ÁCIDO-BASE
I.- Introducción.
Dado que las reacciones químicas y casi todos los procesos biológicos se llevan a cabo en medio acuoso, es importante considerar las propiedades de las soluciones acuosas.
Cuando un soluto y un solvente dan origen a una solución, esta presenta ciertas propiedades que difieren de las correspondientes a las sustancias puras. Anteriormente, al hablar de las propiedades de las soluciones, se mencionó que había un conjunto de propiedades que sólo dependían de la cantidad de partículas (moléculas o iones), y éstas eran las propiedades coligativas. Ahora veremos una de las propiedades constitutivas, la cual depende de la naturaleza del soluto y que se refiere a la conductividad eléctrica.
Los solutos en disolución se pueden dividir en dos categorías:
1.- Electrólito: Solutos que cuando se disuelven en agua, forma una disolución que conduce la corriente eléctrica. Los electrólitos a su vez pueden ser fuertes cuando están totalmente disociadas, y débiles cuando están parcialmente ionizados.
Ejemplo: El ácido clorhídrico, HCl, es un electrólito fuerte.
El ácido acético, CH3COOH, es un electrólito débil.
2.- No electrólito: Soluto que no conduce la corriente eléctrica cuando esta disuelta en agua.
Ejemplo: El azúcar es un no electrólito.
Un tipo especial de electrólitos lo constituyen los ácidos y bases. Tradicionalmente los ácidos se caracterizan por tener un sabor agrio, corroer los metales, enrojecer el papel tornasol y perder todas sus propiedades ácidas al ponerse en contacto con una base. Por otro lado, las bases se caracterizan por tener un sabor amargo, se sienten jabonosas, colorear de azul el papel tornasol y perder todas sus propiedades al ponerse en contacto con un ácido.
II.- Definiciones químicas de ácidos y bases.
1.- Teoría de Arrhenius: A fines del siglo XIX, el químico sueco Svante Arrhenius formuló la primera teoría de ácidos y bases, que define un ácido como una sustancia que libera uno o más iones hidrógeno (H+) por cada molécula, como uno de los productos de su disociación iónica, en contacto con el agua. En términos generales:
HnA(ac) nH+(ac) + A -n(ac)
Ejemplo: ácido sulfúrico H2SO4(ac) 2H+(ac) + SO4-2(ac)
y una base como una sustancia que libera uno o más iones hidróxido (OH -) por cada molécula, como uno de los productos de su disociación iónica, en contacto con el agua En términos generales:
B(OH)n (ac) B+n(ac) + nOH -(ac)
Ejemplo: hidróxido de calcio Ca(OH)2 (ac) Ca+2 (ac) + 2OH - (ac)
2.- Teoría de Brönsted-Lowry: En 1932, el químico danés Johannes Brönsted y el químico inglés Thomas Lowry, dieron origen a la teoría que describe un ácido como cualquier especie que tiene tendencia a ceder un protón a otra especie, generalmente en agua, y una base como una sustancia que tiende a aceptar un protón de otra sustancia. Estos conceptos no solo se pueden aplicar a los ácidos y base de Arrhenius, sino además a otras especies, como por ejemplo el agua, el amoniaco, etc.
Ejemplo: El ácido clorhídrico según Arrhenius: HCl(ac ) H+(ac) + Cl -(ac)
El ácido clorhídrico según Brönsted-Lowry:
Cede un protón
HCl(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + Cl -(ac)
3.- Teoría de Lewis: También en 1932, el químico estadounidense G. N Lewis presentó su teoría de ácidos y bases, conocida como teoría de Lewis, la cual dice que un ácido es una sustancia que puede aceptar electrones para formar un nuevo enlace y una base es una sustancia que puede ceder electrones para formar un nuevo enlace. El resultado a menudo se llama aducto ácido-base y el enlace formado es del tipo covalente coordinado. La importancia del concepto de Lewis es que resulta mucho más general que las otras definiciones.
A + :B A¬B
ácido base aducto ácido-base
Un ejemplo simple es:
H H
½ ½
H+ + : N ¾ H H N ¾ H
½ ½
H H
ácido base aducto ácido-base
III.- La autoionización del agua y la escala de pH.
