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Transformaciones químicas · Ácidos y bases

Modelos ácido-base y pares conjugados

El jugo de limón que le exprimes a un ajiaco y el ácido de la batería de una moto son los dos «ácidos». Uno se puede tomar en limonada; el otro quema la piel al contacto. Decir que algo es «ácido» no basta: hace falta un modelo que explique qué ocurre a nivel molecular, y ese modelo debe distinguir entre lo fuerte que es un ácido y lo concentrado que está.

De Arrhenius a Brønsted-Lowry

Si acercas dos frascos abiertos, uno de amoníaco concentrado y otro de ácido clorhídrico concentrado, se forma en el aire una niebla blanca de cloruro de amonio sólido sin que intervenga una sola gota de agua líquida. ¿Cómo se explica esta neutralización si no hay solución acuosa que libere iones?

La primera teoría moderna, propuesta por Svante Arrhenius en 1884, define ácido y base por lo que liberan al disolverse en agua.

Esta definición funciona bien para ácidos y bases «clásicos», pero deja fuera casos evidentes: el amoníaco, $\mathrm{NH_3}$, no tiene ningún $\mathrm{OH^-}$ en su fórmula y sin embargo es una base. En 1923, Johannes Brønsted y Thomas Lowry propusieron, de forma independiente, un modelo más general basado en la transferencia de un protón.

Ambos modelos son provisionales: cada uno se creó para explicar lo que el anterior no podía. Arrhenius sirve muy bien en agua; Brønsted-Lowry amplía el alcance a cualquier medio.

Comparativa entre las definiciones y limitaciones de las teorías ácido-base de Arrhenius y de Brønsted-Lowry. Arrhenius (1884) ácido → libera H⁺ base → libera OH⁻ solo tiene sentido en solución acuosa Brønsted-Lowry (1923) ácido → cede H⁺ base → acepta H⁺ válido en cualquier solvente, incluso sin él

La neutralización en los dos modelos

Una neutralización es la reacción entre un ácido y una base. Veamos la de $\mathrm{NaOH}$ con $\mathrm{HNO_3}$, que se usa como ejemplo típico.

Y ahora el caso del gancho inicial:

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La comprensión del comportamiento de los ácidos y las bases evolucionó de forma decisiva a finales del siglo XIX y principios del XX. Considera las sustancias…

La comprensión del comportamiento de los ácidos y las bases evolucionó de forma decisiva a finales del siglo XIX y principios del XX. Considera las sustancias $\mathrm{HCl}$ y $\mathrm{NH}_3$ a $25\,^{\circ}\mathrm{C}$.

  1. a) Justifica por qué el cloruro de hidrógeno se comporta como ácido según la teoría de Arrhenius y según la teoría de Brønsted-Lowry, escribiendo la ecuación química que corresponda en solución acuosa.
  2. b) Explica razonadamente por qué una interpretación histórica estricta basada solo en disociar hidróxidos no describe directamente al amoníaco. Escribe su reacción con agua y explica cómo la transferencia protónica origina iones hidróxido, compatible con la definición acuosa ampliada de base.
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El concepto de neutralización presenta interpretaciones complementarias según el marco teórico utilizado. a) Describe la reacción de neutralización en solución acuosa…

El concepto de neutralización presenta interpretaciones complementarias según el marco teórico utilizado.

  1. a) Describe la reacción de neutralización en solución acuosa entre soluciones de hidróxido de sodio, $\mathrm{NaOH}$, y ácido nítrico, $\mathrm{HNO}_3$, formulando la ecuación iónica neta y justificando el proceso según la definición de Arrhenius.
  2. b) Considera ahora la reacción entre los gases amoníaco, $\mathrm{NH}_3(\mathrm{g})$, y cloruro de hidrógeno, $\mathrm{HCl}(\mathrm{g})$, para formar el sólido blanco cloruro de amonio, $\mathrm{NH}_4\mathrm{Cl}(\mathrm{s})$, en ausencia completa de solvente. Razona si este proceso es una neutralización según Arrhenius y según Brønsted-Lowry, indicando el ácido, la base y el protón transferido.
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Pares ácido-base conjugados

Esquema de un ácido que cede un protón a una base y se transforma en su base conjugada, formando el par HA/A⁻. cede H⁺ HA (ácido) A⁻ (base conj.) H⁺ transferido de HA a una base B par conjugado HA/A⁻: una carga de diferencia

¿Hacia dónde va una transferencia de protón?

