4.6: Reacciones de neutralización

Objetivos de aprendizaje

• Identificar un ácido y una base.
• Identificar una reacción de neutralización y predecir sus productos.

En el Capítulo 3, definimos un ácido como un compuesto iónico que contiene H ⁺ como catión. Esto es un poco incorrecto, pero hasta que se desarrollaran conceptos adicionales, era necesario esperar una mejor definición. Ahora podemos redefinir un ácido: un ácido es cualquier compuesto que aumente la cantidad de ion hidrógeno (H ⁺) en una solución acuosa. El químico opuesto de un ácido es una base. La definición equivalente de una base es que una base es un compuesto que aumenta la cantidad de ion hidróxido (OH ⁻) en una solución acuosa. Estas definiciones originales fueron propuestas por Arrhenius (la misma persona que propuso la disociación iónica) en 1884, por lo que se les conoce como la definición de Arrhenius de un ácido y una base, respectivamente.

Es posible que reconozcas que, con base en la descripción de un átomo de hidrógeno, un ion H ⁺ es un átomo de hidrógeno que ha perdido su electrón solitario; es decir, H ⁺ es simplemente un protón. ¿Realmente tenemos protones desnudos moviéndose en solución acuosa? No. Lo que es más probable es que el ion H ⁺ se haya adherido a una (o más) molécula (s) de agua. Para representar esto químicamente, definimos el ion hidronio como H ₃ O ⁺, que representa un protón adicional unido a una molécula de agua. Utilizamos el ion hidronio como la forma más lógica en que aparece un ión hidrógeno en una solución acuosa, aunque en muchas reacciones químicas H ⁺ y H ₃ O ⁺ se tratan de manera equivalente.

La reacción de un ácido y una base se denomina reacción de neutralización. Aunque los ácidos y las bases tienen sus propias químicas únicas, el ácido y la base cancelan la química de cada uno para producir una sustancia bastante inocua: el agua. De hecho, la reacción general entre un ácido y una base es:

\[\ce{acid + base → water + salt}\nonumber \]

donde el término sal se usa generalmente para definir cualquier compuesto iónico (soluble o insoluble) que se forma a partir de una reacción entre un ácido y una base. (En química, la palabra sal se refiere a algo más que sal de mesa). Por ejemplo, la ecuación química equilibrada para la reacción entre HCl (ac) y KOH (ac) es

\[\ce{HCl(aq) + KOH(aq) → H2O(ℓ) + KCl(aq)}\nonumber \]

donde la sal es KCl. Al contar el número de átomos de cada elemento, encontramos que solo se forma una molécula de agua como producto. Sin embargo, en la reacción entre HCl (ac) y Mg (OH) ₂ (aq), se requieren moléculas adicionales de HCl y H ₂ O para equilibrar la ecuación química:

\[\ce{2HCl(aq) + Mg(OH)2(aq) → 2H2O(ℓ) + MgCl2(aq)}\nonumber \]

Aquí, la sal es MgCl ₂. (Esta es una de las varias reacciones que ocurren cuando se usa un tipo de antiácido, una base, para tratar el ácido estomacal).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Escribe las reacciones de neutralización entre cada ácido y base.

1. HNO ₃ (aq) y Ba (OH) ₂ (aq)
2. H ₃ PO ₄ (aq) y Ca (OH) _{2 (aq)}

Solución

Primero, escribiremos la ecuación química con las fórmulas de los reactivos y los productos esperados; luego equilibraremos la ecuación.

1. Los productos esperados son agua y nitrato de bario, por lo que la reacción química inicial es\[\ce{HNO3(aq) + Ba(OH)2(aq) → H2O(ℓ) + Ba(NO3)2(aq)}\nonumber \]

   Para equilibrar la ecuación, necesitamos darnos cuenta de que habrá dos moléculas H ₂ O, por lo que se requieren dos moléculas HNO ₃:\[\ce{2HNO3(aq) + Ba(OH)2(aq) → 2H2O(ℓ) + Ba(NO3)2(aq)}\nonumber \]

   Esta ecuación química ahora está equilibrada.

2. Los productos esperados son agua y fosfato de calcio, por lo que la ecuación química inicial es\[\ce{H3PO4(aq) + Ca(OH)2(aq) → H2O(ℓ) + Ca3(PO4)2(s)}\nonumber \]

   De acuerdo con las reglas de solubilidad, Ca ₃ (PO ₄) ₂ es insoluble, por lo que tiene una etiqueta de fase (s). Para equilibrar esta ecuación, necesitamos dos iones fosfato y tres iones calcio. Terminamos con seis moléculas de agua para equilibrar la ecuación:\[\ce{2H3PO4(aq) + 3Ca(OH)2(aq) → 6H2O(ℓ) + Ca3(PO4)2(s)}\nonumber \]

   Esta ecuación química ahora está equilibrada.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Escribir la reacción de neutralización entre H ₂ SO ₄ (aq) y Sr (OH) ₂ (aq).

