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Reacción ácido-base

Una reacción ácido-base o reacción de neutralización es una reacción química que ocurre entre un ácido, por ejemplo el ácido clorhídrico y una base, el hidróxido de sodio, produciendo la sal, cloruro de sodio o sal común.


La palabra "sal" describe cualquier compuesto iónico cuyo catión provenga de una base (Na+ del NaOH) y cuyo anión provenga de un ácido (Cl- del HCl). Las reacciones de neutralización son generalmente exotérmicas, lo que significa que desprenden energía en forma de calor. Se les suele llamar de neutralización porque al reaccionar un ácido con una base, estos neutralizan sus propiedades mutuamente.

Existen varios conceptos que proporcionan definiciones alternativas para los mecanismos de reacción involucrados en estas reacciones, y su aplicación en problemas en disolución relacionados con ellas. La palabra neutralización se puede interpretar como aniquilación o como eliminación, lo cual no está muy lejano a la realidad. Cuando un ácido se mezcla con una base ambas especies reaccionan en diferentes grados que dependen en gran medida de las concentraciones y volúmenes del ácido y la base a modo ilustrativo se puede considerar la reacción de un ácido fuerte que se mezcla con una base débil, esta última será neutralizada completamente, mientras que permanecerá en disolución una porción del ácido fuerte, dependiendo de las moles que reaccionaron con la base. Pueden considerarse tres alternativas adicionales que surgen de la mezcla de un ácido con una base:

  1. Se mezcla un ácido fuerte con una base fuerte: Cuando esto sucede, la especie que quedará en disolución será la que esté en mayor cantidad respecto de la otra.
  2. Se mezcla un ácido débil con una base fuerte: La disolución será básica, ya que será la base la que permanezca en la reacción.
  3. Se mezcla un ácido débil con una base débil: Si esto sucede, la acidez de una disolución dependerá de la constante de acidez del ácido débil y de las concentraciones tanto de la base como del ácido.

A pesar de las diferencias en las definiciones, su importancia se pone de manifiesto en los diferentes métodos de análisis, cuando se aplica a reacciones ácido-base de especies gaseosas o líquidas, o cuando el carácter ácido o básico puede ser algo menos evidente. El primero de estos conceptos científicos de ácidos y bases fue proporcionado por el padre de la química, el francés Antoine Lavoisier, alrededor de 1776.[1]

Teorías ácido base

Definición de Lavoisier

Dado que el conocimiento de Lavoisier de los ácidos fuertes estaba restringido principalmente a los oxácidos, que tienden a contener átomos centrales en un altbgo [cfrvgtestado de oxidación]] rodeados de átomos de oxígeno, tales como el HNO3 y el H2SO4, y puesto que no era consciente de la verdadera composición de los ácidos hidrácidos (HF, HCl, HBr, HI y otros), definió los ácidos en términos del “oxígeno” contenido, que él llamó de esta forma a partir de las palabras griegas que significan "formador de ácido" (del griego οξυς (oxys) que significa "ácido" o "sostenido" y γεινομαι (geinomai) que significa "engendrar").

La definición de Lavoisier se celebró como una verdad absoluta durante más de 30 años, hasta el artículo de 1810 y posteriores conferencias a cargo de Sir Humphry Davy en las que demostró la carencia de oxígeno en el H2S, H2Te y los hidrácidos.

Definición de Liebig

Esta definición fue propuesta por Liebig, aproximadamente en 1838,[2]​ sobre la base de su extensa obra acerca de la composición química de los ácidos orgánicos. Esto acabó con la distinción doctrinal entre ácidos basados en el oxígeno y ácidos basados en hidrógeno, iniciada por Davy. Según Liebig, un ácido es una sustancia que contiene hidrógeno que puede ser reemplazado por un metal.[3]​ La definición de Liebig, incluso siendo completamente empírica, se mantuvo en uso durante casi 50 años, hasta la adopción de la definición de Arrhenius.[4]

Teorías ácido-base

Definición de Arrhenius

 
Svante Arrhenius.

La definición de Arrhenius de las reacciones ácido-base es un concepto ácido-base más simplificado, desarrollado por el químico sueco Svante Arrhenius, que fue utilizado para proporcionar una definición más moderna de las bases que siguió a su trabajo con Friedrich Wilhelm Ostwald en el que establecían la presencia de iones en disolución acuosa en 1884, y que llevó a Arrhenius a recibir el Premio Nobel de Química en 1903 como "reconocimiento de sus extraordinarios servicios... prestados al avance de la química por su teoría de la disociación electrolítica".[5]

Tal como se definió en el momento del descubrimiento, las reacciones ácido-base se caracterizan por los ácidos de Arrhenius, que se disocian en disolución acuosa formando cationes hidrógeno (H+), reconocidos posteriormente como ion hidronio (H3O+),[5]​ y las bases de Arrhenius, que forman aniones hidroxilo (OH). Más recientemente, las recomendaciones de la IUPAC han sugerido el término de "oxonio" ,[6]​ en lugar del más antiguo y también aceptado de "hidronio"[7]​ para ilustrar los mecanismos de reacción ‒como los de las definiciones de Brønsted-Lowry y sistemas solventes‒ más claramente que con la definición de Arrhenius, que actúa como un simple esquema general del carácter ácido-base.[5]​ La definición de Arrhenius se puede resumir como "los ácidos de Arrhenius, en disolución acuosa, forman cationes hidrógeno, mientras que las bases de Arrhenius forman aniones hidroxilo".

La tradicional definición acuosa de ácido-base del concepto de Arrhenius se describe como la formación de agua a partir de iones hidrógeno e hidroxilo, o bien como la formación de iones hidrógeno e hidroxilo procedentes de la disociación de un ácido y una base en disolución acuosa:

H+ (aq) + OH (aq)   H2O

(En los tiempos modernos, el uso de H+ se considera como una abreviatura de H3O+, ya que actualmente se sabe que el protón aislado H+ no existe como especie libre en disolución acuosa).

Esto conduce a la definición de que, en las reacciones ácido-base de Arrhenius, se forma una sal y agua a partir de la reacción entre un ácido y una base.[5]​ En otras palabras, es una reacción de neutralización.

