1.5: Ácidos, Bases y Sales

Objetivos de aprendizaje

• Explicar las propiedades del agua
• Describir los ácidos inorgánicos y orgánicos
• Describir bases inorgánicas
• Explicar pH, ácidos y bases
• Describir búferes
• Esquema Compuestos iónicos y reacciones químicas

El agua es el compuesto inorgánico más abundante e importante de la tierra. Constituye del 60 al 89 por ciento del volumen de la mayoría de las células vivas, y posee varias propiedades que la hacen vital para la vida. El agua tiene una alta capacidad calorífica. El agua absorbe y libera grandes cantidades de calor antes de cambiar apreciablemente de temperatura. Esta propiedad evita cambios bruscos de temperatura causados por factores externos, como la exposición al sol o al viento, o por condiciones internas que liberan calor rápidamente, como la actividad muscular vigorosa. Como parte del sistema sanguíneo o del ambiente, el agua redistribuye el calor entre las estructuras adyacentes, consiguiendo que la temperatura permanezca homeostática.

Cuando el agua se evapora, o se vaporiza, el agua cambia de un líquido a un gas, vapor de agua. La transformación requiere que se absorba grandes cantidades de calor para romper los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas de agua. Esta propiedad es beneficiosa porque a medida que el agua se evapora de un objeto u organismo se eliminan grandes cantidades de calor proporcionando un enfriamiento eficiente. Esta propiedad se conoce como alto calor de vaporización.

El agua es el mejor solvente en la naturaleza. Se llama el solvente universal. Las moléculas biológicas no reaccionan químicamente a menos que estén en solución, y prácticamente todas las reacciones químicas que ocurren en las células vivas dependen de las propiedades solventes del agua. Las moléculas de agua se denominan polares. Orientan con sus extremos ligeramente negativos hacia los extremos positivos de los solutos. Primero atrayendo las moléculas de soluto, y luego rodeándolas. Esta característica se llama polaridad, y explica la razón por la que los compuestos iónicos y otras pequeñas moléculas reactivas, como ácidos y bases, se disocian en el agua, donde sus iones se separan entre sí y se dispersan uniformemente en el agua formando una verdadera solución. El agua es un disolvente polar.

El agua también forma capas de moléculas de agua, llamadas capas de hidratación, alrededor de grandes moléculas cargadas como la proteína, protegiéndolas de los efectos de otras sustancias cargadas en las áreas y evitando que se sedimenten fuera de la solución. Dichas mezclas de agua proteica son coloides biológicos. El agua es también el principal medio de transporte porque es un excelente solvente polar. Los nutrientes, gases y desechos metabólicos se transportan disueltos en fluidos a base de agua. Los desechos se excretan de organismos vivos en fluidos acuosos. Las moléculas especializadas que lubrican organismos también utilizan el agua como medio de disolución.

El agua es un reactivo importante en muchas reacciones químicas. Los nutrientes se descomponen al agregar una molécula de agua a cada enlace químico que se rompe. Las reacciones de descomposición se denominan más específicamente reacciones de hidrólisis. Cuando se sintetizan carbohidratos grandes o moléculas de proteína a partir de moléculas más pequeñas, se elimina una molécula de agua por cada enlace formado, una reacción que se llama síntesis de deshidratación.

El agua forma cojines resilientes, amortiguando alrededor de ciertas estructuras biológicas proporcionando protección contra traumas físicos.

Cuando sales inorgánicas como el cloruro de sodio (NaCl) se disuelven en agua, se someten a ionización o disociación. Se rompen en iones. Sustancias etiquetadas con ácidos y bases demuestran un comportamiento similar.

Un ácido puede definirse como una sustancia que se disocia en uno o más iones hidrógeno (H+) y uno o más iones negativos (aniones) a un ácido también se le llama donante de protones (H+). Una base se disocia en uno o más iones positivos (cationes) que pueden aceptar o combinar con protones. El hidróxido de sodio (NaOH) es una base porque se disocia para liberar OH-, tiene una fuerte atracción por los protones. Las bases se encuentran entre los aceptores de protones más importantes en química. Una sal es una sustancia que se disocia en el agua en cationes y aniones, ninguno de los cuales es H+ ni OH-.

