

El cociente de reacción evoluciona temporalmente hasta igualar a la constante de equilibrio . COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 4. ¿Qué ocurre con el valor de conforme un sistema cerrado evoluciona hacia el equilibrio? 5. ¿Cuáles son los ácidos fuertes comunes destacados en disolución acuosa? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 6. ¿Qué condición define a un equilibrio dinámico? 7. ¿Qué valor describe la constante de basicidad de una base fuerte? 8. ¿Qué proporción orientativa llega a reaccionar en un ácido débil? 9. ¿Cuál es la especie conjugada derivada de un ácido fuerte?

Q c K c Q c Anulación de la constante de equilibrio a) Igualdad de velocidades directa e inversa b) Igualdad de concentraciones de especies c) Consumo total de los reactivos d) Próxima a cero a) Exactamente uno b) Infinita c) Valor negativo d) Entre 1:100 y 1:1000 a) Ninguna molécula reacciona b) Exactamente la mitad c) Alrededor del 100 % d) Una base muy fuerte a) Una base muy débil b) Una sustancia neutra inerte c) Un ácido muy débil d) Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 4 2 Autoionización del agua, equilibrios conjugados y neutralización AL ACABAR SABRÁS Relacionar las concentraciones iónicas con el producto iónico del agua a distintas temperaturas.

Aplicar la ecuación Ka · Kb = Kw a parejas ácido-base conjugadas. Predecir la espontaneidad y sentido de una reacción de neutralización mediante el cálculo de Keq. PIÉNSALO ANTES DE LEER 10 ¿Por qué el agua pura a 60 °C tiene una concentración de H O mayor que a temperatura ambiente sin dejar de ser neutra? El agua posee la capacidad de actuar simultáneamente como dador y aceptor de protones. Este fenómeno de autoionización fundamenta las relaciones entre constantes ácidobase en disolventes acuosos.

Producto iónico del agua y parejas conjugadas Mediante el proceso de autoprotólisis, dos moléculas de agua reaccionan entre sí para producir oxonios e hidróxidos: Dado que la concentración del agua es mayoritaria y se toma constante ( ), se define el producto iónico del agua ( ): A una temperatura de , el valor experimental de este producto iónico es .

En un sistema neutro de agua pura, donde , se cumple: La constante varía sensiblemente con la temperatura: A : A : 2 H O 2 H O + 3 + OH [H O] = 2 55,5 M K w K = w [H O ][OH ] 3 + 25 C K = w 10 14 [H O ] = 3 + [OH ] = ω ω = = K w = 10 14 10 M 7 K w 0,1 C K = w 10 15 ω = [H O ] = 3 + [OH ] = 10 M 7,5 60 C K = w 10 13 ω = [H O ] = 3 + [OH ] = 10 M 6,5 Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 5 Tabla del balance de autoionización del agua líquida con concentración constante. Cuando coexisten un ácido y su base conjugada, intervienen tres equilibrios elementales: la ionización del ácido, la de la base conjugada y la autoionización del disolvente.

De este acoplamiento cíclico se deriva la relación fundamental: COMPRUEBA 11 ¿Cómo varía la concentración de iones oxonio en agua pura neutra si la temperatura sube a 60 °C? Reacciones de neutralización entre ácidos y bases no conjugadas Cuando un ácido reacciona con una base que no constituye su especie conjugada, tiene lugar una transferencia protónica directa sin implicación del agua como intermediario neto.

La constante de equilibrio de dicha reacción ( ) se calcula como el cociente entre la constante del ácido de partida y la del ácido conjugado formado en los productos: El valor de establece si la reacción es termodinámicamente favorable hacia los productos: Si K_{eq} > 1: la reacción progresa hacia la derecha, pues el ácido reactivo es más fuerte que el ácido producido. Si K_{eq} < 1: el proceso apenas progresa, siendo el ácido conjugado producto más fuerte que el inicial.

K a K = b K w K eq K = eq K a ( cido conjugado producto) a ˊ K a ( cido reactivo) a ˊ K eq Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 6 EJEMPLO Para la reacción entre el ácido acético y el amoníaco: Tomando y : En cambio, para la reacción inversa entre el ion acetato y el ion amonio, , por lo que el proceso no progresa de manera espontánea. ERROR FRECUENTE Invertir el cociente de constantes al determinar de neutralización. La constante del ácido reactivo siempre se coloca en el numerador y la del ácido generado en el denominador. COMPRUEBA 12 Si una reacción ácidobase arroja una Keq menor que 1, ¿cuál de los dos ácidos presentes es más fuerte?

