8.5: Definiciones ácido-base

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Resultados de aprendizaje

Describir las propiedades de ácidos y bases.
Definir un ácido y una base según la teoría de Arrhenius.
Definir un ácido y una base según la teoría de Brønsted-Lowry.
Identificar los pares ácido-base conjugados en una reacción ácido-base de Brønsted-Lowry.

Propiedades ácido-base

Los ácidos son muy comunes en algunos de los alimentos que comemos. Los cítricos como las naranjas y los limones contienen ácido cítrico y ácido ascórbico, el cual es mejor conocido como vitamina C (ver figura a continuación). Los refrescos carbonatados contienen ácido fosfórico. El vinagre contiene ácido acético. Tu propio estómago utiliza ácido clorhídrico para digerir los alimentos. Las bases son menos comunes como alimentos, pero no obstante están presentes en muchos productos domésticos (ver figura abajo). Muchos limpiadores contienen amoníaco, una base. El hidróxido de sodio se encuentra en el limpiador de drenajes. Los antiácidos, que combaten el exceso de ácido estomacal, están compuestos por bases como el hidróxido de magnesio o el hidrogenocarbonato de sodio.

Ácidos

Los ácidos son una clase distinta de compuestos debido a las propiedades de sus soluciones acuosas. Esas propiedades se describen a continuación.

Las soluciones acuosas de ácidos son electrolitos, lo que significa que conducen una corriente eléctrica. Algunos ácidos son electrolitos fuertes porque se ionizan completamente en agua. Otros ácidos son electrolitos débiles que se ionizan parcialmente cuando se disuelven en agua.
Los ácidos tienen un sabor agrio. Los limones, el vinagre y los dulces agrios contienen ácidos.
Los ácidos cambian el color de ciertos indicadores ácido-base. Dos indicadores comunes son tornasol y fenolftaleína. El tornasol se vuelve rojo en presencia de un ácido, mientras que la fenolftaleína es incolora.
Los ácidos reaccionan con algunos metales para producir hidrógeno gaseoso.
Los ácidos reaccionan con bases para producir una sal y agua. Cuando se combinan moles iguales de un ácido y una base, el ácido es neutralizado por la base. Se produce agua y un compuesto iónico llamado sal.

Bases

Las bases tienen propiedades que contrastan mayormente con las de los ácidos.

Las soluciones acuosas de bases también son electrolitos. Las bases pueden ser fuertes o débiles, al igual que los ácidos.
Las bases suelen tener un sabor amargo y se encuentran en los alimentos con menos frecuencia que los ácidos. Muchas bases, como los jabones, son resbaladizas al tacto.
Las bases también cambian el color de los indicadores. El tornasol se vuelve azul en presencia de una base (ver figura abajo), mientras que la fenolftaleína se vuelve rosada.
Las bases no reaccionan con los metales como lo hacen los ácidos.
Las bases reaccionan con ácidos para producir una sal y agua.

Ácidos y Bases de Arrhenius

El químico sueco Svante Arrhenius (1859 - 1927) fue el primero en proponer una teoría para explicar el comportamiento observado de ácidos y bases. Por su capacidad para conducir una corriente, sabía que tanto los ácidos como las bases contenían iones en solución. Un ácido de Arrhenius es un compuesto que se ioniza para producir iones de hidrógeno\(\left( \ce{H^+} \right)\) en solución acuosa. Una base de Arrhenius es un compuesto que se ioniza para producir iones hidróxido\(\left( \ce{OH^-} \right)\) en solución acuosa.

Ácidos de Arrhenius

Los ácidos son compuestos moleculares con átomos de hidrógeno ionizables. Solo los átomos de hidrógeno que forman parte de un enlace covalente altamente polar son ionizables. El átomo de hidrógeno es atraído por el único par de electrones en una molécula de agua cuando\(\ce{HCl}\) se disuelve en agua. El resultado es que el\(\ce{H-Cl}\) enlace se rompe, quedando ambos electrones de unión con el\(\ce{Cl}\), formando un ion cloruro. El\(\ce{H^+}\) ion se une a la molécula de agua, formando un ion poliatómico llamado ion hidronio. El ion hidronio se\(\left( \ce{H_3O^+} \right)\) puede considerar como una molécula de agua con un ion de hidrógeno unido.

Las ecuaciones que muestran la ionización de un ácido en agua se simplifican frecuentemente omitiendo la molécula de agua.

\[\ce{HCl} \left( g \right) \rightarrow \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right)\]

Esto es meramente una simplificación de la ecuación anterior, pero es de uso común. Cualquier ion hidrógeno en una solución acuosa se unirá a las moléculas de agua como iones hidronio\(\ce{H_3O^+}\), aunque esté escrito como\(\ce{H^+}\).

