6.2: Concepto Arrhenius
- Page ID
- 81259
El concepto ácido-base de Arrhenius define ácidos y bases en términos de cómo afectan la cantidad de iones hidronio\(\ce{H_3O^{+}}\), (y por extensión iones hidróxido,\(\ce{OH^{-}}\)) en soluciones acuosas. Simplemente, en la definición de Arrhenius un ácido es una sustancia que aumenta la concentración de iones hidronio cuando se disuelve en agua. Esto ocurre típicamente cuando el ácido se disocia por pérdida de un protón al agua de acuerdo con la ecuación general:
\[\ce{HA(aq) + H_2O(l) ⇌ H_3O^{+}(aq) + A^{-}(aq)} \label {6.2.1} \]
donde\(\ce{A}\) está la forma desprotonada del ácido. Por ejemplo, lo que tienen en común el ácido clorhídrico y acético\(\ce{CH3CO2H}\), es que ambos incrementan la cantidad de ion hidronio cuando se disocian en solución.
\[\begin{align*} \ce{HCl(aq) + H_2O(l) } &\ce{-> H_3O^+(aq) + Cl^{-}(aq)} \\[4pt] \ce{CH_3CO_2H(aq) + H_2O(l)} &\ce{<=> H_3O^{+}(aq) + CH_3CO_2^{-}(aq)} \end{align*} \nonumber \]
En términos de la definición de Arrhenius, la diferencia principal entre el ácido clorhídrico y el ácido acético es que el ácido clorhídrico se disocia completamente en solución para producir cantidades estequiométricas de\(\ce{H_3O^{+}}\), mientras que el ácido acético solo se disocia parcialmente. Ácidos como\(\ce{HCl}\) ese se disocian completamente en agua se clasifican como fuertes en la definición de Arrhenius, mientras que aquellos como el ácido acético que no se clasifican como débiles.
Aunque todos los ácidos débiles se disocian incompletamente, el grado de disociación puede variar ampliamente. Las fuerzas relativas de los ácidos débiles de Arrhenius se expresan convenientemente en términos de la constante de equilibrio para su reacción de disociación ácida,\(K_a\).
\[K_a=\dfrac{[\ce{H^{+}}][\ce{A^{-}}]}{[\ce{HA}]} \nonumber \]
Los valores de pK a para los ácidos débiles seleccionados se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\).
| Ácido | \(HA\) | \(K_a\) | \(pK_a\) | \(A^−\) | \(K_b\) | \(pK_b\) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| *El número entre paréntesis indica la etapa de ionización referida para un ácido poliprótico. | ||||||
| ácido sulfúrico (2ª ionización) | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HSO_4^−\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.0 \times 10^{−2}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">1.99 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(SO_4^{2−}\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(9.8 \times 10^{−13}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">12.01 |
| ácido fluorhídrico | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HF\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(6.3 \times 10^{−4}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">3.20 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(F^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.6 \times 10^{−11}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">10.80 |
| ácido nitroso | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HNO_2\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(5.6 \times 10^{−4}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">3.25 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(NO_2^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.8 \times 10^{−11}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">10.75 |
| ácido fórmico | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HCO_2H\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.78 \times 10^{−4}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">3.750 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HCO_2^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(5.6 \times 10^{−11}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">10.25 |
| ácido benzoico | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(C_6H_5CO_2H\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(6.3 \times 10^{−5}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">4.20 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(C_6H_5CO_2^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.6 \times 10^{−10}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">9.80 |
| ácido acético | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(CH_3CO_2H\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.7 \times 10^{−5}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">4.76 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(CH_3CO_2^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(5.8 \times 10^{−10}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">9.24 |
| ión piridinio | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(C_5H_5NH^+\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(5.9 \times 10^{−6}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">5.23 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(C_5H_5N\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.7 \times 10^{−9}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">8.77 |
| ácido hipocloroso | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HOCl\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(4.0 \times 10^{−8}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">7.40 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(OCl^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(2.5 \times 10^{−7}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">6.60 |