Contestar

\[\ce{H2SO4(aq) + Sr(OH)2(aq) → 2H2O(ℓ) + SrSO4(aq)}\nonumber \]

Las reacciones de neutralización son un tipo de reacción química que se produce incluso si un reactivo no está en la fase acuosa. Por ejemplo, la reacción química entre HCl (ac) y Fe (OH) ₃ (s) sigue procediendo de acuerdo con la ecuación:

\[\ce{3HCl(aq) + Fe(OH)3(s) → 3H2O(ℓ) + FeCl3(aq)}\nonumber \]

aunque Fe (OH) ₃ no es soluble. Cuando uno se da cuenta de que el Fe (OH) ₃ (s) es un componente del óxido, esto explica por qué algunas soluciones de limpieza para manchas de óxido contienen ácidos: la reacción de neutralización produce productos que son solubles y se eliminan por lavado. (Lavar con ácidos como HCl es una forma de eliminar el óxido y las manchas de óxido, ¡pero el HCl debe usarse con precaución!)

Las reacciones iónicas completas y netas para las reacciones de neutralización dependerán de si los reactivos y productos son solubles, incluso si reaccionan el ácido y la base. Por ejemplo, en la reacción de HCl (ac) y NaOH (ac),

\[\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(ℓ) + NaCl(aq)}\nonumber \]

la reacción iónica completa es

\[\ce{H^{+}(aq) + Cl^{−}(aq) + Na^{+}(aq) + OH^{−}(aq) → H2O(ℓ) + Na^{+}(aq) + Cl^{−}(aq)}\nonumber \]

Los iones Na ⁺ (aq) y Cl ⁻ (aq) son iones espectadores, por lo que podemos eliminarlos para tener

\[\ce{H^{+}(aq) + OH^{−}(aq) → H2O(ℓ)}\nonumber \]

como la ecuación iónica neta. Si quisiéramos escribir esto en términos del ion hidronio, H ₃ O ⁺ (aq), lo escribiríamos como

\[\ce{H3O^{+}(aq) + OH^{−}(aq) → 2H2O(ℓ)}\nonumber \]

Con la excepción de la introducción de una molécula de agua extra, estas dos ecuaciones iónicas netas son equivalentes.

Sin embargo, para la reacción entre HCl (ac) y Cr (OH) ₂ (s), debido a que el hidróxido de cromo (II) es insoluble, no podemos separarlo en iones para la ecuación iónica completa:

\[\ce{2H^{+}(aq) + 2Cl^{−}(aq) + Cr(OH)2(s) → 2H2O(ℓ) + Cr^{2+}(aq) + 2Cl^{−}(aq)}\nonumber \]

Los iones cloruro son los únicos iones espectadores aquí, por lo que la ecuación iónica neta es

\[\ce{2H^{+}(aq) + Cr(OH)2(s) → 2H2O(ℓ) + Cr^{2+}(aq)}\nonumber \]

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

El ácido oxálico, H ₂ C ₂ O ₄ (s) y Ca (OH) ₂ (s) reaccionan muy lentamente. ¿Cuál es la ecuación neta iónica entre estas dos sustancias si la sal formada es insoluble? (El anión en el ácido oxálico es el ion oxalato, C ₂ O ₄ ^{2 −}.)

Solución

Los productos de la reacción de neutralización serán agua y oxalato de calcio:

H ₂ C ₂ O ₄ (s) + Ca (OH) ₂ (s) → 2H ₂ O (l) + CaC ₂ O ₄ (s)

Debido a que no se disuelve nada, no hay sustancias para separar en iones, por lo que la ecuación iónica neta es la ecuación de los tres sólidos y un líquido.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cuál es la ecuación iónica neta entre HNO ₃ (aq) y Ti (OH) ₄ (s)?

Contestar

4H ⁺ (aq) + Ti (OH) ₄ (s) → 4H ₂ O (l) + Ti ^{4 +} (aq)

Claves para llevar

• La definición de Arrhenius de un ácido es una sustancia que aumenta la cantidad de H ⁺ en una solución acuosa.
• La definición de Arrhenius de una base es una sustancia que aumenta la cantidad de OH ⁻ en una solución acuosa.
• La neutralización es la reacción de un ácido y una base, que forma agua y una sal.
• Las ecuaciones iónicas netas para las reacciones de neutralización pueden incluir ácidos sólidos, bases sólidas, sales sólidas y agua.