Química

Soluciones y pH

Lo esencial

Disolución: mezcla homogénea de un soluto (lo que se disuelve) en un disolvente (lo que disuelve, casi siempre agua).
Concentración: porcentaje en masa o volumen, partes por millón y molaridad.
Dilución: al agregar disolvente, los moles de soluto no cambian: $C_1V_1 = C_2V_2$ .
Ácidos y bases según Arrhenius y Brønsted-Lowry.
pH: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$ ; ácido < 7, neutro = 7, básico > 7 (a 25 °C).

Disoluciones y concentración

Según cuánto soluto contienen, las disoluciones son diluidas, concentradas, saturadas (ya no admiten más soluto a esa temperatura) o sobresaturadas (inestables, con más soluto del que admitirían). La solubilidad de la mayoría de los sólidos aumenta con la temperatura; la de los gases disminuye (por eso un refresco caliente pierde gas).

Expresión	Fórmula
Porcentaje masa/masa	$\%\,m/m = \frac{m_{\text{soluto}}}{m_{\text{disolución}}} \times 100$
Porcentaje masa/volumen	$\%\,m/v = \frac{m_{\text{soluto}}\,(\text{g})}{V_{\text{disolución}}\,(\text{mL})} \times 100$
Partes por millón	$\text{ppm} = \frac{\text{mg de soluto}}{\text{L de disolución}}$ (en disoluciones acuosas diluidas)
Molaridad	$M = \frac{\text{moles de soluto}}{\text{litros de disolución}}$

Ojo: la masa de la disolución es soluto más disolvente. Si disuelves 10 g de sal en 90 g de agua, tienes 100 g de disolución al 10% m/m.

Dilución:

$C_1V_1 = C_2V_2$

Por ejemplo, para preparar 500 mL de HCl 0.2 M a partir de HCl 2 M necesitas $V_1 = \frac{0.2 \times 500}{2} = 50$ mL del ácido concentrado, completando con agua hasta 500 mL.

Ácidos y bases

	Ácido	Base
Arrhenius	libera $\text{H}^+$ en agua	libera $\text{OH}^-$ en agua
Brønsted-Lowry	dona protones ( $\text{H}^+$ )	acepta protones
Propiedades	sabor agrio, enrojece el papel tornasol azul, reacciona con metales activos liberando $\text{H}_2$	sabor amargo, sensación jabonosa, azulea el tornasol rojo
Ejemplos	HCl, $\text{H}_2\text{SO}_4$ , $\text{HNO}_3$ , ácido acético	NaOH, KOH, $\text{Ca(OH)}_2$ , $\text{NH}_3$

Los ácidos y bases fuertes se disocian casi por completo en agua (HCl, NaOH); los débiles solo parcialmente (ácido acético del vinagre, amoniaco).

En la teoría de Brønsted-Lowry, cuando un ácido dona un protón se convierte en su base conjugada: en $\text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \to \text{Cl}^- + \text{H}_3\text{O}^+$ , el $\text{Cl}^-$ es la base conjugada del HCl.

La escala de pH

$\text{pH} = -\log[\text{H}^+], \qquad \text{pOH} = -\log[\text{OH}^-], \qquad \text{pH} + \text{pOH} = 14 \ (25\,^\circ\text{C})$

Cada unidad de pH representa un factor de 10 en la concentración de $\text{H}^+$ : una disolución de pH 3 es diez veces más ácida que una de pH 4 y cien veces más que una de pH 5.

Sustancia (aproximado)	pH
Jugo gástrico	1–2
Jugo de limón, vinagre	2–3
Agua pura	7
Sangre	7.35–7.45
Bicarbonato de sodio en agua	~8.5
Limpiador con amoniaco	~11

Los indicadores cambian de color según el pH: la fenolftaleína es incolora en medio ácido y rosa en medio básico; el papel tornasol se pone rojo con ácidos y azul con bases.

Neutralización: ácido + base → sal + agua. En el punto de equivalencia de un ácido fuerte con una base fuerte, el pH es 7.

Ejemplo resuelto

1. Se disuelven 20 g de NaOH (masa molar 40 g/mol) en agua hasta completar 500 mL de disolución. ¿Cuál es su molaridad?

a) 0.04 M b) 0.5 M c) 1 M d) 40 M

Solución.

Moles: $n = \frac{20}{40} = 0.5$ mol.
Volumen en litros: $500 \text{ mL} = 0.5$ L.
$M = \frac{0.5}{0.5} = 1$ M.

Respuesta: c. La opción a resulta de no convertir los mililitros a litros ( $20/500$ ).

2. ¿Cuál es el pH de una disolución de HCl 0.001 M?

a) 1 b) 3 c) 11 d) 0.001

Solución.

El HCl es un ácido fuerte: $[\text{H}^+] = 0.001 = 10^{-3}$ M.
$\text{pH} = -\log(10^{-3}) = 3$ .

Respuesta: b. La opción c es el pOH ( $14 - 3 = 11$ ).

Errores comunes

Dividir entre los mililitros en lugar de los litros al calcular molaridad.
Usar la masa del disolvente en lugar de la de la disolución en el % m/m.
Pensar que pH 4 es "un poco" más ácido que pH 5; es diez veces más ácido.
Confundir "fuerte" con "concentrado": un ácido débil puede estar muy concentrado.
Creer que la solubilidad de los gases aumenta con la temperatura.

Para recordar

$M$ = moles de soluto / litros de disolución.
Dilución: $C_1V_1 = C_2V_2$ .
$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$ y $\text{pH} + \text{pOH} = 14$ .
Ácido < 7 < básico; cada unidad es un factor de 10.

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