Equilibrio en soluciones
El fluorhídrico es un ácido débil y es el reactivo más peligroso de un laboratorio de electrónica. Esas dos cosas no se contradicen: la fuerza de un ácido mide su equilibrio de disociación, no su toxicidad.
01El agua se ioniza a sí misma
Dos moléculas de agua intercambian un protón, y de ese equilibrio sale todo el resto. Su constante es chica pero no nula, y eso alcanza para fijar la escala en la que se mide la acidez:
Y de ahí sale también el límite de resistividad del agua ultrapura que apareció en la unidad de soluciones: esos 10⁻⁷ moles por litro de cada ion son los que ponen el piso de 18,2 MΩ·cm. No hay purificación que los saque, porque los fabrica el agua misma.
\( K_w \) crece con la temperatura: a 60 °C vale \( 9{,}6\times10^{-14} \) y el agua pura tiene pH 6,5. Sigue siendo neutra —hay tantos protones como oxhidrilos— pero el número ya no es 7. Neutro significa \( [\mathrm{H^+}] = [\mathrm{OH^-}] \), no «pH igual a siete».
02Fuertes, débiles y la constante que los separa
Un ácido fuerte se disocia por completo; uno débil llega a un equilibrio, y cuánto se disocia lo dice su \( K_a \). La escala se maneja mejor en logaritmos:
| Ácido | \( K_a \) | \( \mathrm{p}K_a \) | En electrónica |
|---|---|---|---|
| Clorhídrico, HCl | Fuerte | — | Limpieza de óxidos metálicos, decapado |
| Fluorhídrico, HF | \( 6{,}8\times10^{-4} \) | 3,17 | El único que ataca al SiO₂; débil, y sin embargo peligrosísimo |
| Acético | \( 1{,}8\times10^{-5} \) | 4,74 | Mezclas de ataque del aluminio |
| Ion amonio, NH₄⁺ | \( 5{,}6\times10^{-10} \) | 9,25 | El par del amoníaco en el BOE |
El fluorhídrico es un ácido débil y es el reactivo más peligroso de un laboratorio de electrónica. Justamente por ser débil circula sin disociar, atraviesa la piel sin dar aviso —al principio casi no duele— y ya adentro el fluoruro se une al calcio de los huesos. Una salpicadura en una superficie chica puede ser mortal. La fuerza de un ácido mide su equilibrio de disociación, no su toxicidad.
03Titulación y soluciones reguladoras
Agregar base a un ácido de a poco y seguir el pH dibuja una curva con tres regiones: una meseta al principio —la zona reguladora, donde el pH casi no se mueve—, un salto brusco en el punto de equivalencia y otra meseta al final. En una solución reguladora el pH lo fija la ecuación de Henderson-Hasselbalch:
25 mL de ácido 0,1 M titulados con hidróxido de sodio 0,1 M. El pH no sale de una fórmula aproximada: se resuelve el balance de cargas exacto para cada punto. Compará el salto del clorhídrico con el del amonio.
El buffered oxide etch —fluorhídrico con fluoruro de amonio— es el ataque estándar del óxido de silicio. El fluoruro de amonio es la base conjugada del HF, así que la mezcla es exactamente un par regulador: mantiene constante la concentración de la especie que ataca a medida que se consume, y por eso la velocidad de ataque no se va cayendo durante el proceso. Un HF sin regular ataca cada vez más despacio y el espesor removido deja de ser predecible.
04Producto de solubilidad
Una sal poco soluble en contacto con su solución saturada también está en equilibrio, y su constante se llama producto de solubilidad:
Comparar el producto de las concentraciones con \( K_{ps} \) dice si va a precipitar o no, igual que \( Q \) contra \( K \). Y de ahí sale el efecto del ion común: agregar uno de los dos iones reduce la solubilidad del otro, que es el principio con el que se purifican sales por recristalización.