ácido+ + base → sal + agua

Los iones NEGATIVOS procedentes de una base forman una sal con los iones POSITIVOS procedentes de un ácido. Por ejemplo, dos moles de la base hidróxido de sodio (NaOH) pueden combinarse con un mol de ácido sulfúrico (H2SO4) para formar dos moles de agua y un mol de sulfato de sodio.

2 NaOH + H2SO4 → 2 H2O + Na2SO4

Definición de Bronsted-Lowry

La definición de Brønsted-Lowry, formulada independientemente por sus dos autores Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry en 1923, se basa en la idea de la protonación de las bases a través de la desprotonación de los ácidos, es decir, la capacidad de los ácidos de "donar" cationes hidrógeno (H+) a las bases, quienes a su vez, los "aceptan".[8]​ A diferencia de la definición de Arrhenius, la definición de Brønsted-Lowry no se refiere a la formación de sal y agua, sino a la formación de ácidos conjugados y bases conjugadas, producidas por la transferencia de un protón del ácido a la base.

En esta definición, un "ácido es un compuesto que puede donar un protón, y una base es un compuesto que puede recibir un protón". En consecuencia, una reacción ácido-base es la eliminación de un catión hidrógeno del ácido y su adición a la base.[9]​ Esto no se refiere a la eliminación de un protón del núcleo de un átomo, lo que requeriría niveles de energía no alcanzables a través de la simple disociación de los ácidos, sino a la eliminación de un catión hidrógeno (H+).

La eliminación de un protón (catión hidrógeno) de un ácido produce su base conjugada, que es el ácido con un catión hidrógeno eliminado, y la recepción de un protón por una base produce su ácido conjugado, que es la base con un catión hidrógeno añadido.

Por ejemplo, la eliminación de H+ del ácido clorhídrico (HCl) produce el anión cloruro (Cl), base conjugada del ácido::

HCl → H+ + Cl

La adición de H+ al anión hidróxido (OH), una base, produce agua (H2O), su ácido conjugado:

H+ + OH → H2O

Así, la definición de Brønsted-Lowry abarca la definición de Arrhenius, pero también extiende el concepto de reacciones ácido-base a sistemas en los que no hay agua involucrada, tales como la protonación del amoníaco, una base, para formar el catión amonio, su ácido conjugado:

H+ + NH3 → NH4+

Esta reacción puede ocurrir en ausencia de agua, como en la reacción del amoníaco con el ácido acético:

CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO

Esta definición también proporciona un marco teórico para explicar la disociación espontánea del agua en bajas concentraciones de iones hidronio e hidróxido:

2 H2O   H3O+ + OH

El agua, al ser anfótera, puede actuar como un ácido y como una base; aquí, una molécula de agua actúa como un ácido, donando un catión H+ y formando la base conjugada, OH, y una segunda molécula de agua actúa como una base, aceptando el catión H+ y formando el ácido conjugado, H3O+.

Entonces, la fórmula general para las reacciones ácido-base, de acuerdo con la definición de Brønsted-Lowry, es:

AH + B → BH+ + A

donde AH representa el ácido, B representa la base, y BH+ representa el ácido conjugado de B, y A representa la base conjugada de AH.

Definición de Lewis

La definición de Lewis de las reacciones ácido-base, propuesta por Gilbert N. Lewis en 1923[10]​ es además, una generalización que comprende la definición de Brønsted-Lowry y las definiciones de sistema solvente.[11]​ En lugar de definir las reacciones ácido-base en términos de protones o de otras sustancias enlazadas, la propuesta de Lewis define una base (llamada base de Lewis) como un compuesto que puede donar un par electrónico, y un ácido (un ácido de Lewis) como un compuesto que puede recibir dicho par electrónico.[11]

Por ejemplo, si consideramos la clásica reacción acuosa ácido-base:

HCl (aq) + NaOH (aq) → H2O (l) + NaCl (aq)

La definición de Lewis no considera esta reacción como la formación de una sal y agua o la transferencia de H+ del HCl al OH. En su lugar, considera como ácido al propio catión H+, y como base al anión OH, que tiene un par electrónico no compartido. En consecuencia, aquí la reacción ácido-base, de acuerdo con la definición de Lewis, es la donación del par electrónico del anión OH al catión H+, formándose un enlace covalente coordinado o dativo entre H+ y OH, que produce agua (H2O).

Al tratar las reacciones ácido-base en términos de pares de electrones en vez de sustancias específicas, la definición de Lewis se puede aplicar a reacciones que no entran dentro de ninguna de las otras definiciones de reacciones ácido-base. Por ejemplo, un catión plata se comporta como un ácido con respecto al amoníaco, que se comporta como una base, en la siguiente reacción:

Ag+ + 2:NH3   [H3N:Ag:NH3]+

El resultado de esta reacción es la formación de un aducto de amoníaco-plata.

En reacciones entre ácidos de Lewis y bases de Lewis, ocurre la formación de un aducto[11]​ cuando el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de una molécula, tal como el NH3, con pares de electrones solitarios disponibles dona pares de electrones libres al orbital molecular más bajo no ocupado (LUMO) de una molécula deficiente en electrones, a través de un enlace covalente coordinado; en tal reacción, la molécula interactuante HOMO actúa como una base, y la molécula interactuante LUMO actúa como un ácido.[11]​ En moléculas altamente polares, como el trifluoruro de boro (BF3),[11]​ el elemento más electronegativo atrae los electrones hacia sus propios orbitales, proporcionando una cierta carga positiva sobre el elemento menos electronegativo y una diferencia en su estructura electrónica debido a las posiciones de sus electrones en orbitales axiales o ecuatoriales, produciendo efectos repulsivos de las interacciones "par solitario-par enlazante" entre los átomos enlazados en exceso con aquellos provistos de interacciones par enlazante-par enlazante.[11]​ Los aductos que involucran iones metálicos se conocen como compuestos de coordinación.[11]

Definición de sistema disolvente

Esta definición se basa en una generalización de la definición anterior de Arrhenius a todos los disolventes autodisociables.

