Àcids i bases: exercicis de selectivitat de Química (Catalunya)

L'acetat de sodi o etanoat de sodi (CH₃COONa) és un dels conservants alimentaris (etiquetat com a E 262) més utilitzats, ja que serveix per a regular l'acidesa, potenciar el sabor i allargar la vida útil dels aliments. Per aquests motius, és comú trobar-lo com a additiu en diverses salses culinàries. La determinació de la seva concentració en aquestes salses es pot dur a terme de manera directa mitjançant una valoració àcid-base. La figura del 3.2 mostra un espectre d'absorbància d'infraroig (IR) (transmitància en funció del nombre d'ona, de 4 000 a 400 cm⁻¹) amb tres pics marcats: 3 024 cm⁻¹ (banda ampla), 1 714 cm⁻¹ (pic molt intens) i 1 294 cm⁻¹. Dades: Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(O) = 8. Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0; Na = 23,0; Cl = 35,5. Constant d'acidesa de l'àcid acètic a 25 °C: Ka(CH₃COOH) = 1,78 × 10⁻⁵. Velocitat de la llum en el buit: c = 3,0 × 10⁸ m s⁻¹. Constant de Planck: h = 6,63 × 10⁻³⁴ J s. 1 nm = 10⁻⁹ m. Dades espectrals de l'IR: C–H 3 000–2 850 cm⁻¹; O–H (àcid carboxílic) 3 550–2 500 cm⁻¹; C=O (àcid carboxílic) 1 800–1 650 cm⁻¹; C=O (carboxilat, grup àcid desprotonat) 1 610–1 550 cm⁻¹.

Responeu només a DOS dels quatre apartats que es plantegen (4.1, 4.2, 4.3 i 4.4). L'ús de fertilitzants químics és una pràctica habitual en l'agricultura moderna per a augmentar el rendiment dels conreus. Un dels més utilitzats és el nitrat d'amoni (NH₄NO₃), que aporta nitrogen en dues formes que les plantes poden assimilar: l'ió amoni (NH₄⁺) i l'ió nitrat (NO₃⁻). Aquest compost és molt soluble en aigua i, en dissoldre's, pot modificar el pH del sòl, i per tant, afectar la disponibilitat dels nutrients minerals. Quan es dissol en aigua, el nitrat d'amoni es dissocia completament: NH₄NO₃(s) → NH₄⁺(aq) + NO₃⁻(aq). I l'ió amoni format es comporta com un àcid feble segons l'equilibri: NH₄⁺(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₃(aq) + H₃O⁺(aq), Ka = 5,62 × 10⁻¹⁰ a 25 °C. En els sòls agrícoles, el pH influeix fortament en la disponibilitat dels nutrients. Amb valors de pH baixos, els ions Fe²⁺ i Mn²⁺ es tornen més solubles, però el fòsfor (en forma de PO₄³⁻) queda retingut i esdevé menys accessible per a les plantes. D'altra banda, amb valors de pH alts passa el contrari: el ferro es torna insoluble i menys accessible per a les plantes, mentre que el fòsfor es troba més disponible. Dades: Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(O) = 8. Masses atòmiques relatives: H = 1,0; N = 14,0; O = 16,0. Constant d'ionització de l'aigua a 25 °C: Kw = 1,0 × 10⁻¹⁴. Constant de Faraday: F = 96 500 C mol⁻¹. 1 A = 1 C s⁻¹.

