Sales y Ácidos

Química. Bases. Aniones. Clasificación. Fosfatos. Propiedades. Fabricación. Acidez. Basicidad

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SALES

Sales, compuestos iónicos formados por los cationes de las bases y los aniones de los ácidos.

Las sales se obtienen por reacción de los ácidos con los metales, las bases u otras sales, y por reacción de dos sales que intercambian sus iones.

Las sales en las que todos los hidrógenos sustituibles de los ácidos han sido sustituidos por iones metálicos o radicales positivos se llaman sales neutras, por ejemplo, el cloruro de sodio, NaCl.

Las sales que contienen átomos de hidrógeno sustituibles son sales ácidas, por ejemplo, el carbonato ácido de sodio (bicarbonato de sodio), NaHCO3. Las sales básicas son aquéllas que poseen algún grupo hidróxido, por ejemplo el sulfato básico de aluminio, Al(OH)SO4.

Las sales también pueden clasificarse de acuerdo con las fuerzas de los ácidos y las bases de las cuales derivan.

La sal de una base fuerte y de un ácido fuerte, por ejemplo el KCl, no se hidroliza al ser disuelta en agua, y sus disoluciones son neutras.

La sal de una base fuerte y de un ácido débil, por ejemplo el Na2CO3, sufre hidrólisis cuando se disuelve en agua, y sus disoluciones son básicas.

La sal de un ácido fuerte y una base débil, como el NH4Cl, también sufre hidrólisis, y sus disoluciones son ácidas.

A excepción de ciertas sales amónicas y de sales que son muy insolubles, las sales de un ácido débil y una base débil, como el Al2S3, experimentan en el agua hidrólisis completa, recuperándose el ácido y la base de iniciales.

SALES BASICAS

Hidrólisis, tipo de reacción química en la que una molécula de agua, con fórmula HOH, reacciona con una molécula de una sustancia AB, en la que A y B representan átomos o grupos de átomos. En la reacción, la molécula de agua se descompone en los fragmentos H+ y OH-, y la molécula AB se descompone en A+ y B-. A continuación, estos fragmentos se unen proporcionando los productos finales AOH y HB. A este tipo de reacción se le conoce a menudo como doble descomposición o intercambio. De interés especial es la hidrólisis de diversas sales que origina disoluciones ácidas o básicas.

SALES DOBLES

Sulfato de aluminio, sustancia química sólida, cristalina y blanca, de fórmula Al2(SO4)3. La disolución de sulfato de aluminio es muy ácida. Se emplea para eliminar impurezas solubles del agua, antes de utilizarse en el consumo humano, en la fabricación de papel y en tintorería.

Se puede preparar haciendo reaccionar el hidróxido de aluminio con el ácido sulfúrico diluido:

2Al(OH)3(s) + 3H2SO4

(aq) ! Al2(SO4)3(aq) + 6H2O(l)

Al concentrarse y enfriarse esa disolución, se obtienen cristales blancos de sulfato de aluminio hidratado, Al2(SO4)3·18H2O.

El sulfato de aluminio se suele utilizar en sales dobles llamadas alumbres. Cuando disoluciones que contienen cantidades equimolares de sulfato de aluminio y de sulfato de potasio cristalizan, se forma una sal doble, llamada sulfato de aluminio y potasio, KAl(SO4)2·12H2O, que se utiliza como material incombustible. Pueden obtenerse alumbres similares reemplazando el sulfato de potasio por sulfato de amonio o un sulfato de cualquier metal del grupo 1 (excepto el litio). Los alumbres forman cristales octaédricos que son isomorfos, es decir, la disposición de los iones en la red del cristal es la misma sean cuales sean los iones metálicos implicados.

SALES ACIDAS

Fosfórico, Ácido, de fórmula química H3PO4, ácido que constituye la fuente de compuestos de importancia industrial llamados fosfatos. A temperatura ambiente, el ácido fosfórico es una sustancia cristalina con una densidad relativa de 1,83. Tiene un punto de fusión de 42,35 °C. Normalmente, el ácido fosfórico se almacena y distribuye en disolución. Se obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, filtrando posteriormente el líquido resultante para extraer el sulfato de calcio. Otro modo de obtención consiste en quemar vapores de fósforo y tratar el óxido resultante con vapor de agua. El ácido es muy útil en el laboratorio debido a su resistencia a la oxidación, a la reducción y a la evaporación. Entre otras aplicaciones, el ácido fosfórico se emplea como ingrediente de bebidas no alcóholicas, como pegamento de prótesis dentales, como catalizador, en metales inoxidables y para fosfatos que se utilizan, como ablandadores de agua, fertilizantes y detergentes.

