Soluciones ácidas y básicas: Arrhenius y escala de pH
En la feria de ciencias del liceo, Valentina prepara tres vasos con jugo de limón, agua de la canilla y una solución diluida de lavandina. Con tiras indicadoras obtiene tres colores distintos. El limón es agrio, la lavandina resbala entre los dedos y el agua no tiene ninguna de las dos características. ¿Qué tienen en común las sustancias que dan esos resultados y qué mide en realidad el número de la tira? Al final de la página volvés a esta pregunta.
Ácidos y bases según Arrhenius
A fines del siglo XIX, el químico sueco Svante Arrhenius propuso una forma de clasificar estas sustancias mirando qué pasa cuando se disuelven en agua.
La clave es el ion que aparece en la solución, no el aspecto de la sustancia. Cuando un ácido se disuelve, las moléculas de agua (que son polares) rodean al ácido y lo separan en iones. A ese proceso se lo llama disociación.
En el agua, el $\ce{H+}$ liberado no queda libre: se une a una molécula de agua y forma $\ce{H3O+}$. Por eso escribimos $\ce{H+}$ o $\ce{H3O+}$ según convenga; en esta página usamos sobre todo $\ce{H3O+}$.
Según la teoría de Arrhenius, ¿qué ion libera un ácido al disolverse en agua y qué ion libera una base? Escribí los símbolos de ambos iones.
Según la teoría de Arrhenius, ¿qué ion libera un ácido al disolverse en agua y qué ion libera una base? Escribí los símbolos de ambos iones.
Nombres y fórmulas de ácidos y bases comunes
Hay unos pocos ácidos y bases que vas a encontrar siempre, en el laboratorio y en la casa.
| Fórmula | Nombre | Tipo | Dónde aparece |
|---|---|---|---|
| $\ce{HCl}$ | ácido clorhídrico | ácido | jugo gástrico (diluido), limpieza de pisos |
| $\ce{H2SO4}$ | ácido sulfúrico | ácido | baterías de auto |
| $\ce{HNO3}$ | ácido nítrico | ácido | fertilizantes |
| $\ce{NaOH}$ | hidróxido de sodio (soda cáustica) | base | destapacañerías, jabones |
| $\ce{KOH}$ | hidróxido de potasio | base | jabones blandos, pilas alcalinas |
| $\ce{Ca(OH)2}$ | hidróxido de calcio (cal) | base | construcción, encalado |
Dos pistas para reconocerlos:
-
Los ácidos de esta lista empiezan con $\ce{H}$ en la fórmula. Su nombre es «ácido» más una terminación: -hídrico para el $\ce{HCl}$ (que no tiene oxígeno) y -ico para el $\ce{H2SO4}$ y el $\ce{HNO3}$ (que sí tienen oxígeno).
-
Las bases de esta lista terminan en $\ce{OH}$ (el grupo hidróxido). Su nombre es «hidróxido de» más el metal.
Clasificá cada una de las siguientes sustancias como ácido o base de Arrhenius: $\ce{HCl}$, $\ce{NaOH}$, $\ce{H2SO4}$, $\ce{KOH}$. Escribí también el nombre de cada una.
Clasificá cada una de las siguientes sustancias como ácido o base de Arrhenius: $\ce{HCl}$, $\ce{NaOH}$, $\ce{H2SO4}$, $\ce{KOH}$. Escribí también el nombre de cada una.
Ecuaciones de disociación en agua
Para mostrar qué libera cada sustancia se escribe una ecuación de disociación: a la izquierda, la sustancia; a la derecha, los iones que aparecen en el agua.
Observá que las cargas se conservan: en $\ce{NaOH -> Na+ + OH-}$ el lado izquierdo es neutro y el derecho suma $+1$ y $-1$.
Con el $\ce{H2SO4}$ hay que mirar que tiene dos hidrógenos: al disolverse en agua libera dos iones hidronio por cada molécula:
$$\ce{H2SO4 + 2 H2O -> 2 H3O+ + SO4^2-}$$(En forma simplificada, $\ce{H2SO4 -> 2 H+ + SO4^2-}$.) Libera $\ce{H3O+}$ ($\ce{H+}$), por eso es un ácido. Fijate que las cargas también se conservan: $2\cdot(+1) + (-2) = 0$.
Escribí la ecuación de disociación en agua del ácido clorhídrico ($\ce{HCl}$) y del hidróxido de sodio ($\ce{NaOH}$). Señalá en cada ecuación el ion que permite…
Escribí la ecuación de disociación en agua del ácido clorhídrico ($\ce{HCl}$) y del hidróxido de sodio ($\ce{NaOH}$). Señalá en cada ecuación el ion que permite clasificar a la sustancia como ácido o como base.