Responeu només a DOS dels quatre apartats que es plantegen (4.1, 4.2, 4.3 i 4.4). Si mirem les etiquetes de diferents sucs de taronja comercials, observem que estan elaborats amb suc de taronja concentrat, aigua, vitamines com la vitamina C —que hi aporta propietats antioxidants— i àcid cítric —que s'hi afegeix com a acidulant. Aquest darrer àcid hi aporta el gust àcid característic i ajuda a conservar el producte, ja que alenteix el creixement microbià en reduir el pH. Per aquest motiu, els sucs de taronja comercials han de tenir un pH entre 3,3 i 4,0. Les figures mostren la vitamina C (C₆H₈O₆: una lactona d'anell de cinc membres amb un doble enllaç, grups hidroxil i una cadena lateral CH(OH)CH₂OH) i l'àcid cítric (C₅H₇O₅–COOH: tres grups àcid carboxílic i un alcohol terciari), l'espectre de masses de l'apartat 4.3 (intensitat relativa en funció de m/z: pic de 100 % a m/z = 116, pic de ≈ 28 % a 43, ≈ 18 % a 61 i a 85, ≈ 14 % a 119 i pic de ≈ 10 % a m/z = 176, el de més gran m/z), i l'estructura del PET (poliester amb anell aromàtic i unitats —O—CH₂CH₂—O— repetides) i del HDPE (—CH₂—CH₂—)n. Dades: Nombres atòmics: Z(H) = 1; Z(C) = 6; Z(O) = 8. Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0.

L'àcid metanoic (HCOOH), anomenat habitualment àcid fòrmic, és un àcid carboxílic monopròtic d'un sol àtom de carboni i té una constant d'acidesa (Ka) a 25 °C d'1,77 × 10⁻⁴. Va ser aïllat i identificat per primera vegada en la destil·lació aquosa de formigues vermelles. Es troba present en el mecanisme de defensa de diversos insectes i plantes. Dades: indicadors (interval de pH; canvi de color àcid → alcalí): verd de bromocresol (3,8-5,4; groc → verd blavós); blau de bromotimol (6,0-7,6; groc → blau); fenolftaleïna (8,0-9,5; incolor → fúcsia).

L'àcid salicílic o àcid 2-hidroxibenzoic (C₆H₄OHCOOH) és un àcid orgànic monopròtic present a l'escorça del salze. A les farmàcies s'utilitza per a preparar cremes per les seves propietats exfoliants i hidratants. Perquè l'exfoliació sigui efectiva la crema ha de tenir un pH entre 3,0 i 4,0. En una farmàcia estan fent una crema receptada per un dermatòleg en la qual hi ha 0,1 grams d'aquest àcid per cada 100 grams de crema. L'envàs de l'àcid salicílic se subministra etiquetat amb els pictogrames de la figura 1 (pictogrames 1, 2 i 3). La figura 2 mostra tres corbes de valoració (gràfic A, B i C) de pH en funció del volum (mL): el gràfic A comença a pH molt àcid (≈1) i té el punt d'equivalència a ≈ 25 mL amb salt cap a pH ≈ 12-13; el gràfic B comença a pH ≈ 3 i té el punt d'equivalència a ≈ 22-25 mL a pH > 7; el gràfic C comença a pH bàsic (≈ 13) i baixa fins a pH ≈ 1. Dades: Densitat de la crema: 1 g mL⁻¹. Massa molar de l'àcid salicílic (C₆H₄OHCOOH) = 138,12 g mol⁻¹. Constant d'acidesa de l'àcid salicílic, a 25 °C: Ka (C₆H₄OHCOOH) = 1,07 × 10⁻³.

L'amoníac és una base feble que s'utilitza com a principi actiu de productes farmacèutics indicats per a l'alleujament local simptomàtic de la picor produïda per picades d'insectes. Actua modificant el pH i d'aquesta manera neutralitza la toxina introduïda per l'insecte. Per a determinar el contingut d'amoníac d'un producte farmacèutic que tracta les picades de mosquit, es fa una valoració de 5,0 mL del producte diluït en aigua amb àcid clorhídric 0,1 M i es gasten 10,0 mL. Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; N = 14,0.

