21.16: Reacción de neutralización y ecuaciones iónicas netas para reacciones de neutralización
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Verter concreto y trabajarlo son trabajos desordenados. En el proceso se genera una gran cantidad de aguas residuales con pH alcalino. A menudo, las regulaciones requieren que estas aguas residuales se limpien en el sitio. Una forma práctica de neutralizar el pH básico es burbujear\(\ce{CO_2}\) en el agua. El dióxido de carbono forma un ácido débil (ácido carbónico\(\ce{H_2CO_3}\)) en solución que sirve para reducir el pH alcalino a algo más cercano al neutro.
Reacciones de neutralización y ecuaciones iónicas netas para reacciones de neutralización
Una reacción de neutralización es una reacción en la que un ácido y una base reaccionan en una solución acuosa para producir una sal y agua. El cloruro de sodio acuoso que se produce en la reacción se llama sal. Una sal es un compuesto iónico compuesto por un catión de una base y un anión de un ácido. Una sal es esencialmente cualquier compuesto iónico que no sea ni un ácido ni una base.
Reacciones Fuertes de Base Fuerte-Ácido
Cuando se mezclan cantidades iguales de un ácido fuerte como el ácido clorhídrico con una base fuerte como el hidróxido de sodio, el resultado es una solución neutra. Los productos de la reacción no tienen las características ni de un ácido ni de una base. La ecuación molecular equilibrada es:
\[\ce{HCl} \left( aq \right) + \ce{NaOH} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NaCl} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
Las reacciones químicas que ocurren en solución acuosa se representan con mayor precisión con una ecuación iónica neta. La ecuación iónica completa para la neutralización del ácido clorhídrico por hidróxido de sodio se escribe de la siguiente manera:
\[\ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right) + \ce{Na^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Na^+} \left( aq \right) + \ce{Cl^-} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
Dado que el ácido y la base son ambos fuertes, están completamente ionizados y así se escriben como iones, como lo es el\(\ce{NaCl}\) formado como producto. Los iones sodio y cloruro son iones espectadores en la reacción, dejando lo siguiente como reacción iónica neta.
\[\ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
Todas las reacciones de neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte simplifican a la reacción iónica neta del ion hidrógeno combinándose con el ion hidróxido para producir agua.
¿Y si el ácido es un ácido diprótico como el ácido sulfúrico? La ecuación molecular equilibrada implica ahora una relación 1:2 entre ácido y base.
\[\ce{H_2SO_4} \left( aq \right) + 2 \ce{NaOH} \left( aq \right) \rightarrow \ce{Na_2SO_4} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
Para que la reacción sea una neutralización completa, el doble de moles de\(\ce{NaOH}\) debe reaccionar con el\(\ce{H_2SO_4}\). La sal de sulfato de sodio es soluble, por lo que la reacción iónica neta vuelve a ser la misma. Diferentes relaciones molares ocurren para otros ácidos polipróticos o bases con múltiples hidróxidos como\(\ce{Ca(OH)_2}\).
Reacciones que involucran un ácido débil o una base débil
Las reacciones en las que al menos uno de los componentes es débil generalmente no dan como resultado una solución neutra. A continuación se muestra la reacción entre ácido nitroso débil e hidróxido de potasio fuerte.
\[\ce{HNO_2} \left( aq \right) + \ce{KOH} \left( aq \right) \rightarrow \ce{KNO_2} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
Para escribir la ecuación neta iónica, el ácido débil debe escribirse como una molécula ya que no se ioniza en gran medida en el agua. La base y la sal están completamente disociadas.
\[\ce{HNO_2} \left( aq \right) + \ce{K^+} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{K^+} \left( aq \right) + \ce{NO_2^-} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
El único ion espectador es el ión potasio, dando como resultado la ecuación iónica neta:
\[\ce{HNO_2} \left( aq \right) + \ce{OH^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NO_2^-} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right)\nonumber \]
El fuerte ion hidróxido esencialmente “obliga” al ácido nitroso débil a ionizarse. El ion hidrógeno del ácido se combina con el ion hidróxido para formar agua, dejando el ion nitrito como el otro producto. La solución resultante no es neutra (pH\(= 7\)), sino que es ligeramente básica.
Las reacciones también pueden involucrar una base débil y un ácido fuerte, resultando en una solución que es ligeramente ácida. A continuación se muestran las ecuaciones moleculares e iónicas netas para la reacción de ácido clorhídrico y amoníaco.
\[\begin{align*} &\ce{HCl} \left( aq \right) + \ce{NH_3} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NH_4Cl} \left( aq \right) \\ &\ce{H^+} \left( aq \right) + \ce{NH_3} \left( aq \right) \rightarrow \ce{NH_4^+} \left( aq \right) \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \left( \ce{Cl^-} \: \text{is a spectator ion} \right) \end{align*}\nonumber \]
Las reacciones entre ácidos y bases que son débiles pueden dar como resultado soluciones neutras, ácidas o básicas.
Resumen
- Una reacción de neutralización es una reacción en la que un ácido y una base reaccionan en una solución acuosa para producir una sal y agua.
- Se dan ecuaciones para neutralizaciones ácido-base.
- Se dan ecuaciones iónicas netas para las reacciones de neutralización.