21.12: Ácidos fuertes y débiles y constante de ionización ácida\(\left( K_\text{a} \right)\)
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El grabado del vidrio es un proceso lento que puede producir bellas obras de arte. Tradicionalmente, el vidrio ha sido tratado con ácido fluorhídrico diluido que disuelve gradualmente el vidrio debajo del mismo. Las partes de la pieza que no deben ser grabadas están cubiertas con cera o algún otro material no reactivo. En tiempos más recientes, se han utilizado compuestos como el bifluoruro de amonio. Cualquiera que sea el químico que se emplee, el artista debe tener mucho cuidado de no conseguir nada en su piel.
Ácidos fuertes y débiles y constante de ionización ácida
Los ácidos se clasifican como fuertes o débiles, en función de su ionización en agua. Un ácido fuerte es un ácido que está completamente ionizado en una solución acuosa. El cloruro de hidrógeno\(\left( \ce{HCl} \right)\) se ioniza completamente en iones de hidrógeno e iones cloruro en agua.
\[\ce{HCl} \left( g \right) \rightarrow \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right)\nonumber \]
Un ácido débil es un ácido que se ioniza solo ligeramente en una solución acuosa. El ácido acético (que se encuentra en el vinagre) es un ácido débil muy común. Su ionización se muestra a continuación.
\[\ce{CH_3COOH} \left( aq \right) \rightleftharpoons \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{CH_3COO^-} \left( aq \right)\nonumber \]
La ionización del ácido acético es incompleta, por lo que la ecuación se muestra con una flecha doble. El grado de ionización de los ácidos débiles varía, pero generalmente es menor que\(10\%\). Una\(0.10 \: \text{M}\) solución de ácido acético solo está aproximadamente\(1.3\%\) ionizada, lo que significa que el equilibrio favorece fuertemente a los reactivos.
Los ácidos débiles, como los ácidos fuertes, se ionizan para producir el\(\ce{H^+}\) ion y una base conjugada. Debido a que\(\ce{HCl}\) es un ácido fuerte, su base conjugada\(\left( \ce{Cl^-} \right)\) es extremadamente débil. El ion cloruro es incapaz de aceptar el\(\ce{H^+}\) ion y volverse de\(\ce{HCl}\) nuevo. En general, cuanto más fuerte es el ácido, más débil es su base conjugada. Asimismo, cuanto más débil es el ácido, más fuerte es su base conjugada.
| Ácido | Base Conjugada |
|---|---|
| Ácidos Fuertes | |
| \(\ce{HCl}\)(ácido clorhídrico) (más fuerte) | \(\ce{Cl^-}\)(ion cloruro) (más débil) |
| \(\ce{H_2SO_4}\)(ácido sulfúrico) | \(\ce{HSO_4^-}\)(ion sulfato de hidrógeno) |
| \(\ce{HNO_3}\)(ácido nítrico) | \(\ce{NO_3^-}\)(ion nitrato) |
| Ácidos Débiles | |
| \(\ce{H_3PO_4}\)(ácido fosfórico) | \(\ce{H_2PO_4^-}\)(ion dihidrógeno fosfato) |
| \(\ce{CH_3COOH}\)(ácido acético) | \(\ce{CH_3COO^-}\)(ion acetato) |
| \(\ce{H_2CO_3}\)(ácido carbónico) | \(\ce{HCO_3^-}\)(ion hidrogenocarbonato) |
| \(\ce{HCN}\)(ácido cianhídrico) (más débil) | \(\ce{CN^-}\)(ion cianuro) (más fuerte) |
Los ácidos fuertes se\(100\%\) ionizan en solución. Los ácidos débiles solo están ligeramente ionizados. El ácido fosfórico es más fuerte que el ácido acético, por lo que se ioniza en mayor medida. El ácido acético es más fuerte que el ácido carbónico, y así sucesivamente.