CAUSAS Y CONSECUENCIAS Ácido reactivo más fuerte Ka del reactivo supera a la del ácido producto Equilibrio de transferencia protónica Keq mayor a 1 Cociente de constantes superior a la unidad Avance de la reacción Formación espontánea y predominante de productos IDEAS CLAVE El producto iónico del agua toma un valor de a 25 °C y aumenta con la temperatura. Para todo par conjugado en disolución acuosa se satisface estrictamente la igualdad . En un sistema neutro de agua pura se verifica . La constante de equilibrio de una neutralización no conjugada equivale al cociente .

CH COOH + 3 NH 3 CH COO + 3 NH 4 + K (CH COOH) a 3 10 5 K (NH ) a 4 + 10 9 K = eq = 10 9 10 5 10 > 4 1 (la reacci n progresa) o ˊ K = eq 10 /10 = 9 5 10 < 4 1 K eq K = w [H O ][OH ] 3 + 10 14 K a K = b K w [H O ] = 3 + [OH ] = K w K ( cido reactivo)/K ( cido producto) a a ˊ a a ˊ Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 7 COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 13. ¿Cuál es la expresión que vincula las constantes de acidez y basicidad de una pareja conjugada? 14. ¿Qué criterio termodinámico indica que una neutralización ácidobase progresa hacia los productos? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 15. ¿Cuál es el valor numérico de Kw a 25 °C? 16.

En agua pura a 0,1 °C con Kw = 10 ¹ , ¿cuál es la concentración de oxonios? 17. ¿Cómo se calcula la Keq de una reacción entre ácido y base no conjugados? 18. ¿Qué indica un valor de Keq = 10 en una transferencia protónica? 3 Disoluciones de ácidos fuertes y resolución analítica rigurosa AL ACABAR SABRÁS Identificar las contribuciones simultáneas de soluto y disolvente a las especies iónicas en medio acuoso. Plantear el balance de materia y carga exacto para un ácido fuerte en agua. Resolver analíticamente la ecuación cuadrática asociada al cálculo de concentraciones en disolución.

55,5 a) 10 ¹³ b) 10 ¹ c) 10 d) 10 M a) 10 ' M b) 10 ' M c) 10 ¹ M d) Ka(reactivo) / Ka(producto) a) Ka(producto) / Ka(reactivo) b) Ka(reactivo) · Ka(producto) c) Kw / (Ka · Kb) d) El proceso no progresa a) El sistema es puramente neutro b) La reacción progresa hacia productos c) El ácido producto es más fuerte d) Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 8 PIÉNSALO ANTES DE LEER 19 ¿Por qué no basta con sumar 10 M a la concentración del ácido fuerte para calcular los oxonios totales? El análisis de una disolución acuosa requiere contabilizar todas las fuentes simultáneas de partículas iónicas en disolución.

En un medio neutro constituido exclusivamente por disolvente, la igualdad de oxonios e hidróxidos mantiene el sistema compensado. Esquema del agua pura como disolvente mayoritario con comportamiento anfótero. Comportamiento del ácido fuerte en disolución Al introducir un ácido fuerte monoprótico como el ácido clorhídrico (HCl) a concentración inicial (por ejemplo, ), la concentración de oxonios pasa a superar notablemente a la de hidróxidos, originando un sistema descompensado. C 0 10 M 1 Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 9 Diagrama de adición de ácido fuerte clorhídrico en disolución acuosa.

En este medio intervienen simultáneamente dos transformaciones químicas: La concentración global de oxonios presentes procede de ambas fuentes concurrentes: COMPRUEBA 20 ¿De qué dos vías proceden los iones oxonio en una disolución acuosa de HCl? Resolución analítica exacta mediante ecuación cuadrática Para determinar las concentraciones exactas sin recurrir a hipótesis simplificativas previas, se sustituyen las concentraciones totales en la ley de acción de masas del agua: Ionización total del ácido: proceso cuantitativo irreversible con constante infinita ( ): Al término de la reacción, la concentración de reactivo es nula ( ) y aporta una concentración tanto de como de .

1 K a HCl + H O 2 Cl + H O 3 + [HCl] = 0 C 0 Cl H O 3 + Autoionización del disolvente: proceso reversible sujeto al equilibrio térmico ( ): Aporta una cantidad incógnita de iones y una cantidad idéntica de iones . 2 K w 2 H O 2 OH + H O 3 + ω OH ω H O 3 + [H O ] = 3 + C + 0 ω y [OH ] = ω Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 10 Reordenando términos se obtiene una ecuación de segundo grado con incógnita : Aplicando la fórmula resolutiva general: Dado que la concentración corresponde a una magnitud física estrictamente positiva, se selecciona la raíz con signo positivo.