En todos estos disolventes, hay una cierta concentración de especies positivas, cationes solvonio, y especies negativas, aniones solvato, en equilibrio con las moléculas neutras del disolvente. Por ejemplo, el agua y el amoníaco se disocian en iones oxonio e hidróxido, y amonio y amiduro, respectivamente:

2 H2O   H3O+ + OH
2 NH3   NH4+ + NH2

Algunos sistemas apróticos también sufren estas disociaciones, tales como el tetraóxido de dinitrógeno en nitrosonio y nitrato, y el tricloruro de antimonio, en dicloroantimonio y tetracloroantimoniato:

N2O4   NO+ + NO3
2 SbCl3   SbCl2+ + SbCl4

Un soluto que ocasiona un aumento en la concentración de los cationes solvonio y una disminución en los aniones solvato es un ácido, y uno que hace lo inverso es una base. En consecuencia, en amoníaco líquido, el KNH2 (que suministra NH2-) es una base fuerte, y el NH4NO3 (que suministra NH4+) es un ácido fuerte. En dióxido de azufre líquido, los compuestos de tionilo (que suministran SO2+) se comportan como ácidos, y los de sulfitos (que suministran SO32−) se comportan como bases.

Las reacciones ácido-base no acuosas en amoníaco líquido son similares a las reacciones en agua:

2 NaNH2 (base) + Zn(NH2)2 (amida anfifílica) → Na2[Zn(NH2)4]
2 NH4I (ácido) + Zn(NH2)2 (amida anfifílica) → [Zn(NH3)4)]I2

El ácido nítrico puede ser una base en ácido sulfúrico:

HNO3 (base) + 2 H2SO4 → NO2+ + H3O+ + 2 HSO4

Lo que distingue a esta definición se muestra en la descripción de las reacciones en disolventes apróticos, por ejemplo,N2O4:

AgNO3 (base) + NOCl (ácido) → N2O4 + AgCl

Puesto que la definición de sistema disolvente depende tanto del disolvente, como del compuesto mismo, un mismo compuesto puede cambiar su comportamiento dependiendo en la elección del disolvente. Así, el HClO4 es un ácido fuerte en agua, un ácido débil en ácido acético, y una base débil en ácido fluorosulfónico.

Otras teorías ácido-base

Definición de Usanovich

La definición más general es la del químico ruso Mikhail Usanovich, y puede ser resumida como que un ácido es cualquier especie química que acepta especies negativas o dona especies positivas, y una base lo inverso. Esto tiende a solaparse con el concepto de reacción redox (oxidación-reducción), por lo que no goza del favor de los químicos. Esto se debe a que las reacciones redox se enfocan mejor como procesos físicos de transferencia electrónica, en lugar de procesos de formación y ruptura de enlaces, aunque la distinción entre estos dos procesos es difusa.

Definición de Lux-Flood

Esta definición, propuesta por el químico alemán Hermann Lux[12][13]​ en 1939, mejorada posteriormente por Håkon Flood alrededor de 1947[14]​ y ahora usada comúnmente en geoquímica y electroquímica modernas de sales fundidas, describe a un ácido como un aceptor de aniones óxido, y una base como un donante de aniones óxido. Por ejemplo:[15]

MgO (base) + CO2 (ácido) → MgCO3
CaO (base) + SiO2 (ácido) → CaSiO3
NO
3
(base) + S2O2-
7
(ácido) → NO+
2
+ 2 SO2-
4

Definición de Pearson

En 1963[16]​ Ralph Pearson propuso un concepto cualitativo avanzado conocido como teoría ácido-base duro-blando desarrollada posteriormente de forma cuantitativa con ayuda de Robert Parr en 1984. 'Duro' se aplica a especies que son pequeñas, tienen elevados estados de oxidación, y son débilmente polarizables. 'Blando' se aplica a especies que son grandes, tienen bajos estados de oxidación, y son fuertemente polarizables. Los ácidos y las bases interactúan, y las interacciones más estables son las duro-duro y blando-blando. Esta teoría ha encontrado uso en química orgánica e inorgánica.

Importancia de las reacciones de neutralización como técnicas de análisis

Este tipo de reacciones son especialmente útiles como técnicas de análisis cuantitativo en análisis volumétrico y se conocen como valoraciones ácido-base. En este caso se puede usar una disolución indicadora para conocer el punto en el que se ha alcanzado la neutralización completa. Algunos indicadores son la fenolftaleína (si las sustancias reaccionantes son ácido clorhídrico e hidróxido de sodio), azul de safranina, el azul de metileno, etc. Existen también métodos electroquímicos para lograr este propósito como el uso de un pH-metro o la conductimetría.

  • Reacción de neutralización entre una base fuerte y un ácido débil. El anión del ácido sufre una hidrólisis produciéndose aniones hidróxido, por lo que el pH es > 7.
  • Reacción de neutralización entre una base débil y un ácido fuerte. El catión de la base sufre una hidrólisis produciéndose cationes hidronio, por lo que el pH es < 7.
  • Reacción de neutralización entre una base débil y un ácido débil. El anión del ácido sufre una hidrólisis al igual que el catión de la base, por lo que el pH es < 7 si es más débil la base y es >7 si es más débil el ácido.

La elección del indicador adecuado para determinar el punto de equivalencia dependerá del pH final, que tiene que estar dentro del intervalo en el que el indicador sufre el cambio de color.

Ejemplos:

Hidróxido de sodio con ácido carbónico que forma carbonato de sodio y agua:

  •  

Ácido nítrico con hidróxido de aluminio que forma nitrato de aluminio y agua:

  •  

Práctica de la neutralización

En un matraz Erlenmeyer ponemos una disolución de ácido clorhídrico y añadimos unas gotas del indicador fenolftaleína. La fenolftaleína es un indicador que en medio ácido es incoloro, mientras que en medio básico adquiere un color rosa, cambiando de color entre pH 8 y 9,8. En principio la disolución es ácida e incolora.

Ahora colocamos en una bureta una disolución de hidróxido de sodio y abrimos la llave poco a poco. A medida que cae hidróxido de sodio, este va reaccionando con el ácido clorhídrico para formar cloruro de sodio y agua, con lo que la concentración del ácido disminuye y el pH aumenta. Cuando se ha consumido todo el ácido, la siguiente gota de base que se añade vuelve a la disolución básica, y el indicador cambia al color rosa. En ese momento sabemos que todo el ácido ha sido neutralizado.

Las neutralizaciones ácido-base se producen "equivalente a equivalente", es decir, un equivalente de ácido es completamente neutralizado por un equivalente de base.

