2.5: El protón
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El protón, H +, es el nombre que se le da al hidrógeno en el estado de oxidación +1.
Fase gaseosa
El protón se puede formar a partir de la fotólisis de hidrógeno atómico en fase vapor a baja presión.
\[H^._{(g)} + h\nu \rightarrow H^+_{(g)} + e^-_{(g)}\]
El protón es más reactivo que el átomo de hidrógeno debido a su alta densidad de carga. Además, el pequeño radio iónico del protón, 1.5 x 10 -15 cm, significa que puede acercarse a otros átomos y de ahí formar enlaces fuertes.
\[H^+_{(g)} + NR_3 \rightarrow HNR^+_{3(g)}\]
La fuerza de la interacción de unión es tal que es muy difícil de medir directamente. En cambio, la fuerza relativa de unión entre el protón y una base apropiada, B 1, se mide en presencia de una base competidora, B2.
\[B_1H^+_{(g)} + B_{2(g)} \leftrightharpoons B_2H^+_{(g)} + B_{2(g)}\]
Al medir la reacción de intercambio, se mide la afinidad protónica relativa de B 1 y B2. Esto también se conoce como acidez en fase gaseosa, y como tal es una medida de la acidez inherente de una especie X-H porque obvia cualquier efecto solvente.
Líquido y solución
La alta reactividad del protón significa que no existe libre en solución. Sin embargo, hay muchas especies que contienen H +. Estos generalmente se clasifican como ácidos.
\[ B_1H^+_{(sol)} + B_{2(sol)} \leftrightharpoons B_2H^+_{(sol)} + B_{1(sol)} \\ \text{acid base acid base}\]
La reacción entre el ácido y la base es una reacción de transferencia de protones. Si bien el protón viaja de B 1 a B 2, nunca está libre en solución. En cambio se forma un estado de transición puenteado o intermedio, B 1 ... H +... B 2.
Acidez y pH
El disolvente más común para H+ es el agua. La forma ácida suele definirse como el ion hidronio o H 3 O +, (2.5.5). Los términos oxonio, hidroxonio y oxidanio también se utilizan para el H 3 O +. Aunque comúnmente usamos H 3 O + se sabe por espectroscopia que se forman complejos más grandes como H 9 O 4 + (Figura\(\PageIndex{2}\) .10).
\[H_2O + H^+ \rightarrow H_3O^+ \]
Los ácidos y bases se han caracterizado de diversas maneras. En 1680 Robert Boyle (Figura\(\PageIndex{2}\) .11) definió un ácido como un compuesto que disolvió muchos otros compuestos, tenía un sabor agrio y reaccionaba con álcali (base).
La simple descripción observacional de Boyle fue racionalizada por el químico físico danés Johannes Brønsted (Figura\(\PageIndex{2}\) .12). Brønsted propuso que los ácidos son donantes de protones y las bases son aceptores de protones. Una reacción ácido-base es aquella en la que un protón se transfiere de un donante de protones (ácido) a un aceptor de protones (base). Basado en la propuesta de Brønsted, los ácidos simples contienen un protón ionizable. Ejemplos de ácidos simples incluyen moléculas neutras (HCl, H2SO4), aniones (HSO 4 -, H 2 PO 4 -) y cationes (NH 4 +). Las bases Brønsted más comunes incluyen hidróxidos metálicos (MOH).
Brønsted señaló que cuando un ácido dona un protón forma una base conjugada. Los siguientes son ejemplos de un ácido y su base conjugada.
\[ H_2O \space\space \rightarrow H^+ + OH^- \\ \text{acid conjugate base}\]
\[ H_2SO_4 \space\space \rightarrow H^+ + HSO^-_4 \\ \text{acid conjugate base}\]
\[NH^+_4 \space\space\space\space \rightarrow H^+ + NH_3 \\ \text{acid conjugate base}\]
Ejercicios
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)\
¿Cuál es la base conjugada del HCl?