La constante de ionización ácida,\(K_\text{a}\)
La ionización para un ácido débil general,\(\ce{HA}\), se puede escribir de la siguiente manera:
\[\ce{HA} \left( aq \right) \rightarrow \ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{A^-} \left( aq \right)\nonumber \]
Debido a que el ácido es débil, se puede escribir una expresión de equilibrio. Una constante de ionización ácida\(\left( K_\text{a} \right)\) es la constante de equilibrio para la ionización de un ácido.
\[K_\text{a} = \frac{\left[ \ce{H^+} \right] \left[ \ce{A^-} \right]}{\left[ \ce{HA} \right]}\nonumber \]
La ionización ácida representa la fracción del ácido original que ha sido ionizado en solución. Por lo tanto, el valor numérico de\(K_\text{a}\) es un reflejo de la fuerza del ácido. Los ácidos débiles con\(K_\text{a}\) valores relativamente más altos son más fuertes que los ácidos con\(K_\text{a}\) valores relativamente menores. Debido a que los ácidos fuertes están esencialmente\(100\%\) ionizados, la concentración del ácido en el denominador es casi cero y el\(K_\text{a}\) valor se acerca al infinito. Por esta razón,\(K_\text{a}\) los valores generalmente se reportan solo para ácidos débiles.
La siguiente tabla es una lista de constantes de ionización ácida para varios ácidos. Nótese que los ácidos polipróticos tienen una constante de ionización distinta para cada etapa de ionización, siendo cada constante de ionización sucesiva menor que la anterior.
| Nombre del ácido | Ecuación de ionización | \(K_\text{a}\) |
|---|---|---|
| Ácido sulfúrico |
\(\ce{H_2SO_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{HSO_4^-}\) \(\ce{HSO_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{SO_4^{2-}}\) |
\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">
muy grande \(1.3 \times 10^{-2}\) |
| Ácido oxálico |
\(\ce{H_2C_2O_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{HC_2O_4^-}\) \(\ce{HC_2O_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{C_2O_4^{2-}}\) |
\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">
\(6.5 \times 10^{-2}\) \(6.1 \times 10^{-5}\) |
| Ácido fosfórico |
\(\ce{H_3PO_4} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{H_2PO_4^-}\) \(\ce{H_2PO_4^-} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{HPO_4^{2--}}\) \(\ce{HPO_4^{2-}} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{PO_4^{3-}}\) |
\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">
\(7.5 \times 10^{-3}\) \(6.2 \times 10^{-8}\) \(4.8 \times 10^{-13}\) |
| Ácido fluorhídrico | \(\ce{HF} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{F^-}\) | \ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(7.1 \times 10^{-4}\) |
| Ácido nitroso | \(\ce{HNO_2} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{NO_2^-}\) | \ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(4.5 \times 10^{-4}\) |
| Ácido benzoico | \(\ce{C_6H_5COOH} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{C_6H_5COO^-}\) | \ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(6.5 \times 10^{-5}\) |
| Ácido acético | \(\ce{CH_3COOH} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{CH_3COO^-}\) | \ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(1.8 \times 10^{-5}\) |
| Ácido carbónico |
\(\ce{H_2CO_3} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{HCO_3^-}\) \(\ce{HCO_3^-} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{CO_3^{2-}}\) |
\ (K_\ text {a}\)” style="vertical-align:middle; ">
\(4.2 \times 10^{-7}\) \(4.8 \times 10^{-11}\) |
| Ácido cianhídrico | \(\ce{HCN} \rightleftharpoons \ce{H^+} + \ce{CN^-}\) | \ (K_\ texto {a}\)” style="vertical-align:middle; text-align:center; ">\(4.9 \times 10^{-10}\) |
Resumen
- Un ácido fuerte es un ácido que está completamente ionizado en una solución acuosa.
- Un ácido débil es un ácido que se ioniza solo ligeramente en una solución acuosa.
- Se define la constante\(\left( K_\text{a} \right)\) de ionización ácida.