El agua, dependiendo de las circunstancias, puede actuar como aceptor o dador de un protón. Funciona como una base en reacciones con ácidos tales como el ácido clorhídrico (HCl) y el ácido acético (CH3COOH), y como un ácido con bases tales como el amoniaco (NH3).
De hecho, en el agua se produce una ionización en pequeño grado, reacción que se conoce como autoionización del agua (agua disuelta en agua).
pierde un protón
H2O(l) + H2O(l) H3O+(ac) + OH -(ac)
gana un protón
Aunque el agua experimente autoionización, es un electrólito muy débil y, por lo tanto, un conductor eléctrico muy malo.
En el estudio de reacciones ácido-base en disoluciones acuosas, la magnitud importante es la concentración del ion hidrónio (H3O+). El H3O+ (el ion H+ hidratado), por simplificación lo escribimos como H+ y nuevamente la reacción queda resumida como:
H2O(l) H+(ac) + OH -(ac)
La expresión de la constante de equilibrio de autoionización del agua se puede escribir como:
[H+][OH -]
Kc = Ecuación 1
[H2O]
Recordemos que la concentración del agua, expresada en molaridad es la cantidad de moles de agua que hay por un litro de solución. Un litro de solución es aproximadamente 1000 g de agua pura y la masa molar de agua es 18 g/mol, por lo que su concentración es 55,56 M. Esta sería la concentración del agua siempre que no ionizara. Sin embargo, a 25 °C el porcentaje de ionización del agua es 1,8·10 -9, y por lo tanto, el número de moles que ioniza por litro es 1,0·10 -7 (este valor se obtiene al multiplicar 1,8·10 -9·55,56 M). La cantidad de agua ionizada es muy pequeña si se compara con la concentración total del agua, por lo que podemos suponer que la concentración de agua permanece prácticamente constante, por lo tanto:
Kc [H2O] = [H+][OH -] Ecuación 2
Kw = [H+][OH -] Ecuación 3
La nueva constante de equilibrio, Kw, se llama “constante del producto iónico” o “contante de autoionización del agua”, ya que es el producto de las concentraciones molares de los iones H+ y OH - a una temperatura específica. En agua pura siempre [H+] = [OH -] y a 25 °C son iguales a 1·10 -7, por lo tanto:
Kw = (1·10 -7 ) (1·10 -7 )
Kw = 1·10 -14 Ecuación 4
Si en una disolución hay un exceso de iones hidrógeno (H+), o la [H+]>[OH -] decimos que la solución es ácida, si hay un exceso de iones hidroxilos (OH -), o [H+]<[OH -] decimos que la solución es básica y si no hay exceso de ninguna de los iones, o [H+]=[OH -] decimos que la solución es neutra. Obsérvese que, ya sea en agua pura o en una disolución, a 25 °C la ecuación 3 siempre se cumple, por lo tanto mientras aumenta [H+] disminuye la [OH -] y viceversa.
Escala de pH
Dado que las concentraciones de los iones hidrógeno e hidroxilos son a menudo números muy pequeños y por lo tanto inconvenientes para trabajar con ellos, el bioquímico Danés Soren Sorensen propuso en 1909 una medida más práctica, para lo cual define el operador “p” como el logaritmo negativo de una determinada cantidad.
p = -log Ecuación 5
El pH de una disolución es, por lo tanto, una medida de la concentración de iones hidrógeno en dicha solución y se define como:
pH = -log [H+] Ecuación 6
En el laboratorio, el pH de una disolución se puede medir con un peachímetro. La tabla 1 muestra los valores de pH de algunos fluidos comunes.
Una escala análoga a la de pH puede obtenerse usando el logaritmo negativo de la concentración de iones hidroxilos, entonces se define el pOH como:
pOH = -log [OH -] Ecuación 7
Al considerar la constante del producto iónico del agua (ecuación 3) Kw = [H+][OH -]
y aplicando el logaritmo negativo a la ecuación 3, se obtiene que
14,00 = pH + pOH Ecuación 8
La ecuación 8 proporciona otra forma de expresar la relación entre las concentraciones de iones H+ y la concentración de iones OH -.