L'àcid làctic (CH₃—CH(OH)—COOH) o àcid 2-hidroxipropanoic és un sòlid de color blanc. Es tracta d'un àcid orgànic monopròtic que es troba a la llet i als productes làctics. La seva constant d'acidesa a 25 °C és Ka = 1,38 × 10⁻⁴. Canvi de color d'un paper indicador universal en funció del pH: vermell (pH 0-3); groc (4-5); verd (6-7); blau (8-10); blau molt fosc (11-14). Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0.

L'àcid glucònic (HOCH₂(CHOH)₄COOH) és un àcid orgànic monopròtic que s'utilitza com a additiu alimentari (E 574) per a corregir l'acidesa. El control del pH dels aliments també té un efecte com a conservant, ja que quan el pH d'un aliment és inferior a 4,5 es pot evitar el creixement de bacteris nocius per a la salut de les persones. [Figura: fórmula química de l'àcid glucònic, cadena de sis carbonis HOCH₂–CH(OH)–CH(OH)–CH(OH)–CH(OH)–COOH, amb la representació estereoquímica dels grups OH.] Dades: Massa molar de l'àcid glucònic (HOCH₂(CHOH)₄COOH) = 196,16 g mol⁻¹. Constant d'acidesa de l'àcid glucònic a 25 °C: Ka (HOCH₂(CHOH)₄COOH) = 1,48 × 10⁻⁴.

Arran de la pandèmia provocada pel coronavirus SARS-CoV-2, a mitjans de març de 2020 l'Agència Catalana de Seguretat Alimentària va publicar al seu web un conjunt de recomanacions de neteja i desinfecció d'instal·lacions d'empreses alimentàries per a la prevenció d'aquest virus. L'Agència va recomanar l'ús, com a desinfectant, d'una solució d'hipoclorit de sodi (NaClO) al 0,1 % en massa, després de la neteja amb un detergent neutre. Dades: Massa molar de l'hipoclorit de sodi (NaClO) = 74,5 g mol⁻¹. Constant d'acidesa de l'àcid hipoclorós (HClO) a 25 °C: Ka = 3,2 × 10⁻⁸. Constant d'ionització de l'aigua a 25 °C: Kw = 1,0 × 10⁻¹⁴. Constant de Faraday: F = 9,65 × 10⁴ C mol⁻¹.

En la figura adjunta es mostren dues gràfiques (A i B) corresponents a dues corbes de valoració de dos àcids diferents amb hidròxid de sodi (NaOH). Una corba correspon a la valoració d'àcid clorhídric i l'altra corba a la valoració d'àcid acètic (CH₃COOH), un àcid carboxílic monopròtic dèbil, anomenat també àcid etanoic. Considereu que en ambdós casos s'ha valorat el mateix volum d'àcid de la mateixa concentració. [Figura: pH en funció del volum de NaOH (0–25 mL). Corba A: comença a pH ≈ 3,4, puja lentament fins a pH ≈ 6,5 a 14 mL, salt fins a pH ≈ 11 entre 14 i 15 mL i acaba a pH ≈ 12,3. Corba B: comença a pH ≈ 2, es manté gairebé plana fins a pH ≈ 3,3 a 14 mL, salt fins a pH ≈ 10 a 15 mL i acaba a pH ≈ 11,7.] Indicadors (interval de pH; color àcid → alcalí): ataronjat de metil 3,1-4,4 (vermell → groc); verd de bromocresol 3,8-5,4 (groc → verd blavós); blau de bromotimol 6,0-7,6 (groc → blau); fenolftaleïna 8,0-9,5 (incolor → fúcsia); nitramina 11,0-13,0 (incolor → marró ataronjat).

L'àcid hipoclorós (HClO) es considera un dels desinfectants més potents i és utilitzat en centres sanitaris amb la voluntat d'extremar les mesures de desinfecció de les seves instal·lacions arran de la covid-19. Sovint aquest àcid feble s'utilitza com a desinfectant en solucions de concentració 0,05 M. Dades: Masses atòmiques relatives: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0.