En general, la masa de un equivalente gramo se determina teniendo en cuenta el tipo de sustancia. Por ejemplo no es lo mismo el cálculo para un ácido que para una sal. Además hay que tener en cuenta el tipo de reacción, ya que pudiera ser que la misma sustancia actuando en reacciones diferentes tuviese masas equivalentes distintas.

La masa de un equivalente gramo de un ácido determinado es igual a la masa molar de ese ácido dividida entre el número de hidrógenos disociables del ácido. Como los ácidos polipróticos se disocian por etapas pudiera ser que el mismo ácido tuviera una masa de su equivalente gramo distinta dependiendo del número de hidrógenos disociados en la reacción del ácido con la base.

La masa de un equivalente gramo de un hidróxido, que suele ser el tipo de base más corriente, se determina dividiendo la masa molar del hidróxido entre el número de grupos OH del hidróxido.

La normalidad de una disolución de un ácido se determina de la siguiente manera: Na (normalidad) = Ma (molaridad)/número de hidrógenos.

La fórmula que permite calcular el volumen necesario para neutralizar un ácido a partir de una base viene dada por la expresión: Na · Va= Nb · Vb, siendo Na y Va la normalidad y el volumen del ácido y, como es esperable, Nb y Vb la normalidad y el volumen de la base, respectivamente.

Si se conocen tres de los datos anteriores se puede determinar el cuarto. Por tanto si se prepara una disolución de concentración conocida de la base y se añade cierto volumen conocido de esta a un erlenmeyer, se podría determinar la normalidad del ácido determinando en una valoración el volumen gastado de este para neutralizar completamente la base anterior.

Para aumentar la fiabilidad del valor de normalidad obtenido se repite la valoración varias veces. El valor de la normalidad sería la media de las valoraciones obtenidas con una incertidumbre dada por el error absoluto cometido en la toma de medidas.

Caso de llevar a cabo una valoración de un ácido menos fuerte que el ácido clorhídrico habría que elegir el indicador adecuado. Para ello habría que saber previamente la sal que se formaría en la valoración para así estimar el pH de la hidrólisis de la sal formada en la neutralización y usar el indicador cuya zona de viraje mejor se adapte a ese pH.

Véase también

Notas

  1. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p166 - La tabla de descubrimientos atribuye a Antoine Lavoisier ser el primero en publicar una teoría científica en relación con los oxoácidos.
  2. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p166 - la tabla de descubrimientos atribuye a Justus von Liebig como fecha de publicación 1838
  3. Meyers, R. (2003) p156
  4. H. L. Finston and A. C. Rychtman, A New View of Current Acid-Base Theories, John Wiley & Sons, New York, 1982, pp. 140-146.
  5. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p165
  6. Murray, K. K., Boyd, R. K., et al. (2006) -- Téngase en cuenta que, en este documento, no hay ninguna referencia a la desaprobación del término "hidronio", que también permanece aceptado, manteniéndose en el IUPAC Gold Book. Sin embargo se pone de manifiesto la preferencia a utilizar el término "oxonio"
  7. International Union of Pure and Applied Chemistry, et al. (2006), "Oxonium Ions"
  8. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991), p167-169 -- De acuerdo con los autores, la definición original era que los "ácidos tienen tendencia a perder un protón"
  9. Clayden, J., Warren, S., et al. (2000), p182-184
  10. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p166 - La tabla de descubrimientos atribuye la fecha de publicación de la teoría de Lewis como 1923.
  11. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) p170-172
  12. Franz, H. (1966), p4
  13. Lux, Hermann (1939). «"Säuren" und "Basen" im Schmelzfluss: die Bestimmung. der Sauerstoffionen-Konzentration». Ztschr. Elektrochem 45 (4): 303-309. 
  14. Flood, Håkon; Forland, T. (1947). «The Acidic and Basic Properties of Oxides». Acta Chem. Scand. 1: 592. doi:10.3891/acta.chem.scand.01-0592. 
  15. Drago, Russel S.; Whitten, Kenneth W. (1966). «The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused-Salt Media». Inorg. Chem. 5 (4): 677-682. doi:10.1021/ic50038a038. 
  16. Pearson, Ralph G. (1963). «Hard and Soft Acids and Bases». J. Am. Chem. Soc. 85 (22): 3533-3539. doi:10.1021/ja00905a001. 

Referencias

  1. Miessler, L. M., Tar, D. A., (1991) "Inorganic Chemistry" 2nd ed. Pearson Prentice-Hall
  2. Clayden, J., Warren, S., et al. (2000) "Organic Chemistry" Oxford University Press
  3. Meyers, R. (2003) "The Basics of Chemistry" Greenwood Press
  4. Lux, Hermann (1939). «"Säuren" und "Basen" im Schmelzfluss: die Bestimmung. der Sauerstoffionen-Konzentration». Ztschr. Elektrochem 45 (4): 303-309. 
  5. Translated as: Lux, Hermann: “Acids” and “bases” in a fused salt bath: the determination of oxygen-ion. In: Journal of Electrochemistry, Vol 45 (1939), S. 303–309
  6. Drago, Russel S.; Whitten, Kenneth W. (1966). «The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused-Salt Media». Inorg. Chem. 5 (4): 677-682. doi:10.1021/ic50038a038. 
  7. H. L. Finston and A. C. Rychtman, A New View of Current Acid-Base Theories, John Wiley & Sons, New York, 1982, pp. 140-146.
  8. Franz, H. (1966). «Solubility of Water Vapor in Alkali Borate Melts». J. Am. Ceram. Soc. 49 (9): 473-477. doi:10.1111/j.1151-2916.1966.tb13302.x. 
  9. International Union of Pure and Applied Chemistry (2006) IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version Retrieved from International Union of Pure and Applied Chemistry on 9 May 2007 on URL http://goldbook.iupac.org/O04379.html
  10. Murray, K. K., Boyd, R. K., et al. (2006) "Standard definition of terms relating to mass spectrometry recommendations" International Union of Pure and Applied Chemistry.

Enlaces externos

  • UC Berkeley video lecture on acid-base reactions
  • Acid-base Physiology: an on-line text
  • Tabla de constantes de equilibrio Ka y Kb de ácidos y bases.