Ácidos

Las sales, ácidos y bases son electrolitos. Se ionizan y se disocian en agua y pueden conducir una corriente eléctrica.

Los ácidos tienen un sabor agrio, y pueden reaccionar con metales o disolverlos. La definición de un ácido es una sustancia que libera iones de hidrógeno (H+) en cantidades medibles. Los ácidos también se caracterizan por ser donantes de protones porque un ión hidrógeno es un núcleo de hidrógeno, o un solo protón.

Cuando los ácidos se disuelven en agua, liberan iones de hidrógeno (protones) y aniones, partículas cargadas negativamente. La concentración de los protones determina la acidez de la solución. Los aniones tienen poco o ningún efecto sobre la acidez de la solución. El ácido clorhídrico (HCl) se disocia en un protón y un ion cloruro:

• H+, protón + Cl-, anión → HCl

Los organismos vivos mantienen un equilibrio constante de ácidos y bases. Si una concentración particular de ácido o base es demasiado alta o demasiado baja, las enzimas cambian de forma y ya no son efectivas. En ambientes acuosos, los ácidos se disocian en iones de hidrógeno y aniones. Las bases se disocian en iones hidróxido y cationes. Cuantos más iones hidrógeno estén libres en una solución, más ácida será la solución. Cuantos más iones hidróxido estén libres en una solución, más básica o alcalina es la solución.

Las reacciones bioquímicas son sensibles a pequeños cambios en la acidez o alcalinidad del ambiente en el que ocurren. H+ y OH- están involucrados en casi todos los procesos bioquímicos, y cualquier desviación de una banda estrecha de la concentración normal de H+ y OH- modifica drásticamente el funcionamiento de los sistemas. Los ácidos y bases que se forman en los sistemas vivos deben mantenerse en equilibrio.

Es conveniente expresar la cantidad de H+ en una solución mediante una escala logarítmica de pH que oscila entre 0 y 14. El término pH significa potencial de concentración de iones hidrógeno. En una escala logarítmica, un cambio de un número entero tiene 100 veces más iones hidrógeno que una solución de pH 2, y un pH de 2 tiene 100 veces más iones hidrógeno que una solución de pH 3.

Las soluciones ácidas contienen más H+ que OH- y tienen un pH inferior a 7. Si una solución tiene más OH- que H+, es una solución básica o alcalina. En agua pura, un pequeño porcentaje de moléculas se disocian en iones H+ y OH- para que tenga un pH de 7. Cuando las concentraciones de iones de una solución son iguales, la solución tiene un pH de 7 y se considera neutra.

Figura\(\PageIndex{1}\): Representación que demuestra las concentraciones de H+ y OH- a diferentes niveles de pH — Imagen de COC OER está licenciada bajo CC BY 4.0

Se puede cambiar el pH de una solución. Cuando se agregan a una solución sustancias que aumentarán la concentración de iones hidrógeno, entonces el pH disminuirá. En los sistemas, donde están presentes los tampones, el pH no fluctúa tanto como en los sistemas que no contienen tampones. Los tampones evitan que el pH de una solución cambie drásticamente. El pH en el ambiente puede ser alterado por productos de desecho de organismos, contaminantes de la industria y fertilizantes utilizados en campos agrícolas o jardines. Cuando las bacterias se cultivan en un laboratorio, excretan productos de desecho como ácidos que pueden alterar el pH. Si la producción de ácido continuara, el medio donde crecen las bacterias se volverá lo suficientemente ácido como para inhibir las enzimas bacterianas y matar a las bacterias. Para evitar este problema, se agregan tampones de pH a las soluciones o al entorno natural para evitar cambios en el pH. Los tampones resisten un cambio en el pH.