Cuando es significativamente superior a , la contribución del disolvente resulta despreciable ( ), adaptándose la concentración de hidróxidos para mantener inalterado el valor de . ERROR FRECUENTE Olvidar que los iones del ácido actúan sobre la autoionización del agua desplazándola, por lo que nunca se deben sumar los del agua neutra de forma directa al valor de . COMPRUEBA 21 ¿Por qué se descarta la raíz con signo negativo al despejar la incógnita ω? ESQUEMA Fuentes de iones oxonio en disolución de ácido fuerte IDEAS CLAVE Un ácido fuerte se disocia completamente en agua, de modo que su concentración molecular en disolución pasa a ser nula.

Los iones oxonio derivan de dos aportes: la disociación completa del ácido fuerte ( ) y la ionización del disolvente ( ). El balance riguroso conduce a la ecuación cuadrática . El disolvente reajusta su concentración de para garantizar el cumplimiento estricto del producto iónico .

K = w [H O ][OH ] = 3 + (C + 0 ω) ω = C ω + 0 ω2 ω ω + 2 C ω 0 K = w 0 ω = = 2 C ± 0 C 4(1)( K ) 0 2 w 2 C + 0 C + 4K 0 2 w ω C 0 K w ω 0 K w H O 3 + 10 M 7 C 0 Ion oxonio total Concentración C + ω Ácido fuerte (HCl) Disociación total irreversible (C ) Autoionización del agua Aporte en equilibrio reversible (ω) C 0 ω ω + 2 C ω 0 K = w 0 [OH ] K w Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 11 COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 22. ¿Cuál es la ecuación algebraica exacta que permite obtener la concentración de iones hidróxido en presencia de un ácido fuerte de concentración ? 23. ¿Por qué un sistema que contiene un ácido fuerte se califica como descompensado?

Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 24. ¿Cuál es la concentración final de ácido fuerte no disociado tras alcanzar el estado final? 25. ¿Cuál es la expresión de la concentración total de H O en la disolución de un ácido fuerte? 26. ¿Qué ecuación cuadrática modela de forma rigurosa la disolución del ácido fuerte? 27. ¿Qué papel desempeña el agua cuando se disuelve en ella una especie ácida? 4 Formulario Equilibrio dinámico y cociente de reacción Fórmula o procedimiento Significado de los símbolos Cuándo se usa : cociente de reacción; : concentraciones en cualquier instante; : coeficientes estequiométricos.

Determinar si una mezcla en disolución se encuentra en equilibrio o hacia dónde evolucionará. Evolución temporal : constante de equilibrio; velocidades directa e inversa igualadas. Predecir el estado estacionario final a partir de las condiciones iniciales. C 0 Cero a) Igual a C b) Equivalente a Kw c) La mitad de C d) C · ω a) C b) ω c) C + ω d) ω² - Kw = 0 a) ω² + C ω - Kw = 0 b) ω² + Kw ω - C = 0 c) ω² - C ω + Kw = 0 d) Se ioniza en su totalidad a) Actúa como disolvente y base aceptora b) Impide el cumplimiento de Kw c) Actúa únicamente como soluto inerte d) Q = c [Reactivos] ν j [Productos] ν i Q c […

] ν Q c Kc K c Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 12 Constantes ácidobase y neutralización Fórmula o procedimiento Significado de los símbolos Cuándo se usa : acidez del ácido; : basicidad de la base conjugada; : producto iónico del agua. Relacionar pares conjugados en cualquier disolución acuosa. : constante de equilibrio de neutralización. Evaluar si una transferencia protónica no conjugada es favorable ( progresa; no progresa). Sistemas neutros y ácidos fuertes Fórmula o procedimiento Significado de los símbolos Cuándo se usa : producto iónico del disolvente; concentraciones iónicas iguales. Calcular la concentración de especies en agua pura (sistema compensado).

Plantear disociación total de ácido fuerte balance del agua: : concentración analítica del ácido fuerte; : aporte de la autoprotólisis. Resolución analítica rigurosa de ácidos fuertes en agua sin aproximaciones simplificativas. Constantes y valores de referencia (se considera constante en disolución diluida). . . . Ácidos y bases fuertes: constante formalmente infinita ( ) y constante de la especie conjugada nula ( ). Errores típicos Sumar directamente al ácido fuerte: la presencia de reprime el equilibrio del agua, por lo que el aporte del disolvente ( ) es estrictamente menor a .