FOSFATOS

Son productos formados por la sustitución de parte o todo el hidrógeno del ácido fosfórico por metales. Según el número de átomos de hidrógeno sustituidos, el compuesto obtenido se define como fosfato primario, secundario o terciario. Así, NaH2PO 4, con un átomo de hidrógeno sustituido, se denomina fosfato primario de sodio (también dihidrogenofosfato de sodio), y Na 3PO4, con tres átomos de hidrógeno sustituidos, fosfato terciario de sodio. También conocido como fosfato de sodio, el fosfato terciario de sodio se usa como detergente y ablandador del agua. Los fosfatos primarios y secundarios contienen hidrógeno y son sales ácidas. Los fosfatos secundarios y terciarios son insolubles en agua, a excepción de los de sodio, potasio y amonio; los primarios son más solubles.

Los fosfatos son importantes para el metabolismo de animales y plantas. Los huesos contienen fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, y el primer paso en la oxidación de la glucosa en el cuerpo es la formación de un éster de fosfato. Para aportar fosfatos al ganado, se usa el hidrogenofosfato de calcio hidratado, CaHPO4 · 2H2O, como suplemento alimenticio.

El fosfato primario de calcio, Ca(H 2PO4)2, se emplea como ingrediente en fertilizantes para plantas.

En los últimos tiempos se ha incrementado la preocupación por los efectos medioambientales perjudiciales de los fosfatos contenidos en los detergentes domésticos. Los detergentes que contienen fosfatos contribuyen a la contaminación del agua, ya que son un medio nutriente para las algas. Si crecieran en exceso, dificultarían la vida acuática de lagos y ríos por la falta del oxígeno.

Sulfúrico, Ácido, de fórmula H2SO4, es un líquido corrosivo, de gran viscosidad, incoloro y con una densidad relativa de 1,85. Tiene un punto de fusión de 10,36 °C, un punto de ebullición de 340 °C y es soluble en agua en cualquier proporción. Al mezclar ácido sulfúrico con agua se libera una considerable cantidad de calor. A menos que la mezcla se agite bien, el agua añadida puede calentarse más allá de su punto de ebullición y la formación repentina de calor puede hacer saltar el ácido fuera del recipiente (véase Ácidos y bases). El ácido concentrado destruye la piel y la carne, y puede causar ceguera si se introduce en los ojos. El mejor tratamiento en caso de accidente es eliminar el ácido con grandes cantidades de agua. A pesar del peligro potencial si se maneja sin cuidado, el ácido sulfúrico ha sido muy importante comercialmente durante muchos años. Los antiguos alquimistas lo preparaban en grandes cantidades calentando sulfatos existentes en la naturaleza a altas temperaturas y disolviendo en agua el trióxido de azufre obtenido de esta forma. En el siglo XV aproximadamente, se desarrolló un método para obtener el ácido, destilando sulfato ferroso hidratado (o vitriolo de hierro) con arena. En 1740 empezó a producirse el ácido a escala comercial quemando azufre y nitrato de potasio en un caldero suspendido en un gran globo de cristal, cubierto parcialmente de agua.

PROPIEDADES

El ácido sulfúrico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia fácilmente en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO42-). Cada molécula produce dos iones H+, o sea que el ácido sulfúrico es dibásico. Sus disoluciones diluidas muestran todas las características de los ácidos: tienen sabor amargo, conducen la electricidad, neutralizan los álcalis y corroen los metales activos desprendiéndose gas hidrógeno.

A partir del ácido sulfúrico se pueden preparar sales que contienen el grupo sulfato SO4, y sales ácidas que contienen el grupo hidrogenosulfato, HSO4.