Ya que tanto el pH como el pOH son simplemente una forma de expresar la concentración del ion hidrógeno y ion hidróxido respectivamente, las disoluciones ácidas o básicas pueden identificarse por sus valores de pH y pOH como se muestra a continuación.
Disoluciones ácidas: [H+] > 1,0·10 -7 M, pH < 7 [OH -] < 1,0·10 -7 M, pOH > 7
Disoluciones neutras: [H+] = 1,0·10 -7 M, pH = 7 [OH -] = 1,0·10 -7 M, pOH = 7
Disoluciones básicas: [H+] < 1,0·10 -7 M, pH > 7 [OH -] > 1,0·10 -7 M, pOH < 7
Ejercicios
1.- Indique si cada una de las siguientes soluciones es ácida, neutra o básica:
a) [H+] = 2 · 10 -5 b) [H+] = 2 · 10 -12 M c) [OH -] = 1 · 10 -7 M d) [OH -] = 3 · 10 -9 M
e) [OH -] = 1 · 10 -2 M
2.- Calcular la concentración de H+(ac) en
a) una solución en que la concentración de [OH -] es 0,020 M
b) una solución en la cual [OH -] es 5,0 · 10 -11 M
3.- Calcular los valores de pH en
a) una muestra de jugo de limón, cuya concentración de [H+] es 3,2 · 10 -4 M
b) una solución utilizada para limpiar vidrio, que tiene una [OH -] de 1,89 · 10 -6 M
Solución: a) 3,49 b) 8,28
4.- El pH del agua lluvia colectada en cierta región de Chile fue de 4,98. Calcule la concentración de iones de esa agua lluvia.
Solución: [H+] = 1,05 · 10 -5 M [OH -] = 9,55 · 10 -10 M
Ácidos y bases conjugadas
Para que un ácido pueda ceder un protón debe existir una especie que lo acepte: una base. Por lo tanto, se establece un equilibrio ácido-base, es así que en todo equilibrio ácido-base, tanto la reacción que va hacia adelante (a la derecha) como la reacción inversa (a la izquierda), comprende la transferencia de protones. Por ejemplo, consideremos los siguientes equilibrios:
Adiciona un H+
a) NH3(ac) + H2O(l) NH4+(ac) + OH -(ac)
Base Ácido Ácido Base
conjugado conjugada
Pierde un H+
Un ácido y una base que sólo difieren por la presencia o ausencia de un protón, se denominan par conjugado ácido-base. El concepto par conjugado ácido-base es una extensión de la definición de ácidos y bases de Brönsted-Lowry.
mientras más fuerte sea el ácido más débil será su base conjugada, y mientras más fuerte sea la base más débil será su ácido conjugado. Esto se debe a que, algunos ácidos entregan protones con mayor facilidad y algunas bases los reciben con más facilidad que otras.
IV.- Fuerzas relativas de ácidos y bases.
Ácidos Fuertes:
Cuando un ácido se disuelve en agua, algunas moléculas o todas, pueden ionizarse dependiendo de la naturaleza del ácido. La fuerza de un ácido puede medirse por la fracción de sus moléculas ionizadas. Cuantitativamente la fuerza ácida puede expresarse en términos del porcentaje de ionización, que se define como:
Concentración del ácido en el equilibrio
porcentaje de ionización = x 100
Concentración inicial del ácido
En solución acuosa algunos ácidos entregan con mayor facilidad protones que otros. Por ejemplo, una solución diluida de ácido (HCl) esta formada fundamentalmente de iones hidrógeno (H+) y iones cloruros (Cl -); el porcentaje de ionización es prácticamente del 100% y en consecuencia se considera al ácido fuerte (electrólito fuerte), y no es necesario plantear un equilibrio en su disociación.
El número de ácidos fuertes no es muy grande, los seis ácidos fuertes más comunes son: HCl, HBr, HI, HNO3, HClO4 y H2SO4.
Cuando el ácido entrega un ion hidrógeno por molécula se dice que el ácido es monoprótico y cuando cede más de un ion hidrógeno por molécula se denomina al ácido como poliprótico.