| ácido cianhídrico | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HCN\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(6.2 \times 10^{−10}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">9.21 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(CN^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.6 \times 10^{−5}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">4.79 |
| ión amonio | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(NH_4^+\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(5.6 \times 10^{−10}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">9.25 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(NH_3\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.8 \times 10^{−5}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">4.75 |
| agua | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(H_2O\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.0 \times 10^{−14}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">14.00 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(OH^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1.00\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">0.00 |
| acetileno | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(C_2H_2\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{−26}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">26.0 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(HC_2^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{12}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">−12.0 |
| amoníaco | \ (HA\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(NH_3\) | \ (K_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{−35}\) | \ (PK_a\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">35.0 | \ (A^−\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(NH_2^−\) | \ (K_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">\(1 \times 10^{21}\) | \ (PK_b\) *El número entre paréntesis indica el paso de ionización al que se hace referencia para un ácido poliprótico.” style="text-align:center; ">−21.0 |
Como puede verse en la tabla los valores de K a para los ácidos débiles son menores de uno (de lo contrario no serían débiles) y varían en muchos órdenes de magnitud. En consecuencia, es costumbre tabular las constantes de ionización ácida como valores de pK a:
\[pK_a=-\log K_a \nonumber \]
Debido a que los valores de pK a esencialmente colocan los valores de K a sobre una base negativa de diez escala logarítmica, cuanto más fuerte es el ácido débil, menor es su pK a. Los ácidos débiles con valores K a mayores tendrán valores de pK a más bajos que los ácidos más débiles con K a más pequeños. Además, cada incremento o disminución de la pK a corresponde a un incremento o disminución de diez veces en la K a correspondiente.
Mientras que los ácidos de Arrhenius aumentan la concentración de\(\ce{H_3O^{+}}\) en solución acuosa, las bases de Arrhenius disminuyen\(\ce{H_3O^{+}}\). Las bases fuertes hacen esto estequiométricamente. La mayoría son sales de hidróxido de metales alcalinos o sales de amonio cuaternario que se disocian completamente cuando se disuelven en agua:
\[\ce{MOH(aq) -> M^{+}(aq) + OH^{-}(aq)} \nonumber \]
Este hidróxido agregado disminuye la concentración de\(H_3O^+\) desplazando el equilibrio de autoionización del agua hacia el agua.
\[\ce{2H_2O(l) <=> H_3O^{+}(aq) + OH^{-}(aq)} \nonumber \]
Por el contrario, la mayoría de las bases débiles reaccionan con el agua para producir una concentración de equilibrio de ion hidróxido de acuerdo con la reacción de disociación de bases
\[\ce{B(aq) + H_2O(l) <=> BH^{+}(aq) + OH^{-}(aq)} \nonumber \]
en la que\(\ce{B}\) está la base débil. La constante de ionización para esta reacción, llamada constante de ionización de base o\(K_b\), se usa típicamente como una medida de la fuerza de una base débil.
Debido a que tanto el hidróxido como el ion hidronio son productos de la autoionización del agua, las concentraciones de ión hidronio e ion hidróxido en solución acuosa variarán recíprocamente entre sí. Esto significa que los ácidos de Arrhenius pueden reconocerse como sustancias que disminuyen la concentración de hidróxido y las bases de Arrhenius como sustancias que la incrementan.
Dado que el concepto ácido-base de Arrhenius está preocupado por el estado de la reacción de autoionización del agua, los ácidos y bases de Arrhenius también pueden ser reconocidos por su efecto sobre el pH de la solución. Los ácidos de Arrhenius disminuyen el pH y las bases de Arrhenius lo incrementarán.
Para calificar como ácido de Arrhenius, tras la introducción al agua, el químico debe causar, ya sea directamente o de otra manera:
- un aumento de la concentración acuosa de hidronio,
- una disminución en la concentración de hidróxido acuoso, o
- una disminución en el pH de la solución.
Por el contrario, para calificar como base de Arrhenius, tras la introducción al agua, el químico debe causar, ya sea directamente o de otra manera:
- disminución de la concentración acuosa de hidronio,
- un aumento en la concentración de hidróxido acuoso, o
- un incremento en el pH de la solución.
Debido a que el modelo ácido-base de Arrhenius define ácidos y bases en términos de su impacto en el estado de una solución acuosa, el concepto Arrhenius es incapaz de describir reacciones en disolventes no acuosos, gases, líquidos fundidos y el estado sólido. En consecuencia, se deben usar otros modelos para describir reacciones que implican la transferencia de\(H^+\) y otros fragmentos en medios no acuosos.