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Supuesto 35

Comunitat Valenciana 2025 ·

Enunciado

Calcular el pH resultante de agregar 2 mL de HCl 0,1 M a 500 mL de una disolución 2 M de bicarbonato sódico en agua, sabiendo que el pKa del ácido carbónico es 6,4 mientras que el pKa del ion bicarbonato es 10,3.

Solución

Las cantidades en juego son n(NaHCOX3)=0,500⋅2=1,0 moln(\ce{NaHCO3}) = 0{,}500\cdot 2 = 1{,}0\ \mathrm{mol} y n(HCl)=0,002⋅0,1=2⋅10−4 moln(\ce{HCl}) = 0{,}002\cdot 0{,}1 = 2\cdot 10^{-4}\ \mathrm{mol}. El ácido fuerte protona al bicarbonato, HCOX3X−+HX+→HX2COX3\ce{HCO3- + H+ -> H2CO3}, formando 2⋅10−42\cdot 10^{-4} mol de HX2COX3\ce{H2CO3} y dejando 0,9998 mol0{,}9998\ \mathrm{mol} de HCOX3X−\ce{HCO3-}.

La trampa del problema. La tentación es aplicar directamente Henderson-Hasselbalch con esas cantidades:

pH=?pKa1+log⁡[HCOX3X−][HX2COX3]=6,4+log⁡0,99980,0002=6,4+3,70=10,1\mathrm{pH} \overset{?}{=} pK_{a1} + \log\frac{[\ce{HCO3-}]}{[\ce{H2CO3}]} = 6{,}4 + \log\frac{0{,}9998}{0{,}0002} = 6{,}4 + 3{,}70 = 10{,}1

Este resultado es imposible: hemos añadido un ácido y el pH saldría más básico que el de la disolución de partida. El error está en olvidar que el bicarbonato es una especie anfótera y que la disolución 2 M ya contiene HX2COX3\ce{H2CO3} generado por su propia dispersión 2 HCOX3X−⇌HX2COX3+COX3X2−\ce{2 HCO3- <=> H2CO3 + CO3^2-}.

Punto de partida correcto. El pH de una sal anfótera es prácticamente independiente de la concentración:

pH0≈pKa1+pKa22=6,4+10,32=8,35\mathrm{pH}_0 \approx \frac{pK_{a1} + pK_{a2}}{2} = \frac{6{,}4 + 10{,}3}{2} = 8{,}35

A ese pH, la cantidad de HX2COX3\ce{H2CO3} ya presente es

[HX2COX3][HCOX3X−]=[HX+]Ka1=10−8,3510−6,4=10−1,95=0,011\frac{[\ce{H2CO3}]}{[\ce{HCO3-}]} = \frac{[\ce{H+}]}{K_{a1}} = \frac{10^{-8{,}35}}{10^{-6{,}4}} = 10^{-1{,}95} = 0{,}011

es decir [HX2COX3]≈0,011⋅2≈0,022 M[\ce{H2CO3}] \approx 0{,}011\cdot 2 \approx 0{,}022\ \mathrm{M}, que en 0,5 L son unos 0,011 mol0{,}011\ \mathrm{mol} de HX2COX3\ce{H2CO3}: más de cincuenta veces los 2⋅10−4 mol2\cdot 10^{-4}\ \mathrm{mol} que aporta el HCl.

Conclusión. Añadir 2⋅10−42\cdot 10^{-4} mol de ácido fuerte a un litro-equivalente de tampón con capacidad de ~1 mol es una perturbación despreciable. Resolviendo el balance completo (protónico, de masa y de carga) el pH pasa de 8,346 a 8,346: el pH permanece en 8,35. El valor de la pregunta es, esencialmente, el de la disolución anfótera de bicarbonato, y el mensaje didáctico es que hay que comparar siempre la cantidad de ácido añadido con la capacidad del tampón antes de aplicar Henderson-Hasselbalch.

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