Reacción ácido-base, p. 1, en Google Libros

  •   Datos: Q378751
  •   Multimedia: Acid-base reactions

Ácido Base

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Una reaccion acido base o reaccion de neutralizacion es una reaccion quimica que ocurre entre un acido por ejemplo el acido clorhidrico y una base el hidroxido de sodio produciendo la sal cloruro de sodio o sal comun La palabra sal describe cualquier compuesto ionico cuyo cation provenga de una base Na del NaOH y cuyo anion provenga de un acido Cl del HCl Las reacciones de neutralizacion son generalmente exotermicas lo que significa que desprenden energia en forma de calor Se les suele llamar de neutralizacion porque al reaccionar un acido con una base estos neutralizan sus propiedades mutuamente Existen varios conceptos que proporcionan definiciones alternativas para los mecanismos de reaccion involucrados en estas reacciones y su aplicacion en problemas en disolucion relacionados con ellas La palabra neutralizacion se puede interpretar como aniquilacion o como eliminacion lo cual no esta muy lejano a la realidad Cuando un acido se mezcla con una base ambas especies reaccionan en diferentes grados que dependen en gran medida de las concentraciones y volumenes del acido y la base a modo ilustrativo se puede considerar la reaccion de un acido fuerte que se mezcla con una base debil esta ultima sera neutralizada completamente mientras que permanecera en disolucion una porcion del acido fuerte dependiendo de las moles que reaccionaron con la base Pueden considerarse tres alternativas adicionales que surgen de la mezcla de un acido con una base Se mezcla un acido fuerte con una base fuerte Cuando esto sucede la especie que quedara en disolucion sera la que este en mayor cantidad respecto de la otra Se mezcla un acido debil con una base fuerte La disolucion sera basica ya que sera la base la que permanezca en la reaccion Se mezcla un acido debil con una base debil Si esto sucede la acidez de una disolucion dependera de la constante de acidez del acido debil y de las concentraciones tanto de la base como del acido A pesar de las diferencias en las definiciones su importancia se pone de manifiesto en los diferentes metodos de analisis cuando se aplica a reacciones acido base de especies gaseosas o liquidas o cuando el caracter acido o basico puede ser algo menos evidente El primero de estos conceptos cientificos de acidos y bases fue proporcionado por el padre de la quimica el frances Antoine Lavoisier alrededor de 1776 1 Indice 1 Teorias acido base 1 1 Definicion de Lavoisier 1 2 Definicion de Liebig 2 Teorias acido base 2 1 Definicion de Arrhenius 2 2 Definicion de Bronsted Lowry 2 3 Definicion de Lewis 2 4 Definicion de sistema disolvente 3 Otras teorias acido base 3 1 Definicion de Usanovich 3 2 Definicion de Lux Flood 3 3 Definicion de Pearson 4 Importancia de las reacciones de neutralizacion como tecnicas de analisis 5 Practica de la neutralizacion 6 Vease tambien 7 Notas 8 Referencias 9 Enlaces externosTeorias acido base EditarDefinicion de Lavoisier Editar Dado que el conocimiento de Lavoisier de los acidos fuertes estaba restringido principalmente a los oxacidos que tienden a contener atomos centrales en un altbgo cfrvgtestado de oxidacion rodeados de atomos de oxigeno tales como el HNO3 y el H2SO4 y puesto que no era consciente de la verdadera composicion de los acidos hidracidos HF HCl HBr HI y otros definio los acidos en terminos del oxigeno contenido que el llamo de esta forma a partir de las palabras griegas que significan formador de acido del griego o3ys oxys que significa acido o sostenido y geinomai geinomai que significa engendrar La definicion de Lavoisier se celebro como una verdad absoluta durante mas de 30 anos hasta el articulo de 1810 y posteriores conferencias a cargo de Sir Humphry Davy en las que demostro la carencia de oxigeno en el H2S H2Te y los hidracidos Definicion de Liebig Editar Esta definicion fue propuesta por Liebig aproximadamente en 1838 2 sobre la base de su extensa obra acerca de la composicion quimica de los acidos organicos Esto acabo con la distincion doctrinal entre acidos basados en el oxigeno y acidos basados en hidrogeno iniciada por Davy Segun Liebig un acido es una sustancia que contiene hidrogeno que puede ser reemplazado por un metal 3 La definicion de Liebig incluso siendo completamente empirica se mantuvo en uso durante casi 50 anos hasta la adopcion de la definicion de Arrhenius 4 Teorias acido base EditarDefinicion de Arrhenius Editar Svante Arrhenius La definicion de Arrhenius de las reacciones acido base es un concepto acido base mas simplificado desarrollado por el quimico sueco Svante Arrhenius que fue utilizado para proporcionar una definicion mas moderna de las bases que siguio a su trabajo con Friedrich Wilhelm Ostwald en el que establecian la presencia de iones en disolucion acuosa en 1884 y que llevo a Arrhenius a recibir el Premio Nobel de Quimica en 1903 como reconocimiento de sus extraordinarios servicios prestados al avance de la quimica por su teoria de la disociacion electrolitica 5 Tal como se definio en el momento del descubrimiento las reacciones acido base se caracterizan por los acidos de Arrhenius que se disocian en disolucion acuosa formando cationes hidrogeno H reconocidos posteriormente como ion hidronio H3O 5 y las bases de Arrhenius que forman aniones hidroxilo OH Mas recientemente las recomendaciones de la IUPAC han sugerido el termino de oxonio 6 en lugar del mas antiguo y tambien aceptado de hidronio 7 para ilustrar los mecanismos de reaccion como los de las definiciones de Bronsted Lowry y sistemas solventes mas claramente que con la definicion de Arrhenius que actua como un simple esquema general del caracter acido base 5 La definicion de Arrhenius se puede resumir como los acidos de Arrhenius en disolucion acuosa forman cationes hidrogeno mientras que las bases de Arrhenius forman aniones hidroxilo La tradicional definicion acuosa de acido base del concepto de Arrhenius se describe como la formacion de agua a partir de iones hidrogeno e hidroxilo o bien como la formacion de iones hidrogeno e hidroxilo procedentes de la disociacion de un