acidos bases
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ACIDOS Y BASES
INTRODUCCION
Una de las aplicaciones de las leyes del equilibrio químico es el estudio
del comportamiento en disolución de ácidos, bases y sales.
Ácidos y álcalis, o bases, son dos tipos de sustancias conocidas y
utilizadas desde la antigüedad. De propiedades contrapuestas, los
ácidos y las bases se han considerado sustancias opuestas, ya que los
efectos de unos eran neutralizados por los otros.
En un principio los ácidos conocidos eran de origen orgánico como el
vinagre o el jugo de limón. También las bases tenían una procedencia
biológica, como la orina o las cenizas.
En la actualidad, la fabricación de ácido sulfúrico e hidróxido sódico son
la base toda industria moderna.
Desde hace miles de años se sabe que el vinagre, el jugo de limón y muchos
otros alimentos tienen un sabor ácido. Sin embargo, no fue hasta hace unos
cuantos cientos de años que se descubrió por qué estas cosas tenían un sabor
ácido. El término ácido, en realidad, proviene del término Latino acere, que
quiere decir ácido. Aunque hay muchas diferentes definiciones de los ácidos y
las bases, en esta lección introduciremos los fundamentos de la química de los
ácidos y las bases
En el siglo XVII, el escritor irlandés y químico amateur Robert Boyle primero
denominó las substancias como ácidos o bases (llamó a las bases alcalis) de
acuerdo a las siguientes características:
1. Los Ácidos tienen un sabor ácido, corroen el metal, cambian el litmus
tornasol (una tinta extraída de los líquenes) a rojo, y se vuelven menos
ácidos cuando se mezclan con las bases.
2. Las Bases son resbaladizas, cambian el litmus a azul, y se vuelven
menos básicas cuando se mezclan con ácidos.
Aunque Boyle y otros trataron de explicar por qué los ácidos y las bases se
comportan de tal manera, la primera definición razonable de los ácidos y las
bases no sería propuesta hasta 200 años después.
A finales de 1800, el científico sueco Svante Arrhenius propuso que el agua
puede disolver muchos compuestos separándolos en sus iones individuales.
Arrhenius sugirió que los ácidos son compuestos que contienen hidrógeno y
pueden disolverse en el agua para soltar iones de hidrógeno a la solución. Por
ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) se disuelve en el agua de la siguiente
manera:
𝐻𝐶𝑙 =𝐻2𝑂 𝐻𝑎𝑞+ + 𝐶𝑙𝑎𝑞
−
Arrhenius definió las bases como substancias que se disuelven en el agua para
soltar iones de hidróxido (OH-) a la solución. Por ejemplo, una base típica de
acuerdo a la definición de Arrhenius es el hidróxido de sodio (NaOH):
𝑁𝑎𝑂𝐻 =𝐻2𝑂 𝑁𝑎(𝑎𝑞)+ + 𝑂𝐻(𝑎𝑞)
−
La definición de los ácidos y las bases de Arrhenius explica un sinnúmero de
cosas. La teoría de Arrhenius explica el por qué todos los ácidos tienen
propiedades similares (y de la misma manera por qué todas las bases son
similares). Por que todos los ácidos sueltan H+ ia la solución (y todas las bases
sueltan OH-). La definición de Arrhenius también explica la observación de
Boyle que los ácidos y las bases se neutralizan entre ellos. Esta idea, que una
base puede debilitar un ácido, y vice versa, es llamada neutralización.