Invertir los términos en de neutralización: el ácido de partida siempre se ubica en el numerador y el generado en el denominador. K a K = b K w K a K b K w K = eq K a ( cido producto) a ˊ K a ( cido reactivo) a ˊ K eq K > eq 1 K < eq 1 [H O ] = 3 + [OH ] = K w K w ω + 2 C ω 0 K = w 0 ω = 2 C + 0 C +4K 0 2 w [H O ] = 3 + C + 0 ω C 0 ω = [OH ] [H O] 2 55,5 M K (25 C) = w 10 14 [H O ] = 3 + [OH ] = 10 M 7 K (0,1 C) = w 10 15 [H O ] = 3 + [OH ] = 10 M 7,5 K (60 C) = w 10 13 [H O ] = 3 + [OH ] = 10 M 6,5 K K = 0 10 M 7 C 0 ω K w K eq Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 13 Soluciones de las preguntas de repaso 1.

Porque las velocidades a las que se forman y se destruyen son exactamente iguales en ambos sentidos. 2. Porque la velocidad a la que los reactivos se convierten en productos iguala a la velocidad con la que los productos regeneran los reactivos. 3. Es una base débil con un valor reducido de constante de basicidad. 4. El cociente de reacción varía con el tiempo hasta alcanzar el valor constante en el equilibrio. 5. El ácido clorhídrico (HCl), bromhídrico (HBr), yodhídrico (HI), nítrico (HNO ) y la primera desprotonación del sulfúrico (H SO ). 6. b) Igualdad de velocidades directa e inversa. El equilibrio dinámico se alcanza cuando los procesos directo e inverso suceden con la misma velocidad.

7. c) Infinita. Una base fuerte reacciona en su totalidad con el agua, por lo que su constante Kb se considera infinita. 8. a) Entre 1:100 y 1:1000. Los electrolitos débiles presentan una reactividad muy reducida en agua, típicamente del orden de 1:100 a 1:1000. 9. b) Una base muy débil. A la fortaleza elevada de un ácido le corresponde una base conjugada extremadamente débil (Kb 0). 10. Porque el valor de Kw aumenta con la temperatura y genera simultáneamente igual cantidad de OH que de H O . 11. Aumenta hasta 10 ' M debido al incremento del valor de Kw con la temperatura. 12. El ácido conjugado situado en los productos, impidiendo el avance neto de la reacción hacia la derecha. 13.

La relación matemática es . 14. Que la constante calculada sea mayor que la unidad ( ), lo que ocurre cuando el ácido reactivo supera en fuerza al ácido producto. 15. c) 10 ¹ . A 25 °C el producto iónico del agua pura Kw es exactamente 10 ¹ . 16. c) 10 ' M. Al ser un medio neutro, [H O ] = (Kw) = (10 ¹ ) = 10 ' M. 17. a) Ka(reactivo) / Ka(producto). La constante de equilibrio corresponde al cociente entre la Ka del ácido reactivo y la Ka del ácido producto. 18. c) La reacción progresa hacia productos. Al ser Keq > 1, el ácido de partida es más fuerte y la reacción se desplaza favorablemente a los productos. 19.

Porque los iones oxonio aportados por el ácido reprimen el equilibrio del agua, reduciendo su aporte por debajo de 10 M. 20. De la ionización cuantitativa del HCl disuelto y de la autoprotólisis intrínseca del agua. 21. Porque ω representa la concentración molar de iones hidróxido, una magnitud física que no puede adoptar valores negativos. 22. La ecuación cuadrática resultante es , donde . 23. Porque la concentración de iones oxonio generada supera a la concentración de aniones hidróxido. K c K a K = b K w K > eq 1 ω + 2 C ω 0 K = w 0 ω = [OH ] Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 14 24. a) Cero.

Al poseer una constante formalmente infinita, el ácido fuerte se transforma en productos en su totalidad. 25. d) C + ω. La concentración global de oxonios suma la contribución directa del ácido (C ) y la del disolvente (ω). 26. b) ω² + C ω - Kw = 0. Al sustituir [H O ] = C + ω y [OH ] = ω en Kw = [H O ][OH ] se llega a ω² + C ω - Kw = 0. 27. b) Actúa como disolvente y base aceptora. El agua actúa como disolvente mayoritario y aceptor de protones frente a la especie ácida. Equilibrio en disoluciones acuosas " Química General 15