acido y una base en disolucion acuosa H aq OH aq H2O En los tiempos modernos el uso de H se considera como una abreviatura de H3O ya que actualmente se sabe que el proton aislado H no existe como especie libre en disolucion acuosa Esto conduce a la definicion de que en las reacciones acido base de Arrhenius se forma una sal y agua a partir de la reaccion entre un acido y una base 5 En otras palabras es una reaccion de neutralizacion acido base sal aguaLos iones NEGATIVOS procedentes de una base forman una sal con los iones POSITIVOS procedentes de un acido Por ejemplo dos moles de la base hidroxido de sodio NaOH pueden combinarse con un mol de acido sulfurico H2SO4 para formar dos moles de agua y un mol de sulfato de sodio 2 NaOH H2SO4 2 H2O Na2SO4Definicion de Bronsted Lowry Editar Articulo principal Teoria acido base de Bronsted Lowry La definicion de Bronsted Lowry formulada independientemente por sus dos autores Johannes Nicolaus Bronsted y Thomas Martin Lowry en 1923 se basa en la idea de la protonacion de las bases a traves de la desprotonacion de los acidos es decir la capacidad de los acidos de donar cationes hidrogeno H a las bases quienes a su vez los aceptan 8 A diferencia de la definicion de Arrhenius la definicion de Bronsted Lowry no se refiere a la formacion de sal y agua sino a la formacion de acidos conjugados y bases conjugadas producidas por la transferencia de un proton del acido a la base En esta definicion un acido es un compuesto que puede donar un proton y una base es un compuesto que puede recibir un proton En consecuencia una reaccion acido base es la eliminacion de un cation hidrogeno del acido y su adicion a la base 9 Esto no se refiere a la eliminacion de un proton del nucleo de un atomo lo que requeriria niveles de energia no alcanzables a traves de la simple disociacion de los acidos sino a la eliminacion de un cation hidrogeno H La eliminacion de un proton cation hidrogeno de un acido produce su base conjugada que es el acido con un cation hidrogeno eliminado y la recepcion de un proton por una base produce su acido conjugado que es la base con un cation hidrogeno anadido Por ejemplo la eliminacion de H del acido clorhidrico HCl produce el anion cloruro Cl base conjugada del acido HCl H Cl La adicion de H al anion hidroxido OH una base produce agua H2O su acido conjugado H OH H2OAsi la definicion de Bronsted Lowry abarca la definicion de Arrhenius pero tambien extiende el concepto de reacciones acido base a sistemas en los que no hay agua involucrada tales como la protonacion del amoniaco una base para formar el cation amonio su acido conjugado H NH3 NH4 Esta reaccion puede ocurrir en ausencia de agua como en la reaccion del amoniaco con el acido acetico CH3COOH NH3 NH4 CH3COO Esta definicion tambien proporciona un marco teorico para explicar la disociacion espontanea del agua en bajas concentraciones de iones hidronio e hidroxido 2 H2O H3O OH El agua al ser anfotera puede actuar como un acido y como una base aqui una molecula de agua actua como un acido donando un cation H y formando la base conjugada OH y una segunda molecula de agua actua como una base aceptando el cation H y formando el acido conjugado H3O Entonces la formula general para las reacciones acido base de acuerdo con la definicion de Bronsted Lowry es AH B BH A donde AH representa el acido B representa la base y BH representa el acido conjugado de B y A representa la base conjugada de AH Definicion de Lewis Editar Articulo principal Acidos y bases de Lewis La definicion de Lewis de las reacciones acido base propuesta por Gilbert N Lewis en 1923 10 es ademas una generalizacion que comprende la definicion de Bronsted Lowry y las definiciones de sistema solvente 11 En lugar de definir las reacciones acido base en terminos de protones o de otras sustancias enlazadas la propuesta de Lewis define una base llamada base de Lewis como un compuesto que puede donar un par electronico y un acido un acido de Lewis como un compuesto que puede recibir dicho par electronico 11 Por ejemplo si consideramos la clasica reaccion acuosa acido base HCl aq NaOH aq H2O l NaCl aq La definicion de Lewis no considera esta reaccion como la formacion de una sal y agua o la transferencia de H del HCl al OH En su lugar considera como acido al propio cation H y como base al anion OH que tiene un par electronico no compartido En consecuencia aqui la reaccion acido base de acuerdo con la definicion de Lewis es la donacion del par electronico del anion OH al cation H formandose un enlace covalente coordinado o dativo entre H y OH que produce agua H2O Al tratar las reacciones acido base en terminos de pares de electrones en vez de sustancias especificas la definicion de Lewis se puede aplicar a reacciones que no entran dentro de ninguna de las otras definiciones de reacciones acido base Por ejemplo un cation plata se comporta como un acido con respecto al amoniaco que se comporta como una base en la siguiente reaccion Ag 2 NH3 H3N Ag NH3 El resultado de esta reaccion es la formacion de un aducto de amoniaco plata En reacciones entre acidos de Lewis y bases de Lewis ocurre la formacion de un aducto 11 cuando el orbital molecular ocupado mas alto HOMO de una molecula tal como el NH3 con pares de electrones solitarios disponibles dona pares de electrones libres al orbital molecular mas bajo no ocupado LUMO de una molecula deficiente en electrones a traves de un enlace covalente coordinado en tal reaccion la molecula interactuante HOMO actua como una base y la molecula interactuante LUMO actua como un acido 11 En moleculas altamente polares como el trifluoruro de boro BF3 11 el elemento mas electronegativo atrae los electrones hacia sus propios orbitales proporcionando una cierta carga positiva sobre el elemento menos electronegativo y una diferencia en su estructura electronica debido a las posiciones de sus electrones en orbitales axiales o ecuatoriales produciendo efectos repulsivos de las interacciones par solitario par enlazante entre los atomos enlazados en exceso con aquellos provistos de interacciones par enlazante par enlazante 11 Los aductos que involucran iones metalicos se conocen como compuestos de coordinacion 