Bases

Las bases tienen un sabor amargo, se sienten resbaladizas y son aceptoras de protones. Absorben iones de hidrógeno en cantidades medibles. Las bases inorgánicas comunes incluyen los hidróxidos como el hidróxido de magnesio y el hidróxido de sodio. Los ácidos de mentira, los hidróxidos se disocian cuando se disuelven en agua. En este caso, se liberan iones hidroxilo (OH-) y cationes. La ionización del hidróxido de sodio produce un ion hidroxilo y un ion sodio. El ion hidroxilo se une a un protón presente en la solución. Esta reacción produce agua y simultáneamente reduce la acidez de la solución al absorber iones H+ libres:

• NaOH → Na+ + OH-
• OH- + H+ → H ₂ O

El término pH se emplea para expresar la intensidad de una solución ácida o alcalina.

Figura\(\PageIndex{2}\): Escala de pH de 0 a 14 que demuestra ácido, neutro y base — Imagen de Heinrich-Böll-Stiftung está licenciada bajo CC BY-SA 2.0

Sales y Neutralización

Cuantos más iones hidrógeno haya una solución, más ácida será la solución. Cuanto mayor es la concentración de iones hidroxilo, más básica, o alcalina, es la solución.

Cuando se mezclan ácidos y bases, reaccionan entre sí en reacciones de desplazamiento para formar agua y una sal. Por ejemplo, cuando el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio interactúan, se forman cloruro de sodio (sal) y agua.

• HCl (ácido) + NaOH (base) → NaCl (sal) + H ₂ O (agua)

Este tipo de reacción se denomina reacción de neutralización porque la unión de H+ y OH- para formar agua neutraliza la solución. La sal producida se disuelve en la solución acuosa y se disocia en iones Na+ y Cl-.

Las sales son compuestos iónicos que contienen cationes distintos de H+ y aniones distintos del ion hidroxilo, OH-. Cuando las sales se disuelven en agua, se disocian en sus iones componentes. El sulfato de sodio, Na2SO4, se disocia en dos iones Na+ y un SO4-2. La sal se disocia porque se forman los iones. El agua supera la atracción entre los iones cargados opositivamente, y se desasocian.

Todos los iones son electrolitos que son sustancias que conducen una corriente eléctrica en solución. Las sales se disocian en soluciones acuosas en iones, y las sales más comunes son las sales de sodio. En su forma ionizada, las sales juegan un papel vital en la naturaleza y en las soluciones acuosas.

Buffers

Los organismos son extremadamente sensibles a ligeros cambios en el pH del ambiente. En altas concentraciones, los ácidos y bases son perjudiciales para las células. La homeostasis del equilibrio ácido-base está regulada por sistemas químicos llamados tampones.

Los tampones resisten cambios abruptos y grandes en el pH de una solución al liberar iones de hidrógeno cuando el pH comienza a subir y al unir iones de hidrógeno cuando el pH baja.

Los sistemas de tampones químicos reaccionan uniendo iones hidrógeno o liberando iones hidrógeno. La acidez de una solución refleja los iones de hidrógeno libres y no los iones de hidrógeno unidos a aniones. Los ácidos que se disocian completa e irreversiblemente en el agua se denominan ácidos fuertes. Pueden cambiar drásticamente el pH de una solución. Los ácidos que no se disocian por completo, como el ácido carbónico (H2CO3) y el ácido acético, son ácidos débiles. Los ácidos no disociados no afectan el pH, por lo que las soluciones de ácido acético son mucho menos ácidas que la solución de ácido clorhídrico. Los ácidos débiles se disocian de manera predecible, y las moléculas del ácido intacto están en equilibrio dinámico con los iones disociados.