No todos los átomos de hidrógeno en los compuestos moleculares son ionizables. En el metano\(\left( \ce{CH_4} \right)\), los átomos de hidrógeno están unidos covalentemente al carbono en enlaces que solo son ligeramente polares. Los átomos de hidrógeno no son capaces de ionizar, y el metano no tiene propiedades ácidas. El ácido acético\(\left( \ce{CH_3COOH} \right)\) (ver figura abajo) pertenece a una clase de ácidos llamados ácidos carboxílicos. Hay cuatro átomos de hidrógeno en la molécula, pero sólo el hidrógeno que está unido a un átomo de oxígeno es ionizable.

La siguiente tabla enumera algunos de los ácidos más comunes.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Ácidos comunes
Nombre ácido	Fórmula
ácido clorhídrico	\(\ce{HCl}\)
ácido nítrico	\(\ce{HNO_3}\)
ácido sulfúrico	\(\ce{H_2SO_4}\)
ácido fosfórico	\(\ce{H_3PO_4}\)
ácido acético	\(\ce{CH_3COOH}\)
ácido hipocloroso	\(\ce{HClO}\)

Un ácido monoprótico es un ácido que contiene solo un hidrógeno ionizable. El ácido clorhídrico y el ácido acético son ácidos monopróticos. Un ácido poliprótico es un ácido que contiene múltiples hidrógenos ionizables. Los ácidos polipróticos más comunes son dipróticos (como\(\ce{H_2SO_4}\)) o tripróticos (como\(\ce{H_3PO_4}\)).

Bases Arrhenius

Las bases son compuestos iónicos que producen el ion hidróxido\(\left( \ce{OH^-} \right)\) al disociarse en agua. La siguiente tabla enumera varias de las bases más comunes.

Mesa\(\PageIndex{2}\): Bases Comunes
Nombre Base	Fórmula
Hidróxido de sodio	\(\ce{NaOH}\)
Hidróxido de potasio	\(\ce{KOH}\)
Hidróxido de magnesio	\(\ce{Mg(OH)_2}\)
Hidróxido de calcio	\(\ce{Ca(OH)_2}\)

Todas las bases listadas en la tabla son sólidas a temperatura ambiente. Al disolverse en agua, cada uno se disocia en un catión metálico y el ion hidróxido.

\[\ce{NaOH} \left( s \right) \overset{\ce{H_2O}}{\rightarrow} \ce{Na^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\]

El hidróxido de sodio es una sustancia muy cáustica también conocida como lejía. La lejía se utiliza como un limpiador riguroso y es un ingrediente en la fabricación de jabones. Se debe tener cuidado con bases fuertes como el hidróxido de sodio, ya que la exposición puede provocar quemaduras graves (ver figura a continuación).

Ácidos y bases de Brønsted-Lowry

La definición de Arrhenius de ácidos y bases es algo limitada. Existen algunos compuestos cuyas propiedades sugieren que son ácidos o básicos, pero que no califican según la definición de Arrhenius. Un ejemplo es el amoníaco\(\left( \ce{NH_3} \right)\). Una solución acuosa de amoníaco se vuelve azul tornasol, reacciona con los ácidos y muestra varias otras propiedades que son comunes para las bases. Sin embargo, no contiene el ion hidróxido. En 1923, el químico danés Johannes Brønsted (1879 - 1947) y el químico inglés Thomas Lowry (1874 - 1936) propusieron independientemente una definición más amplia de ácidos y bases. Un ácido de Brønsted-Lowry es una molécula o ion que dona un ión de hidrógeno en una reacción. Una base de Brønsted-Lowry es una molécula o ion que acepta un ion hidrógeno en una reacción. Debido a que el isótopo más común de hidrógeno consiste en un solo protón y un solo electrón, un ion hidrógeno (en el que se ha eliminado el electrón único) se conoce comúnmente como protón. Como resultado, los ácidos y bases a menudo se denominan donantes de protones y aceptores de protones, respectivamente, según la definición de Brønsted-Lowry. Todas las sustancias que se clasifican como ácidos y bases bajo la definición de Arrhenius también se definen como tales bajo la definición de Brønsted-Lowry. La nueva definición, sin embargo, incluye algunas sustancias que quedan fuera de acuerdo con la definición de Arrhenius.