11 Definicion de sistema disolvente Editar Esta definicion se basa en una generalizacion de la definicion anterior de Arrhenius a todos los disolventes autodisociables En todos estos disolventes hay una cierta concentracion de especies positivas cationes solvonio y especies negativas aniones solvato en equilibrio con las moleculas neutras del disolvente Por ejemplo el agua y el amoniaco se disocian en iones oxonio e hidroxido y amonio y amiduro respectivamente 2 H2O H3O OH 2 NH3 NH4 NH2 Algunos sistemas aproticos tambien sufren estas disociaciones tales como el tetraoxido de dinitrogeno en nitrosonio y nitrato y el tricloruro de antimonio en dicloroantimonio y tetracloroantimoniato N2O4 NO NO3 2 SbCl3 SbCl2 SbCl4 Un soluto que ocasiona un aumento en la concentracion de los cationes solvonio y una disminucion en los aniones solvato es un acido y uno que hace lo inverso es una base En consecuencia en amoniaco liquido el KNH2 que suministra NH2 es una base fuerte y el NH4NO3 que suministra NH4 es un acido fuerte En dioxido de azufre liquido los compuestos de tionilo que suministran SO2 se comportan como acidos y los de sulfitos que suministran SO32 se comportan como bases Las reacciones acido base no acuosas en amoniaco liquido son similares a las reacciones en agua 2 NaNH2 base Zn NH2 2 amida anfifilica Na2 Zn NH2 4 2 NH4I acido Zn NH2 2 amida anfifilica Zn NH3 4 I2El acido nitrico puede ser una base en acido sulfurico HNO3 base 2 H2SO4 NO2 H3O 2 HSO4 Lo que distingue a esta definicion se muestra en la descripcion de las reacciones en disolventes aproticos por ejemplo N2O4 AgNO3 base NOCl acido N2O4 AgClPuesto que la definicion de sistema disolvente depende tanto del disolvente como del compuesto mismo un mismo compuesto puede cambiar su comportamiento dependiendo en la eleccion del disolvente Asi el HClO4 es un acido fuerte en agua un acido debil en acido acetico y una base debil en acido fluorosulfonico Otras teorias acido base EditarDefinicion de Usanovich Editar La definicion mas general es la del quimico ruso Mikhail Usanovich y puede ser resumida como que un acido es cualquier especie quimica que acepta especies negativas o dona especies positivas y una base lo inverso Esto tiende a solaparse con el concepto de reaccion redox oxidacion reduccion por lo que no goza del favor de los quimicos Esto se debe a que las reacciones redox se enfocan mejor como procesos fisicos de transferencia electronica en lugar de procesos de formacion y ruptura de enlaces aunque la distincion entre estos dos procesos es difusa Definicion de Lux Flood Editar Esta definicion propuesta por el quimico aleman Hermann Lux 12 13 en 1939 mejorada posteriormente por Hakon Flood alrededor de 1947 14 y ahora usada comunmente en geoquimica y electroquimica modernas de sales fundidas describe a un acido como un aceptor de aniones oxido y una base como un donante de aniones oxido Por ejemplo 15 MgO base CO2 acido MgCO3 CaO base SiO2 acido CaSiO3 NO 3 base S2O2 7 acido NO 2 2 SO2 4Definicion de Pearson Editar Articulo principal Teoria acido base duro blando En 1963 16 Ralph Pearson propuso un concepto cualitativo avanzado conocido como teoria acido base duro blando desarrollada posteriormente de forma cuantitativa con ayuda de Robert Parr en 1984 Duro se aplica a especies que son pequenas tienen elevados estados de oxidacion y son debilmente polarizables Blando se aplica a especies que son grandes tienen bajos estados de oxidacion y son fuertemente polarizables Los acidos y las bases interactuan y las interacciones mas estables son las duro duro y blando blando Esta teoria ha encontrado uso en quimica organica e inorganica Importancia de las reacciones de neutralizacion como tecnicas de analisis EditarEste tipo de reacciones son especialmente utiles como tecnicas de analisis cuantitativo en analisis volumetrico y se conocen como valoraciones acido base En este caso se puede usar una disolucion indicadora para conocer el punto en el que se ha alcanzado la neutralizacion completa Algunos indicadores son la fenolftaleina si las sustancias reaccionantes son acido clorhidrico e hidroxido de sodio azul de safranina el azul de metileno etc Existen tambien metodos electroquimicos para lograr este proposito como el uso de un pH metro o la conductimetria Reaccion de neutralizacion entre una base fuerte y un acido debil El anion del acido sufre una hidrolisis produciendose aniones hidroxido por lo que el pH es gt 7 Reaccion de neutralizacion entre una base debil y un acido fuerte El cation de la base sufre una hidrolisis produciendose cationes hidronio por lo que el pH es lt 7 Reaccion de neutralizacion entre una base debil y un acido debil El anion del acido sufre una hidrolisis al igual que el cation de la base por lo que el pH es lt 7 si es mas debil la base y es gt 7 si es mas debil el acido La eleccion del indicador adecuado para determinar el punto de equivalencia dependera del pH final que tiene que estar dentro del intervalo en el que el indicador sufre el cambio de color Ejemplos Hidroxido de sodio con acido carbonico que forma carbonato de sodio y agua 2 N a O H H 2 C O 3 N a 2 C O 3 2 H 2 O displaystyle 2NaOH H 2 CO 3 rightarrow Na 2 CO 3 2H 2 O Acido nitrico con hidroxido de aluminio que forma nitrato de aluminio y agua 3 H N O 3 A l O H 3 A l N O 3 3 3 H 2 O displaystyle 3HNO 3 Al OH 3 rightarrow Al NO 3 3 3H 2 O Practica de la neutralizacion EditarEn un matraz Erlenmeyer ponemos una disolucion de acido clorhidrico y anadimos unas gotas del indicador fenolftaleina La fenolftaleina es un indicador que en medio acido es incoloro mientras que en medio basico adquiere un color rosa cambiando de color entre pH 8 y 9 8 En principio la disolucion es acida e incolora Ahora colocamos en una bureta una disolucion de hidroxido de sodio y abrimos la llave poco a poco A medida que cae hidroxido de sodio este va reaccionando con el acido clorhidrico para formar cloruro de sodio y agua con lo que la concentracion del acido disminuye y el pH aumenta Cuando se ha consumido todo el acido la siguiente gota de base que se anade vuelve a la disolucion basica y el indicador cambia al color rosa En ese momento sabemos que todo el acido ha