LA NEUTRALIZACION
Tal como puede ver arriba, los ácidos sueltan H+ en la solución y las bases
sueltan OH-. Si fuésemos a mezclar un ácido y una base, el ión H+ se
combinaría con el ión OH- ion para crear la molécula H2O, o simplemente
agua:
𝐻(𝑎𝑞)+ + 𝑂𝐻(𝑎𝑞)
− = 𝐻2𝑂
La reacción neutralizante de un ácido con una base siempre producirá agua y
sal, tal como se muestra abajo:
Acido Base Agua Sal
𝐻𝐶𝑙 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 = 𝐻2𝑂 + 𝑁𝑎𝐶𝑙
𝐻𝐵𝑟 + 𝐾𝑂 = 𝐻2𝑂 + 𝐾𝐵𝑟
Aunque Arrhenius ayudó a explicar los fundamentos de la química sobre ácidos
y bases, lastimosamente sus teorías tenían límites. Por ejemplo, la definición
de Arrhenius no explica por qué algunas sustancias como la levadura común
(NaHCO3) puede actuar como una base, a pesar de que no contenga iones de
hidrógeno
En 1923, el científico danés Johannes Brønsted y el inglés Thomas Lowry
publicaron diferentes aunque similares trabajos que redefinieron la teoría de
Arrhenius. En las palabras de Brønsted's words, "... los ácidos y las basesson
substancias que tiene la capacidad de dividirse o tomar iones de hidrógeno
respectivamente." La definición de Brønsted-Lowry ampliar el concepto de
Arrhenius sobre los ácidos y las bases.
La definición de Brønsted-Lowry sobre los ácidos es muy similar a la de
Arrhenius, cualquier substancia que pueda donar un ión de hidrógeno, es un
ácido (en la definición de Brønsted, los ácidos son comúnmente referidos como
donantes de protones porque un ión- hidrógeno H+ menos su electron - es
simplemente un protón).
Sin embargo, la definición de Brønsted de las bases es bastante diferente de la
definición de Arrhenius. La base de Brønsted es definida como cualquier
substancia que puede aceptar un ión de hidrógeno. Esencialmente, la base es
el opuesto de un ácido. El NaOH y el KOH, tal como vimos arriba, segruirían
siendo consideradas bases porque pueden aceptar un H+ de un ácido para
formar agua. Sin embargo, la definición de Brønsted-Lowry también explica por
que las substancias que no contienen OH- pueden actuar como bases. La
levadura (NaHCO3), por ejemplo, actúa como una base al aceptar un ión de
hidrógeno de un ácido tal como se ilustra siguientemente:
Acido Base
𝐻𝐶𝑙 + 𝑁𝑎𝐻𝐶𝑂3 = 𝐻2𝐶𝑂3 + 𝑁𝑎𝐶𝑙
En este ejemplo, el ácido carbónico formado (H2CO3) pasa por
descomposición rápida a agua y dióxido de carbono gaseoso, y también las
burbujas de solución como el gas CO2 se liberan.
PH
En la definición de Brønsted-Lowry, ambos los ácidos y las bases están
relacionados con la concentración del ión de hidrógeno presente. Los ácidos
aumentan la concentración de iones de hidrógeno, mientras que las bases
disminuyen en la concentración de iones de hidrógeno (al aceptarlos). Por
consiguiente, la acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su
concentración de iones de hidrógeno
En 1909, el bioquímico danés Sören Sörensen inventó la escala pH para medir
la acidez. La escala pH está descrita en la fórmula
𝑃𝐻 = −𝐿𝑜𝑔 [𝐻+]
La concentración es comúnmente abreviada usando logaritmo, por
consiguiente [H+] = concentración de ión de hidrógeno. Cuando se mide el pH,
[H+] es una unidad de moles H+ por litro de solución
Por ejemplo, una solución con [H+] = 1 x 10-7 moles/litro tiene un pH = 7 (una
manera más simple de pensar en el pH es que es igual al exponente del H+ de
la concentración, ignorando el signo de menos). La escala pH va de 0 a 14. Las
substancias con un pH entre S 0 o menos de 7 son ácidos (pH y [H+] están
inversamente relacionados, menor pH significa mayor [H+]). Las substancias
con un pH mayor a 7 y hasta 14 son bases (mayor pH significa menor [H+]).
Exactamente en el medio, en pH = 7, están las substancias neutra s, por
ejemplo, el agua pura. La relación entre [H+] y pH está mostrada en la tabla de
abajo, junto algunos comunes ejemplos de ácidos y base de la vida cotidiana.