Considérese un ácido monoprótico fuerte, HX, su ionización en agua se representa por
HX(ac) + H2O H3O+(ac) + X -(ac)
o simplemente en forma resumida
HX(ac) H+(ac) + X -(ac)
La flecha en un sólo sentido indica que la reacción evoluciona completamente hacia la derecha, es decir no hay equilibrio. Esta ecuación representa la ionización total del ácido, por lo tanto, si tenemos una concentración inicial del ácido (Co), al ionizarse deberán quedar en solución Co de iones hidrógeno (H+) y Co iones del anión (X -)
Aprox 100% disociación
Concentración del ácido igual a la concentración (H+)
Ácidos fuerte
Ejemplo ¿Cuál es el pH de una solución 0,012 M de HCl?
La clave es reconocer al HCl como un ácido fuerte y monoprótico. Al ser un ácido fuerte
significa que esta totalmente ionizado y por lo tanto la concentración del ácido es igual
a la concentración de los iones
HCl(ac) H+(ac) + Cl -(ac)
0,012 M 0,012 M 0,012 M
Por lo tanto [H+] = 0,012 pH = -log (0,012) Þ pH = 1,92
Ácidos Débiles Monopróticos:
Al contrario de los ácidos fuertes, una solución de ácido fluorhídrico (HF) y una de ácido cianhídrico (HCN) ioniza solo en una pequeña proporción 8,4% y 0,0070% respectivamente. Por lo tanto, todas las especies (el ácido no ionizado, los iones hidrógeno y la base conjugada) están en solución, y en consecuencia se establece un equilibrio. Los ácidos fluorhídrico, cianhídrico y cualquier ácido que ionice parcialmente se reconoce como un ácido débil (electrólito débil).
Considérese un ácido débil, HA, su ionización en agua se representa por
HA(ac) H+(ac) + A -(ac) La flecha en ambos sentido indica que se existe un equilibrio entre reaccionantes y productos.
La expresión de la constante de equilibrio correspondiente a la ionización del ácido es
[H+][A -]
Ka = Ecuación 9
[HA]
Mientras más grande sea la constante de acidez, el ácido será más fuerte puesto que significa que aumenta la concentración de las especies ionizadas, (H+) y (A -) en solución, y por lo tanto, disminuye la concentración de la especie no ionizada (HA) . A una temperatura dada, la fuerza del ácido puede medirse cuantitativamente por la magnitud de Ka. Se puede calcular Ka a partir de la concentración inicial del ácido y del pH de la disolución (ecuación 9), o bien se puede usar
la Ka y la concentración del ácido, para calcular la concentración de las especies en equilibrio y el pH de la disolución
Ejemplo : Un estudiante preparó una solución 0,10 M de ácido fórmico, HCOOH. Calcúlese la concentración de todas las especies, el porcentaje de disociación y el pH de la disolución en el equilibrio si la constante de acidez es igual a 1,77 ·10 -4.
El ácido fórmico es un ácido débil, Ka = 1,77 ·10 -4, y monoprótico
HCOOH(ac) H+(ac) + HCOO -(ac)
Sea x la concentración en equilibrio de los iones H+ y HCOO - en mol/L. Entonces la concentración en equilibrio del HCOOH debe ser (0,10 - x) mol/L. Resumiendo
HCOOH(ac) H+(ac) + HCOO -(ac)
0,10 – x x x
como el HCOOH es un ácido débil, el porcentaje de ionización debe ser pequeño. Por lo tanto, x es pequeño comparado con 0,10 , luego podemos suponer que 0,10 - x » 0,10
x2
= 1,77 ·10 -4 x2= 1,77 ·10 -5 x = 4,21 ·10 -3
0,10
por lo tanto, en el equilibrio
[H+] = 4,21 ·10 -3 M
[HCOO -] = 4,21 ·10 -3 M
[HCOOH] = (0,10 - 4,21 ·10 -3) = 0,096 M
el porcentaje de disociación esta dado por la concentración del ácido en el equilibrio y la concentración inicial del ácido
4,21· 10 -3
porcentaje de ionización = x 100 = 4,2%
0,10
pH = -log [H+] pH = - log (4,21 ·10 -3) pH = 2,38
Para las base débiles y fuertes se procede de manera análoga