| Sal | \( K_{ps} \) | Dónde aparece |
|---|---|---|
| AgCl | \( 1{,}8\times10^{-10} \) | Electrodos de referencia Ag/AgCl |
| CaF₂ | \( 3{,}9\times10^{-11} \) | Lo que se forma al neutralizar residuos de HF con cal |
| Cu(OH)₂ | \( 2{,}2\times10^{-20} \) | Tratamiento de efluentes de electrodepósito |
| PbSO₄ | \( 1{,}8\times10^{-8} \) | Lo que se deposita en las placas de una batería descargada |
La segunda fila es el procedimiento de seguridad frente a un derrame de fluorhídrico: se lo neutraliza con carbonato o hidróxido de calcio, y el fluoruro precipita como fluoruro de calcio, que es insoluble e inofensivo. La última explica por qué una batería de plomo que quedó descargada mucho tiempo no se recupera: el sulfato precipitado cristaliza y deja de responder.
05En el laboratorio
Titular 25 mL de ácido acético 0,1 M con hidróxido de sodio 0,1 M midiendo pH cada mililitro. Graficar, ubicar el punto de equivalencia por la derivada y leer el \( \mathrm{p}K_a \) en el semipunto. Comparar con el valor tabulado.
Preparar un regulador acetato/ácido acético y medir cuánto cambia su pH al agregarle una gota de ácido fuerte. Repetir sobre agua destilada y comparar los dos corrimientos.
Formar cloruro de plata mezclando nitrato de plata con cloruro de sodio diluidos. Agregar después cloruro en exceso y observar. Calcular con \( K_{ps} \) la solubilidad antes y después, y contrastar con lo que se ve.
06Errores frecuentes
- Creer que pH 7 es neutro siempre. Lo es a 25 °C; neutro significa \( [\mathrm{H^+}] = [\mathrm{OH^-}] \).
- Confundir ácido débil con ácido diluido. Fuerza es la constante; concentración es cuánto hay.
- Suponer que en el punto de equivalencia el pH vale 7. Solo si el ácido y la base son los dos fuertes; con un ácido débil la sal hidroliza y queda básico.
- Creer que un ácido débil es menos peligroso. El fluorhídrico desmiente eso de la peor manera.
- Usar Henderson-Hasselbalch fuera de la zona reguladora. Es una aproximación válida cerca del \( \mathrm{p}K_a \).
- Comparar \( K_{ps} \) entre sales de distinta estequiometría. Los exponentes no son los mismos y los números no son comparables directamente.
07Autoevaluación
¿Cuánto vale el pH en el semipunto de equivalencia?
Exactamente \( \mathrm{p}K_a \): ahí hay tanta forma ácida como básica y el logaritmo de Henderson-Hasselbalch se anula.
¿Por qué el punto de equivalencia del acético con sosa da pH básico?
Porque lo que queda es acetato de sodio, y el acetato es una base débil que hidroliza.
¿Qué es una solución reguladora?
Una mezcla de un ácido débil con su base conjugada, que resiste los cambios de pH al agregar ácido o base.
¿Para qué sirve el fluoruro de amonio en el BOE?
Es la base conjugada del HF: regula el pH y mantiene constante la velocidad de ataque del óxido a medida que el ácido se consume.
¿Cómo se neutraliza un derrame de fluorhídrico?
Con un compuesto de calcio: el fluoruro precipita como CaF₂, que es insoluble —\( K_{ps} = 3{,}9\times10^{-11} \)— e inofensivo.
¿Qué es el efecto del ion común?
Que agregar uno de los iones de una sal poco soluble desplaza el equilibrio y reduce su solubilidad.
08Para ampliar
- Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby. Química. 12.ª ed., McGraw-Hill, 2017. Los capítulos 15 y 16: ácidos y bases, pH, hidrólisis, reguladores y producto de solubilidad.
- Daniel C. Harris. Análisis químico cuantitativo. 3.ª ed., Reverté, 2007. Las titulaciones resueltas con el balance de cargas exacto, que es como las calcula el laboratorio de esta página.
- Werner Kern (ed.). Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology. Noyes Publications, 1993. El BOE, las mezclas de ataque y el manejo seguro del fluorhídrico en la industria.