sido neutralizado Las neutralizaciones acido base se producen equivalente a equivalente es decir un equivalente de acido es completamente neutralizado por un equivalente de base En general la masa de un equivalente gramo se determina teniendo en cuenta el tipo de sustancia Por ejemplo no es lo mismo el calculo para un acido que para una sal Ademas hay que tener en cuenta el tipo de reaccion ya que pudiera ser que la misma sustancia actuando en reacciones diferentes tuviese masas equivalentes distintas La masa de un equivalente gramo de un acido determinado es igual a la masa molar de ese acido dividida entre el numero de hidrogenos disociables del acido Como los acidos poliproticos se disocian por etapas pudiera ser que el mismo acido tuviera una masa de su equivalente gramo distinta dependiendo del numero de hidrogenos disociados en la reaccion del acido con la base La masa de un equivalente gramo de un hidroxido que suele ser el tipo de base mas corriente se determina dividiendo la masa molar del hidroxido entre el numero de grupos OH del hidroxido La normalidad de una disolucion de un acido se determina de la siguiente manera Na normalidad Ma molaridad numero de hidrogenos La formula que permite calcular el volumen necesario para neutralizar un acido a partir de una base viene dada por la expresion Na Va Nb Vb siendo Na y Va la normalidad y el volumen del acido y como es esperable Nb y Vb la normalidad y el volumen de la base respectivamente Si se conocen tres de los datos anteriores se puede determinar el cuarto Por tanto si se prepara una disolucion de concentracion conocida de la base y se anade cierto volumen conocido de esta a un erlenmeyer se podria determinar la normalidad del acido determinando en una valoracion el volumen gastado de este para neutralizar completamente la base anterior Para aumentar la fiabilidad del valor de normalidad obtenido se repite la valoracion varias veces El valor de la normalidad seria la media de las valoraciones obtenidas con una incertidumbre dada por el error absoluto cometido en la toma de medidas Caso de llevar a cabo una valoracion de un acido menos fuerte que el acido clorhidrico habria que elegir el indicador adecuado Para ello habria que saber previamente la sal que se formaria en la valoracion para asi estimar el pH de la hidrolisis de la sal formada en la neutralizacion y usar el indicador cuya zona de viraje mejor se adapte a ese pH Vease tambien EditarConfiguracion electronica Estructura de Lewis Estructura de resonancia Protonacion y deprotonacion Sustitucion nucleofilica y reaccion redox Valoracion acido base Sal quimica Notas Editar Miessler L M Tar D A 1991 p166 La tabla de descubrimientos atribuye a Antoine Lavoisier ser el primero en publicar una teoria cientifica en relacion con los oxoacidos Miessler L M Tar D A 1991 p166 la tabla de descubrimientos atribuye a Justus von Liebig como fecha de publicacion 1838 Meyers R 2003 p156 H L Finston and A C Rychtman A New View of Current Acid Base Theories John Wiley amp Sons New York 1982 pp 140 146 a b c d Miessler L M Tar D A 1991 p165 Murray K K Boyd R K et al 2006 Tengase en cuenta que en este documento no hay ninguna referencia a la desaprobacion del termino hidronio que tambien permanece aceptado manteniendose en el IUPAC Gold Book Sin embargo se pone de manifiesto la preferencia a utilizar el termino oxonio International Union of Pure and Applied Chemistry et al 2006 Oxonium Ions Miessler L M Tar D A 1991 p167 169 De acuerdo con los autores la definicion original era que los acidos tienen tendencia a perder un proton Clayden J Warren S et al 2000 p182 184 Miessler L M Tar D A 1991 p166 La tabla de descubrimientos atribuye la fecha de publicacion de la teoria de Lewis como 1923 a b c d e f g Miessler L M Tar D A 1991 p170 172 Franz H 1966 p4 Lux Hermann 1939 Sauren und Basen im Schmelzfluss die Bestimmung der Sauerstoffionen Konzentration Ztschr Elektrochem 45 4 303 309 Flood Hakon Forland T 1947 The Acidic and Basic Properties of Oxides Acta Chem Scand 1 592 doi 10 3891 acta chem scand 01 0592 Drago Russel S Whitten Kenneth W 1966 The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused Salt Media Inorg Chem 5 4 677 682 doi 10 1021 ic50038a038 Pearson Ralph G 1963 Hard and Soft Acids and Bases J Am Chem Soc 85 22 3533 3539 doi 10 1021 ja00905a001 Referencias EditarMiessler L M Tar D A 1991 Inorganic Chemistry 2nd ed Pearson Prentice Hall Clayden J Warren S et al 2000 Organic Chemistry Oxford University Press Meyers R 2003 The Basics of Chemistry Greenwood Press Lux Hermann 1939 Sauren und Basen im Schmelzfluss die Bestimmung der Sauerstoffionen Konzentration Ztschr Elektrochem 45 4 303 309 Translated as Lux Hermann Acids and bases in a fused salt bath the determination of oxygen ion In Journal of Electrochemistry Vol 45 1939 S 303 309 Drago Russel S Whitten Kenneth W 1966 The Synthesis of Oxyhalides Utilizing Fused Salt Media Inorg Chem 5 4 677 682 doi 10 1021 ic50038a038 H L Finston and A C Rychtman A New View of Current Acid Base Theories John Wiley amp Sons New York 1982 pp 140 146 Franz H 1966 Solubility of Water Vapor in Alkali Borate Melts J Am Ceram Soc 49 9 473 477 doi 10 1111 j 1151 2916 1966 tb13302 x International Union of Pure and Applied Chemistry 2006 IUPAC Compendium of Chemical Terminology Electronic version Retrieved from International Union of Pure and Applied Chemistry on 9 May 2007 on URL http goldbook iupac org O04379 html Murray K K Boyd R K et al 2006 Standard definition of terms relating to mass spectrometry recommendations International Union of Pure and Applied Chemistry Enlaces externos EditarUC Berkeley video lecture on acid base reactions Acid base Physiology an on line text John W Kimball s online Biology book section of acid and bases Lavoisier Davy and Liebig theories at the ChemTeam Tutorials Tabla de constantes de equilibrio Ka y Kb de acidos y bases Reaccion acido base p 1 en Google Libros Datos Q378751 Multimedia Acid base reactions Acido BaseObtenido de https es wikipedia org w index php title Reaccion acido base amp oldid 137132804, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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