El ácido sulfúrico concentrado, llamado antiguamente aceite de vitriolo, es un importante agente desecante. Actúa tan vigorosamente en este aspecto que extrae el agua, y por lo tanto carboniza, la madera, el algodón, el azúcar y el papel. Debido a estas propiedades desecantes, se usa para fabricar éter, nitroglicerina y tintes. Cuando se calienta, el ácido sulfúrico concentrado se comporta como un agente oxidante capaz, por ejemplo, de disolver metales tan poco reactivos como el cobre, el mercurio y el plomo, produciendo el sulfato del metal, dióxido de azufre y agua.

Durante el siglo XIX, el químico alemán Justus von Liebig descubrió que el ácido sulfúrico, añadido al suelo, aumenta la cantidad de fósforo disponible para las plantas. Este descubrimiento dio lugar a un aumento de la producción comercial de este ácido, mejorándose por tanto los métodos de fabricación.

FABRICACIÓN

Actualmente se utilizan dos procesos para obtener ácido sulfúrico. En las etapas iniciales ambos requieren el uso de dióxido de azufre, que se obtiene quemando piritas de hierro, FeS2, o azufre, en aire. En el primer proceso, denominado método de las cámaras de plomo, la reacción se lleva a cabo en grandes torres de ladrillos recubiertas de plomo. En estas torres, reaccionan dióxido de azufre gaseoso, aire, vapor de agua y óxidos de nitrógeno, produciendo ácido sulfúrico en forma de gotas finas que caen al suelo de la cámara. Casi todos los óxidos de nitrógeno se recuperan del gas que sale y se vuelven a introducir en la cámara para ser utilizados de nuevo. El ácido sulfúrico producido de esta forma, y el ácido etiquetado, sólo contienen de un 62 a un 70% de H2SO4; el resto es agua. Actualmente, casi un 20% del ácido sulfúrico se produce por el método de las cámaras de plomo, pero este porcentaje está disminuyendo.

El segundo método de obtención, el método de contacto, que empezó a usarse comercialmente alrededor de 1900, se basa en la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre, SO3, bajo la influencia de un catalizador. El platino finamente dividido, que es el catalizador más eficaz, tiene dos desventajas: es muy caro y además, ciertas impurezas existentes en el dióxido de azufre ordinario lo 'envenenan' y reducen su actividad.

Muchos productores de ácido sulfúrico utilizan dos catalizadores: primero, uno más resistente aunque menos efectivo, como el óxido de hierro o el óxido de vanadio, que inician la reacción, y a continuación, una cantidad menor de platino para terminar el proceso. A 400 °C, la conversión de dióxido a trióxido de azufre es casi completa. El trióxido se disuelve en ácido sulfúrico concentrado, y al mismo tiempo un flujo de agua mantiene la concentración al nivel seleccionado, normalmente un 95%. Reduciendo el flujo de agua, puede obtenerse un producto con más SO3 del que contiene la fórmula H2SO4. Este producto, llamado ácido sulfúrico fumante, oleum o ácido Nordhausen, es necesario para algunas reacciones de química orgánica.

PRODUCCIÓN

Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. Por ejemplo, a principios de la década de 1970, la producción anual de ácido sulfúrico en Estados Unidos, el mayor productor, sobrepasaba los 29 millones de toneladas, que corresponden a una producción diaria de 1/3 kg por persona al año. El ácido sulfúrico se utiliza principalmente para hacer fertilizantes, tanto superfosfato como sulfato de amonio. También se usa para fabricar productos orgánicos, pinturas y pigmentos, y rayón, así como para refinar petróleo y procesar metales. Uno de los pocos productos de consumo que contienen ácido sulfúrico como tal, es la batería de plomo, que se utiliza en los automóviles.

LA ACIDEZ Y LA BASICIDAD

La acidez y la basicidad constituyen el conjunto de propiedades características de dos importantes grupos de sustancias químicas: los ácidos y las bases. Las ideas actuales sobre tales conceptos químicos consideran los ácidos como dadores de protones y las bases como aceptoras. Los procesos en los que interviene un ácido interviene también su base conjugada, que es la sustancia que recibe el protón cedido por el ácido. Tales procesos se denominan reacciones ácido-base.