El término ácido es asociado con líquidos altamente peligrosos y corrosivos,
razón que no es cierta del todo, ya que existen ácidos en una infinidad de frutas
y verduras que no son propiamente corrosivos o en medicamentos para el dolor
de cabeza, como el ácido acetilsalicílico. Los términos base y álcali
probablemente no resulten familiares, sin embargo, están presentes en
productos de limpieza con amonia, en la sosa utilizada para remover
cochambre, aun en remedios contra las agruras o acidez como el bicarbonato
de sodio, en las sales derivadas de la uva y los geles de aluminio o magnesio.
Los ácidos son sustancias que en disolución acuosa forman iones hidronio
H3O. Las bases son sustancias que en disolución acuosa forman iones
hidroxilo OH- .
Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), químico francés, fue el primero en
estudiar los ácidos y las bases. Observó que los ácidos se formaban
disolviendo en agua el producto obtenido al quemar elementos no metálicos en
atmósfera de oxígeno (óxidos no metálicos). Posteriormente, Humphrey Davy
(1778-1829), químico inglés, demostraría que el ácido clorhídrico carecía de
oxígeno.
Por la misma época, Gay-Lussac (1778-1850), físico y químico francés,
comprobó que el ácido cianhídrico tampoco contenía oxígeno. Davy y Gay-
Lussac sugirieron que las propiedades de los ácidos se debían a su contenido
en hidrógeno y no en oxígeno. Diversas teorías han tratado de precisar los
conceptos de ácido y base con mayor fundamento. Según Arrhenius, Brönsted-
Lowry y Lewis, ácidos y bases pueden considerarse químicamente opuestos,
ya que al reaccionar entre ellos se neutralizan entre sí, cambiando las
propiedades iniciales características en ambos. De hecho, la química de estas
reacciones entre ácidos y bases se conoce como reacción de neutralización y
es de las más antiguas que se han identificado.
PROPIEDADES DE LOS ÁCIDOS:
1. Tienen un sabor ácido dan un color característico a los indicadores
2. Reaccionan con los metales liberando hidrógeno.
3. Reaccionan con las bases en proceso denominado neutralización en el
que ambos pierden sus características.
ACIDOS FUERTES
ACIDOS DEBILES
HCLO4 Ácido Perclórico
H2CO3 Ácido Carbónico
HCL Ácido Clorhídrico
H2S Ácido Sulfhídrico
H2SO4 Ácido Sulfúrico
HC3-COOH Ácido Acético (compuesto orgánico)
HNO3 Ácido Nítrico
HBrO Ácido Hipobromoso
PROPIEDADES DE LAS BASES
1. Tienen un sabor amargo
2. Dan un color característico a los indicadores (distinto al de los acidos)
3. Tienen un tacto jabonoso
BASES FUERTES
BASES DEBILES
NaOH Hidróxido de sodio (soda caustica)
NH4OH Hidróxido de amonio
KOH Hidróxido de potasio (potasa)
NH2OH Hidroxilamina
LiOH Hidróxido de Litio
Ca(OH)2 Hidróxido de calcio (cal apagada)
ACIDOS Y BASES EN LA COCINA
Los ácidos y las Bases tienen un papel fundamental no sólo en la preparación
de los alimentos sino en su conservación.
Nuestras abuelitas aprendieron que poner un poco de bicarbonato o
tequesquite del Nahualt tetl "piedra" y quizquitl "brotante" en el agua empleada
para cocer los vegetales hacía que estos no perdieran su color verde. Lo que
seguramente no sabían es que durante el cocimiento se libera el ácido
contenido en las células del vegetal y cambia el color de la clorofila, pero con el
bicarbonato presente en el agua el ácido se neutraliza y los vegetales
conservan su color.
Otra forma de mantener el color verde brillante de los vegetales es cocerlos en
olla de cobre o de aluminio, porque durante la cocción se forman el hidróxido
de cobre II Cu(OH)2 o el hidróxido de aluminio III Al(OH)3 según sea el caso se
neutraliza el ácido responsable de la pérdida del Mg de la clorofila.