Reacciones ácido-base bajas de Brønsted-Lowry

Una reacción ácido-base según la definición de Brønsted-Lowry es una transferencia de un protón de una molécula o ion a otro. Cuando el amoníaco se disuelve en agua, se somete a la siguiente reacción reversible.

\[\begin{array}{ccccccc} \ce{NH_3} \left( aq \right) & + & \ce{H_2O} \left( l \right) & \rightleftharpoons & \ce{NH_4^+} \left( aq \right) & + & \ce{OH^-} \left( aq \right) \\ \text{base} & & \text{acid} & & \text{acid} & & \text{base} \end{array}\]

En esta reacción, la molécula de agua está donando un protón a la molécula de amoníaco. Los productos resultantes son el ion amonio y el ion hidróxido. El agua está actuando como un ácido de Brønsted-Lowry, mientras que el amoníaco actúa como base de Brønsted-Lowry. El ion hidróxido que se produce provoca que la solución sea básica.

También podemos considerar la reacción inversa en la ecuación anterior. En esa reacción, el ion amonio dona un protón al ion hidróxido. El ion amonio es un ácido de Brønsted-Lowry, mientras que el ion hidróxido es una base de Brønsted-Lowry. La mayoría de las reacciones ácido-base de Brønsted-Lowry se pueden analizar de esta manera. Hay un ácido y una base como reactivos, y un ácido y una base como productos.

En la reacción anterior, el agua actuó como un ácido, lo que puede parecer un poco inesperado. El agua también puede actuar como base en una reacción ácido-base de Brønsted-Lowry, siempre y cuando reaccione con una sustancia que sea un mejor donante de protones. A continuación se muestra la reacción del agua con el ión sulfato de hidrógeno.

\[\begin{array}{ccccccc} \ce{HSO_4^-} \left( aq \right) & + & \ce{H_2O} \left( l \right) & \rightleftharpoons & \ce{H_3O^+} \left( aq \right) & + & \ce{SO_4^{2-}} \left( aq \right) \\ \text{acid} & & \text{base} & & \text{acid} & & \text{base} \end{array}\]

El agua es capaz de ser un ácido o una base, una característica llamada anfoterismo. Una sustancia anfótera es aquella que es capaz de actuar como un ácido o una base donando o aceptando iones de hidrógeno.

Ácidos y Bases Conjugados

Cuando una sustancia que está actuando como ácido de Brønsted-Lowry dona su protón, se convierte en una base en la reacción inversa. En la reacción anterior, el ion sulfato de hidrógeno\(\left( \ce{HSO_4^-} \right)\) dona un protón al agua y se convierte en un ion sulfato\(\left( \ce{SO_4^{2-}} \right)\). Los\(\ce{HSO_4^-}\) y los\(\ce{SO_4^{2-}}\) están unidos entre sí por la presencia o ausencia del\(\ce{H^+}\) ion. Un par ácido base conjugado es un par de sustancias relacionadas por la pérdida o ganancia de un solo ion hidrógeno. Un ácido conjugado es la partícula producida cuando una base acepta un protón. El ion sulfato de hidrógeno es el ácido conjugado del ion sulfato. Una base conjugada es la partícula producida cuando un ácido dona un protón. El ion sulfato es la base conjugada del ion sulfato de hidrógeno.

Una reacción ácido-base típica de Brønsted-Lowry contiene dos pares ácido-base conjugados como se muestra a continuación.

\[\ce{HNO_2} \left( aq \right) \ce{PO_4^{3-}} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{NO_2^-} \left( aq \right) + \ce{HPO_4^{2-}} \left( aq \right)\]

Un par ácido base conjugado es\(\ce{HNO_2}/\ce{NO_2^-}\), mientras que el otro par lo es\(\ce{HPO_4^{2-}}/\ce{PO_4^{3-}}\).

Los sistemas tampón en la sangre tienen pares ácido-base conjugados que ayudan a mantener la concentración correcta de ácido y base en la sangre.

Tabla\(\PageIndex{3}\): Definiciones ácido-base
Tipo	Ácido	Base
Arrhenius	\(\ce{H^+}\)iones en solución	\(\ce{OH^-}\)iones en solución
Brønsted-Lowry	\(\ce{H^+}\)donante	\(\ce{H^+}\)aceptor

Recursos Suplementarios

Teorías ácido-base: http://www.kentchemistry.com/links/A...seTheories.htm
Teorías de Ácidos y Bases: http://www.chemguide.co.uk/physical/... /theories.html

Colaboradores y Atribuciones

CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)