En una transferencia $\mathrm{HA} + \mathrm{B^-} \rightleftharpoons \mathrm{A^-} + \mathrm{HB}$ compiten dos ácidos, $\mathrm{HA}$ y $\mathrm{HB}$, por quedarse con el protón. El equilibrio se inclina hacia el lado del ácido más débil (y, por tanto, de la base más débil), porque ese es el que retiene mejor el protón. Dicho de otro modo: el protón pasa del ácido más fuerte a la base más fuerte.

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En el marco de la teoría de Brønsted-Lowry, dos especies químicas forman un par ácido-base conjugado si están relacionadas mediante la transferencia de exactamente un…

En el marco de la teoría de Brønsted-Lowry, dos especies químicas forman un par ácido-base conjugado si están relacionadas mediante la transferencia de exactamente un protón ($\mathrm{H}^+$), lo que conlleva una variación de una unidad en su carga eléctrica neta.

  1. a) Escribe la fórmula molecular o iónica de la base conjugada de cada una de las siguientes especies químicas ácidas: ion hidrogenosulfato, $\mathrm{HSO}_4^-$, e ion hidronio, $\mathrm{H}_3\mathrm{O}^+$.
  2. b) Escribe la fórmula molecular o iónica del ácido conjugado correspondiente a cada una de las siguientes bases: ion hidrogenofosfato, $\mathrm{HPO}_4^{2-}$, y metilamina, $\mathrm{CH}_3\mathrm{NH}_2$.
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Especies anfipróticas y autoionización del agua

Si echas bicarbonato de sodio sobre vinagre hay efervescencia porque neutraliza el ácido; pero si lo mezclas con una solución de soda cáustica (hidróxido de sodio) también reacciona, neutralizando la base. ¿Cómo puede una misma sustancia comportarse como base ante unos reactivos y como ácido ante otros?

El agua misma es anfiprótica, y esto tiene una consecuencia fundamental: dos moléculas de agua pueden reaccionar entre sí.

Esquema del equilibrio de autoionización del agua mediante la transferencia de un protón entre dos moléculas para dar iones hidronio e hidróxido. H₂O (ácido) H₂O (base) H₃O⁺ OH⁻
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Se denominan sustancias anfipróticas aquellas que pueden ceder o aceptar protones según la especie química frente a la que reaccionen. El ion hidrogenocarbonato,…

Se denominan sustancias anfipróticas aquellas que pueden ceder o aceptar protones según la especie química frente a la que reaccionen. El ion hidrogenocarbonato, $\mathrm{HCO}_3^-$, es una especie anfiprótica de gran relevancia en disolución acuosa a $25\,^{\circ}\mathrm{C}$.

  1. a) Escribe la reacción ajustada en la que el ion hidrogenocarbonato actúa como ácido de Brønsted-Lowry frente al anión hidróxido, $\mathrm{OH}^-$, identificando los dos pares ácido-base conjugados.
  2. b) Escribe la reacción ajustada en la que el ion hidrogenocarbonato actúa como base de Brønsted-Lowry frente al ion oxonio, $\mathrm{H}_3\mathrm{O}^+$, identificando igualmente los dos pares conjugados.
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Fuerza ácida y concentración: dos cosas distintas

La fuerza de un ácido es su grado de disociación en agua; la concentración es la cantidad de ácido disuelto, en mol/L. Son cosas distintas, y su cálculo se ve en el apartado de pH, $K_a$ y $K_b$.

Vuelve al principio: el jugo de limón es inocuo porque contiene un ácido débil (cítrico) poco disociado y a baja concentración, mientras que el ácido de la batería de la moto quema la piel porque combina la máxima fuerza ácida (el $\mathrm{H_2SO_4}$ se disocia casi por completo) con una concentración muy elevada.

Resumen

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