Si agregas unas gotas de limón o vinagre a un vaso de leche, observarás el
mismo fenómeno pero en menor tiempo. La leche además de coagularse por
medio de un ácido, también lo hace por calor los flanes y las natillas son
ejemplo de ello. En general un medio ácido alarga alarga la vida de los
alimentos, razón por la cual se fermentan intencionalmente el yogur, el vinagre
y el queso.
En el polvo para hornear que incluyen las recetas de panes y pasteles
contienen las sustancias químicas que producen el dióxido de carbono CO2:
Bicarbonato de sodio NaHCO3, fostato ácido de calcio CaHPO4 y el sulfato
doble de sodio y aluminio [NaAl(SO4)2].
El dióxido de carbono que se desprende se distribuye por toda la masa o pasta
en pequeñas burbujas que se expanden durante el horneado, dándole la
ligereza al producto final.
Cuando se utiliza levadura (un microorganismo vivo) el proceso es más lento y
diferente, la levadura metaboliza los azúcares que contiene la masa y se
produce alcohol etílico y dióxido de carbono. El alcohol etílico se evapora
durante el proceso de horneado y el dióxido de carbono se distribuye durante el
amasado, se expande y provoca que la masa suba. Los egipcios fueron los
primeros en descubrir que dejando fermentar la masa se producen gases que
hacian al pan más ligero.
ACIDO - BASE DONDE SE ENCUENTRA
Ácido Acético Vinagre
Ácido Acetil Salicílico Aspirina
Ácido Ascórbico Vitamina C
Ácido Cítrico Zumo de cítricos
Ácido Clorhídrico Sal fumante para limpieza
jugos gástricos
Ácido Sulfúrico Baterías de coches
Amoniaco(base) Limpiadores caseros
Hidróxido de Magnesio (base) Leche de magnesia (laxante antiácido)
SALES
Cuando se neutralizan dos soluciones, una básica con otra ácida, quedan en
disolución iones positivos originarios de la base y negativos provenientes del
ácido. Cada ion estará rodeado de moléculas de agua (solvatado), lo que
evitará que se una un ion negativo con uno positivo. Si se evapora el agua,
llegará el momento en que los iones se unan formando cristales de una sal.
Una sal es un compuesto formado a partir del ion negativo de un ácido y del ion
positivo de una base. Según S. Arrhenius, una neutralización se efectúa entre
un ácido y una base para formar una sal y agua.
Una sal es un compuesto cristalino formado a partir del ion negativo de un
ácido y del ion positivo de una base. No necesariamente de una neutralización
vamos a obtener sales neutras, también sales ácidas y básicas se pueden
producir.
Sales neutras se forman cuando todos los iones hidrógeno (H+) del
ácido son sustituidos por un metal.
Ejemplos:
KNO3 nitrato de potasio
Na2SO4 sulfato de sodio
K2CO3 carbonato de potasio
Sales ácidas se forman por la sustitución parcial de los iones hidrógeno
(H+) de un ácido por un catión metálico
Ejemplos:
NaHSO4 sulfato ácido de sodio o bisulfato de sodio
NaHCO3 carbonato ácido de sodio o bicarbonato de sodio
KHSO4 sulfato ácido de potasio o bisulfato de potasio
Sales básicas son aquellas cuyo catión contiene todavía iones hidroxilo
OH–
Ejemplo:
ZnOHCl cloruro monobásico de zinc
Bi(OH)2NO3 nitrato dibásico de bismuto
CaOHCl cloruro monobásico de calcio
Propiedades y características de las sales
Son sólidas a temperatura ambiente.
Su punto de fusión se encuentra en el intervalo de 500 a 1000º C; sin
embargo, algunas se funden a menor o mayor temperatura.
Se descomponen antes de llegar a fundir.
Las sales son incoloras, pero existen de todos colores e inodoras.
Las sales solubles en agua poseen sabor característico, las otras son
insípidas.
Presentan forma de cristalización bien definida.
Las disoluciones acuosas y las sales fundidas conducen la corriente
eléctrica.
Las disoluciones de las sales contienen iones positivos y negativos.