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Cl -
Ejercicio\(\PageIndex{2}\)\
Cuál es la base conjugada de HSO 4 -
- Contestar
-
SO 4 2-
Ejercicio\(\PageIndex{3}\)\
Cuál es la base conjugada de [Al (H 2 O) 6] 3+
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[Al (H 2 O) 5 (OH)] 2+
Lo mismo ocurre cuando una base acepta un protón forma un ácido conjugado. Los siguientes son ejemplos de una base y su ácido conjugado.
\[ H_2O \space\space + \space\space H^+ \rightarrow H_3O^+ \\ \text{base conjugate acid}\]
\[HCO^-_3 \space\space + \space\space H^+ \rightarrow H_2CO_3 \\ \text{base conjugate acid}\]
\[F^- \space\space + \space\space H^+ \rightarrow HF \\ \text{base conjugate acid}\]
Ejercicios
Ejercicio\(\PageIndex{4}\)\
¿Cuál es el ácido conjugado de NH 3?
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NH 4 +
Ejercicio\(\PageIndex{5}\)\
¿Cuál es el ácido conjugado de S 2-?
- Contestar
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HS -
Ejercicio\(\PageIndex{6}\)\
¿Cuál es el ácido conjugado del CO 3 2-?
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HCO 3 -
Así, la reacción entre un ácido y una base da como resultado la formación de la base conjugada apropiada y el ácido conjugado.
\[acid_1 + base_1 \leftrightharpoons acid_2 + base_2 \]
Un ejemplo específico es el siguiente:
\[HNO_3 + NH_3 \leftrightharpoons NH^+_4 + NO^-_3 \\ acid_1 \space\space\space\space base_1 \space\space\space\space\space\space\space acid_2 \space\space\space\space base_2\]
Ejercicio\(\PageIndex{7}\)
¿Cuál es el conjugado ácido y base formado a partir de la reacción de NH 4 + con S 2 +?
- Contestar
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\[NH_4^+ + S^{2-} \leftrightharpoons HS^- + NH_3 \\ acid_1 \space\space\space\space base_1 \space\space\space\space\space\space\space acid_2 \space\space\space\space base_2\]
En las reacciones de equilibrio mostradas en (2.12) y (2.13) hay una competencia entre las dos bases para el protón. Como se esperaría gana la base más fuerte.
Cuando se agrega un ácido fuerte (disuelto en) agua, reaccionará con el agua como base:
\[HCl + H_2O \leftrightharpoons H_3O^+ + Cl^- \\ acid \space\space\space\space base \space\space\space\space\space\space\space acid \space\space\space\space base\]
Por el contrario, cuando se agrega una base fuerte al agua (disuelta en), reaccionará con el agua como un ácido:
\[ H_2O + NH_3 \leftrightharpoons NH_4^+ + OH^- \\ acid \space\space\space\space base \space\space\space\space\space\space\space acid \space\space\space\space base\]
pH una medida de acidez
La acidez de una solución acuosa depende de la concentración del ion hidronio, es decir, [H 3 O +]. La acidez de una solución es, por lo tanto, la capacidad de la solución para donar un protón a una base. La acidez o pH de una solución se define como:
\[pH = -log [H_3O^+_a] \]
Es importante señalar que el valor es la actividad de H 3 O + y no la concentración.
Nota
La actividad es una medida de la concentración eectiva de una especie en una mezcla. La diferencia entre la actividad y otras medidas de composición como la concentración surge porque las moléculas en gases o soluciones no ideales interactúan entre sí, ya sea para atraerse o para repelerse entre sí.
La actividad del ion H 3 O + se puede medir mediante
(a) Un electrodo de gas
b) Indicadores ácido-base
Reacciones de transferencia de protones
La reacción de transferencia de protones es una de las reacciones más simples en química. No implica electrones y baja transferencia/cambio de masa, dándole una baja energía de activación. Para la transferencia de protones entre grupos O-H o N-H y sus bases asociadas la reacción es muy rápida. La transferencia de protones ocurre a través de una vía unida a hidrógeno durante la cual el protón nunca está libre.