9.1: Resistencia a ácidos y bases

Resultados de aprendizaje

• Definir ácidos y bases débiles.
• Escribir una ecuación que represente el comportamiento de un ácido débil.
• Explicar las diferencias entre ácidos fuertes y débiles y bases fuertes y débiles.
• Enumere los 6 ácidos fuertes.
• Calcular los\(K_\text{b}\) valores p\(K_\text{a}\) y p.
• Clasificar los ácidos en orden de fuerza en función de sus\(K_\text{a}\) valores\(K_\text{a}\) y p.
• Clasificar las bases en orden de fuerza en función de sus\(K_\text{b}\) valores\(K_\text{b}\) y p.

Hasta ahora, hemos estado definiendo principalmente ácidos por su capacidad para donar un\(\ce{H^+}\) ion y bases por su capacidad para aceptar un\(\ce{H^+}\) ion. Sin embargo, los ácidos y bases varían en su capacidad relativa para someterse a estos procesos. Que se mencionó cuando hablamos de electrolitos débiles.

En general, los ácidos pueden clasificarse como fuertes o débiles en función de la medida en que se producen\(\ce{H_3O^+}\) cuando se disuelven en agua. Para un ácido genérico, podemos escribir la siguiente reacción de equilibrio:

\[\ce{HA} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{A^-} \left( aq \right)\]

Usando la notación taquigráfica habitual, esta ecuación también se puede escribir de la siguiente manera:

\[\ce{HA} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{A^-} \left( aq \right)\]

Este tipo de equilibrio, en el que se está transfiriendo un protón al agua, a menudo se indica escribiendo la constante de equilibrio como\(K_\text{a}\). La posición relativa de este equilibrio para un ácido determinado determina si se considerará fuerte o débil. Cuando se disuelve en agua, un ácido fuerte transferirá completamente su protón al disolvente. En cuanto al equilibrio anterior, los productos serán fuertemente favorecidos\(\left( K_\text{a} \gg 1 \right)\). De hecho, los productos son tan favorecidos que la reacción inversa a menudo ni siquiera se considera, y la transferencia de protones se escribe como unidireccional. Por ejemplo, el ácido fuerte\(\ce{HCl}\) puede disociarse en agua de acuerdo con la siguiente reacción:

\[\ce{HCl} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right)\]

que a veces se escribe como

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

para simplificar la ecuación eliminando el agua en la ecuación porque el "\(aq\)" indica que el agua está presente. En equilibrio, esencialmente no hay\(\ce{HCl}\) moléculas intactas todavía presentes en solución.

En contraste, el equilibrio para un ácido débil favorece a los reactivos. Un tipo particularmente común de ácido débil es una molécula orgánica que contiene un grupo carboxilo\(\ce{COOH}\). Por ejemplo, el ácido acético (el componente ácido del vinagre) tiene la fórmula\(\ce{CH_3COOH}\). Su ecuación de disociación se puede escribir de la siguiente manera:

\[\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{H_3O^+} \left( aq \right) + \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right)\]

a veces escrito como\(\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right)\). Debido a que estamos tratando con un ácido débil,\(K_\text{a}\) para este equilibrio es mucho menor que 1. En equilibrio, la mayoría de las moléculas de ácido acético siguen intactas, y sólo un pequeño porcentaje ha transferido sus protones al disolvente. Los\(K_\text{a}\) valores para algunos ácidos débiles se enumeran en la siguiente tabla. Todos los ácidos débiles no son iguales

Mesa\(\PageIndex{1}\)

Nombre ácido	Estructura	\(K_\text{a}\)
ácido fluorhídrico	\(\ce{H-F}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">\(7.1 \times 10^{-4}\)
ácido nitroso	\(\ce{O=N-O-H}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">\(4.5 \times 10^{-4}\)
ácido fórmico	\(\ce{HCOOH}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">\(1.7 \times 10^{-4}\)
ácido acético	\(\ce{CH_3COOH}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">\(1.8 \times 10^{-5}\)
ácido cianhídrico	\(\ce{H-CN}\)	\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">\(4.9 \times 10^{-10}\)

La naturaleza de p también\(K_\text{a}\) se utiliza para indicar la fuerza de un ácido. p\(K_\text{a}\) se determina de manera muy parecida al pH tomando el logaritmo negativo de\(K_\text{a}\). Al igual que con el pH, se utiliza para facilitar la gestión de los valores. A medida que aumenta la fuerza de un ácido, su\(K_\text{a}\) valor aumenta y su\(K_\text{a}\) valor p disminuye como se muestra en la tabla anterior. La mayoría de los ácidos que encontrarás en los cursos de química general son ácidos débiles. Hay seis ácidos fuertes comunes (ver tabla a continuación). Si reconoces estos seis entonces puedes asumir que cualquier otro ácido es débil.

Ácidos

• Ácido clorhídrico,\(\ce{HCl}\)
• Ácido bromhídrico,\(\ce{HBr}\)
• Ácido yodhídrico,\(\ce{HI}\)
• Ácido perclórico,\(\ce{HClO_4}\)
• Ácido nítrico,\(\ce{HNO_3}\)
• Ácido sulfúrico,\(\ce{H_2SO_4}\)

Bases Fuertes vs Débiles

Análogamente a la reacción de disociación ácida de la sección anterior, podemos escribir la reacción entre una base genérica y agua de la siguiente manera:

\[\ce{B} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{BH^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\]

A menudo se le da el símbolo a la constante de equilibrio para una reacción en la que una base está desprotonando el agua (tomando el átomo de hidrógeno del agua)\(K_\text{b}\). Las bases fuertes y las bases débiles se pueden definir en función de la posición de este equilibrio. Una base débil tendría un\(K_\text{b}\) valor muy pequeño (mucho menor que 1), lo que indica que la mayoría de las moléculas de la base no eliminan un protón del agua. Por el contrario, una base fuerte tendría un\(K_\text{b}\) valor mayor o igual a 1.

Los compuestos que contienen nitrógeno son un tipo común de base débil. El par solitario en el átomo de nitrógeno puede aceptar un protón del agua de la siguiente manera:

\[\ce{NH_3} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \rightleftharpoons \ce{NH_4^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right)\]

La constante de equilibrio para esta reacción es bastante baja, por lo que la mayoría de\(\ce{NH_3}\) las moléculas no eliminarán un protón del agua. \(K_\text{b}\)y\(K_\text{b}\) los valores de p para algunas bases débiles se enumeran en la siguiente tabla.

Mesa\(\PageIndex{3}\)

Base	\(K_\text{b}\)
etilamina\(\left( \ce{CH_3CH_2NH_2} \right)\)	\ (K_\ text {b}\)” style="vertical-align:middle; ">\(5.6 \times 10^{-4}\)
metilamina\(\left( \ce{CH_3NH_2} \right)\)	\ (K_\ text {b}\)” style="vertical-align:middle; ">\(4.4 \times 10^{-4}\)
amoníaco\(\left( \ce{NH_3} \right)\)	\ (K_\ text {b}\)” style="vertical-align:middle; ">\(1.8 \times 10^{-5}\)

Las únicas bases fuertes que se utilizan comúnmente en los cursos de química general son los compuestos iónicos compuestos por cationes metálicos y aniones hidróxido, tales como\(\ce{NaOH}\),\(\ce{KOH}\), o\(\ce{Ba(OH)_2}\).

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)