En el agua potable existen pequeñísimas cantidades de sales disueltas
como cloruro de sodio, potasio o magnesio; sulfato de sodio o calcio;
carbonato de calcio, las cuales son esenciales para la vida.
CALOR DE NAUTRALIZACION
La experiencia indica que todas las reacciones químicas son acompañadas de
desprendimiento o absorción de energía en forma de calor. Se ha comprobado
experimentalmente que la cantidad de energía calorífica desprendida o
absorbida en las reacciones, depende de la clase de reactivos y de los
productos de la reacción, de las cantidades empleadas, así como de la
temperatura y presión.
Una reacción química exotérmica es la que se produce con desprendimiento de
calor. Mientras que a las realizadas con absorción de calor se les llama
endotérmicas. La reacción química de neutralización es aquella en la que un
ácido reacciona con una base, dando lugar a una sal y agua. La formación del
agua actúa como la fuerza impulsora de la neutralización, ya que este
compuesto sólo se ioniza ligeramente y en su formación genera
desprendimiento de calor. Esto sucede en ácidos fuertes como el clorhídrico,
sulfúrico, nítrico, etc., cuando se neutralizan con bases fuertes como los
hidróxidos de sodio o potasio.
PH
Los químicos usan el pH para indicar de forma precisa la acidez o basicidad de
una sustancia. Normalmente oscila entre los valores de 0 (más ácido) y 14
(más básico). En la tabla siguiente aparece el valor del pH para algunas
sustancias comunes.
pH DE ALGUNAS SUSTANCIAS
Sustancia pH Sustancia pH
Jugos gástricos
2.0 Amoniaco
casero 11.5
Limones 2.3 Leche de magnesia
10.5
Vinagre 2.9 Pasta de dientes
9.9
Refrescos 3.0
Disolución saturada de bicarbonato
de sodio
8.4
Vinos 3.5 Agua de mar 8.0
Naranjas 3.5 Huevos frescos
7.8
Tomates 4.2 Sangre humana
7.4
Lluvia acida 5.6 Saliva (al comer)
7.2
Orina humana
6.0 Agua pura 7.0
Leche de vaca
6.4 Saliva
(reposo) 6.6
INDICADOR
Los indicadores son colorantes orgánicos, que cambian de color según estén
en presencia de una sustancia ácida, o básica.
La escala de pH —igual al logaritmo negativo de la concentración de H3O+—
se utiliza para indicar la acidez o basicidad de cualquier disolución acuosa.
Para poder comparar la acidez y la basicidad en las disoluciones se utiliza una
escala numérica llamada escala pH. Si la disolución tiene un pH menor que 7
se dice que es ácida; si el pH es mayor que ese número, básica. El pH igual a 7
indica que la disolución es neutra, éste es el caso del agua destilada
(químicamente pura), a 25 º C y el pH fisiológico de la sangre es 7.4.
Funcionamiento de los indicadores en disoluciones ácidas o básicas Estos
indicadores se usan en cantidades muy pequeñas (2 a 3 mg en una disolución)
y algunos de ellos funcionan de la siguiente manera: Los indicadores cambian
su estructura al modificarse el pH, estos cambios hacen que viren de color de
forma reversible, por ejemplo: la fenolftaleína por cambio en pH puede pasar de
incolora a roja y viceversa.
INDICADOR CAMBIO DE COLOR
Acido + fenolftaleína Incolora
Acido + papel tornasol azul
Rosa
Acido + anaranjado de metilo
Rojo
Base + fenolftaleína Rojo
Base + papel tornasol rojo
Azul
Base + anaranjado de metilo
Amarillo
Otros indicadores importantes son: rojo de metilo, rojo de fenol, violeta de
metilo, azul de bromofenol, verde de bromocresol, entre otros. Sin embargo,
existen limitaciones en el empleo de los indicadores como en las soluciones
coloreadas, ya que el color de una disolución puede disfrazar cambios del
indicador; sumado a esto, la limitación del ojo humano para distinguir un ligero
cambio de color. Una manera de medir el pH es el uso del potenciómetro. Este
aparato mide el pH por medio de electrodos.