Por esta razón, cuando se agrega un ácido fuerte a una solución de un ácido débil el equilibrio se desplazará hacia la izquierda y algo de H+ se recombinará para formar ácido acético. Por otro lado, si se agrega una base fuerte y el pH comienza a subir, el equilibrio se desplaza hacia la derecha y más moléculas acéticas se disocian para liberar iones H+. Esta característica de los ácidos débiles les permite desempeñar un papel en los sistemas de tampón químicos que se encuentran en la naturaleza.

• Ácido acético H+ ↔ H+ + Acético-

Las bases son aceptores de protones. Las bases fuertes son aquellas bases, como los hidróxidos, que se disocian fácilmente en el agua y se unen rápidamente a los iones H+. El bicarbonato de sodio se ioniza incompleta y reversiblemente. Dado que acepta relativamente pocos protones, su ion bicarbonato liberado se considera una base débil.

Uno de los sistemas tampón que ayuda a mantener el pH en soluciones acuosas es el sistema de ácido carbónico-bicarbonato. El ácido carbónico se disocia reversiblemente en soluciones acuosas liberando iones bicarbonato y protones, H+. El equilibrio químico entre el ácido carbónico, un ácido débil y el ion bicarbonato, una base débil, resiste los cambios en el pH desplazándose hacia la derecha o hacia la izquierda a medida que los iones H+ se agregan o eliminan de la solución:

• H2CO3 (caída en el pH) ↔ H+ + HCO3- (aumento del pH)

A medida que el pH aumenta y se vuelve más alcalino, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, obligando a que más ácido carbónico se disocie. De igual manera, a medida que el pH comienza a bajar, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda a medida que más iones bicarbonato comienzan a unirse con protones. Las bases fuertes son reemplazadas por una base débil, el ion bicarbonato. Los protones son liberados por los ácidos fuertes y están amarrados en ácidos débiles, el ácido carbónico. Como resultado, los cambios de pH son mucho menores de lo que serían en ausencia del sistema de amortiguación.

Preguntas de revisión

1. ¿Qué propiedades del agua la hacen esencial para la vida?
2. ¿Qué son los ácidos y las bases?
3. Definir un búfer.

Cuestionario de capítulo

1. ___________ es el compuesto inorgánico más abundante e importante de la tierra.
   1. Sal
   2. Agua
   3. Bicarbonato
   4. Oxígeno
2. A (n) ___________ puede definirse como una sustancia que se disocia en uno o más iones hidrógeno (H+) y uno o más iones negativos (aniones) a un ácido también se le llama donante de protones (H+).
   1. Base
   2. Buffer
   3. Ácido
   4. Sal
3. ___________ se agregan a las soluciones o al ambiente natural para evitar cambios en el pH.
   1. Base
   2. Buffer
   3. Ácido
   4. Sal
4. ___________ tienen un sabor amargo, se sienten resbaladizos y son aceptores de protones. Absorben iones de hidrógeno en cantidades medibles.
   1. Bases
   2. Buffers
   3. Ácidos
   4. Sales
5. Cuando se mezclan ácidos y bases, reaccionan entre sí en reacciones de desplazamiento para formar agua y a (n) ___________.
   1. Base
   2. Buffer
   3. Ácido
   4. Sal
6. Los nutrientes se descomponen al agregar ___________ a cada enlace químico que se rompe.
   1. Una sal
   2. Agua
   3. Bicarbonato
   4. Oxígeno
7. HCl + NaOH → NaCl + H ₂ O: ___________ es una base.
   1. NaOH
   2. HCl
   3. NaCl
   4. H ₂ O
8. HCl + NaOH → NaCl + H ₂ O: ___________ es un ácido.
   1. NaOH
   2. HCl
   3. NaCl
   4. H ₂ O
9. HCl + NaOH → NaCl + H ₂ O: ___________ es una sal.
   1. NaOH
   2. HCl
   3. NaCl
   4. H ₂ O
10. ___________ sistema que ayuda a mantener el pH en soluciones acuosas es el sistema de ácido carbónico-bicarbonato.
    1. Una base
    2. Un búfer
    3. Un ácido
    4. Una sal