La escala de pH
No todos los ácidos son igual de «fuertes» en una solución: depende de cuántos $\ce{H3O+}$ haya por litro. Para no manejar números diminutos como $0{,}0000001\ \mathrm{mol/L}$ se usa el pH, una escala que va de 0 a 14 (a 25 °C).
Cuanto menor es el pH, más ácida es la solución. Esto parece al revés de lo que uno espera, así que fijate bien.
Probá la escala moviendo el valor:
Valores aproximados de la vida cotidiana: jugo gástrico $\approx 2$; jugo de limón $\approx 2$; café $\approx 5$; agua pura $= 7$; agua con bicarbonato $\approx 8$; limpiadores con amoníaco $\approx 11$; soda cáustica concentrada $\approx 14$.
Indicá si cada solución es ácida, básica o neutra según su pH: pH = 2, pH = 7, pH = 12. Ordenalas de la más ácida a la más básica.
Indicá si cada solución es ácida, básica o neutra según su pH: pH = 2, pH = 7, pH = 12. Ordenalas de la más ácida a la más básica.
Camila mide el pH de tres líquidos de su casa y obtiene: jugo de limón, pH = 2; agua mineral, pH = 7; limpiador con amoníaco, pH = 11. Respondé: ¿cuál tiene mayor…
Camila mide el pH de tres líquidos de su casa y obtiene: jugo de limón, pH = 2; agua mineral, pH = 7; limpiador con amoníaco, pH = 11. Respondé: ¿cuál tiene mayor concentración de iones $\ce{H3O+}$? ¿Cuántas veces mayor es la concentración de $\ce{H3O+}$ del jugo de limón que la del agua mineral?
Calcular el pH con logaritmos
El pH se define a partir de la concentración de iones hidronio, en mol/L:
¿Por qué un logaritmo? Porque las concentraciones de $\ce{H3O+}$ abarcan muchísimos órdenes de magnitud (de $1$ a $10^{-14}\ \mathrm{mol/L}$) y el logaritmo los comprime en una escala de 0 a 14. Cuando la concentración es una potencia de 10, el pH es simplemente el exponente sin el signo:
$$[\ce{H3O+}] = 10^{-n}\ \mathrm{mol/L} \;\Rightarrow\; \mathrm{pH} = n$$La regla que hay que recordar: una diferencia de $n$ unidades de pH significa un factor de $10^{n}$ en $[\ce{H3O+}]$.
Soluciones de bases: usar el pOH
En una base lo que conocemos es $[\ce{OH-}]$. Se calcula primero el pOH y después el pH.
Una solución de ácido clorhídrico tiene una concentración de iones hidronio $[\ce{H3O+}] = 1\times10^{-3}\ \mathrm{mol/L}$. Calculá su pH e indicá si es ácida, básica o…
Una solución de ácido clorhídrico tiene una concentración de iones hidronio $[\ce{H3O+}] = 1\times10^{-3}\ \mathrm{mol/L}$. Calculá su pH e indicá si es ácida, básica o neutra. Recordá que $\mathrm{pH} = -\log[\ce{H3O+}]$.
Se tienen dos soluciones: la solución A con pH = 3 y la solución B con pH = 5. Un compañero afirma que A es «un poco más ácida» que B. Analizá la afirmación calculando…
Se tienen dos soluciones: la solución A con pH = 3 y la solución B con pH = 5. Un compañero afirma que A es «un poco más ácida» que B. Analizá la afirmación calculando $[\ce{H3O+}]$ en cada solución y la relación entre ambas. Después calculá el pH que tendría una solución cuya $[\ce{H3O+}]$ fuera 100 veces menor que la de B.
Se disuelven $0{,}010\ \mathrm{mol}$ de $\ce{NaOH}$ en agua hasta completar $1{,}0\ \mathrm{L}$ de solución. Suponé disociación total y que a $25\,°\mathrm{C}$ se cumple…
Se disuelven $0{,}010\ \mathrm{mol}$ de $\ce{NaOH}$ en agua hasta completar $1{,}0\ \mathrm{L}$ de solución. Suponé disociación total y que a $25\,°\mathrm{C}$ se cumple $[\ce{H3O+}]\cdot[\ce{OH-}] = 1\times10^{-14}$. Calculá $[\ce{OH-}]$, $[\ce{H3O+}]$, el pH y el pOH, y explicá por qué esta solución es básica según Arrhenius. Luego indicá qué le pasa al pH si se diluye la solución 10 veces.
Resumen
Vuelta al principio: el limón, el agua y la lavandina dieron colores distintos porque tienen distinta concentración de $\ce{H3O+}$. El limón libera iones hidronio (ácido, pH bajo), la lavandina diluida tiene más $\ce{OH-}$ (básica, pH alto) y el agua pura tiene la misma cantidad de ambos (neutra, pH = 7).