La acidez y la basicidad son dos formas contrapuestas de comportamiento de las sustancias químicas cuyo estudio atrajo siempre la atención de los químicos. En los albores mismos de la ciencia química, Boyle y Lavoisier estudiaron sistemáticamente el comportamiento de las sustancias agrupadas bajo los términos de ácido y álcali (base).

Pero junto con los estudios descriptivos de sus propiedades, el avance de los conocimientos sobre la estructura del átomo y sobre la naturaleza íntima de los procesos químicos aportó nuevas ideas sobre los conceptos de ácido y de base.

En la actualidad, el resultado final de la evolución de esos dos conceptos científicos constituye un importante capítulo de la química general que resulta imprescindible para entender la multitud de procesos químicos que, ya sea en la materia viva, ya sea en la materia inerte, se engloban bajo el nombre de reacciones ácido-base.

EL COMPORTAMIENTO QUÍMICO DE ...

El estudio de los procesos químicos en los que intervienen ácidos y bases ocupa un lugar destacado en la historia de la química. Antes de que se conociera el comportamiento a nivel molecular de este tipo de sustancias, se reconocían por sus propiedades características. Esta idea de definir el concepto de ácido y de base indicando cómo ha de comportarse químicamente una sustancia para que pueda considerarse como miembro de una u otra familia de compuestos fue introducida por Boyle en 1663. Posteriormente un conocimiento más preciso de las fórmulas químicas llevó a algunos investigadores, como Justus von Liebig (1803-1873), a definir los ácidos por su composición molecular; sin embargo, la vieja idea de Boyle, aunque transformada con las sucesivas definiciones de ácidos y bases, sigue aún en pie.

Propiedades químicas de los ácidos

El comportamiento químico de los ácidos se resume en las siguientes propiedades:

ð Poseen un sabor agrio. La palabra ácido procede, precisamente, del latín (acidus = agrio) y recuerda el viejo procedimiento de los químicos antiguos de probarlo todo, que fue el origen de un buen número de muertes prematuras, por envenenamiento, dentro de la profesión.

ð Colorean de rojo el papel de tornasol. El tornasol es un colorante de color violeta en disolución acuosa (tintura de tornasol) que puede cambiar de color según el grado de acidez de la disolución. Impregnado en papel sirve entonces para indicar el carácter ácido de una disolución. Es, pues, un indicador.

ð Sus disoluciones conducen la electricidad. La calidad de una disolución ácida como conductor depende no sólo de la concentración de ácido, sino también de la naturaleza de éste, de modo que, a igualdad de concentración, la comparación de las conductividades de diferentes ácidos permite establecer una escala de acidez entre ellos.

ð Desprenden gas hidrógeno cuando reaccionan en disolución con cinc o con algunos otros metales.

Propiedades químicas de las bases

Las bases, también llamadas álcalis, fueron caracterizadas, en un principio, por oposición a los ácidos. Eran sustancias que intervenían en aquellas reacciones en las que se conseguía neutralizar la acción de los ácidos. Cuando una base se añade a una disolución ácida elimina o reduce sus propiedades características. Otras propiedades observables de las bases son las siguientes:

ð Tienen un sabor amargo característico.

ð Al igual que los ácidos, en disolución acuosa conducen la electricidad.

ð Colorean de azul el papel de tornasol.

ð Reaccionan con los ácidos para formar una sal más agua.

DISOLUCIONES ACUOSAS DE ÁCI ...

Un poco de historia

Aun cuando Faraday había introducido el término ion para designar las partículas cargadas que transportaban la electricidad en el seno de las disoluciones conductoras, no especificó en qué consistían realmente esos iones. El químico sueco Arrhenius se interesó pronto por el estudio de las disoluciones y, en particular, por las de los llamados electrolitos o sustancias capaces de conducir la electricidad en disolución. Observó que las disoluciones de electrolitos no cumplían ni las leyes de Raoult sobre la variación de los puntos de ebullición y congelación de las disoluciones, ni la de Van't Hoff sobre la presión osmótica de la misma manera que lo hacían las disoluciones de los no electrolitos.

Al disolver en agua el cloruro de sodio (NaCl) se producía una disminución del punto de congelación de la disolución doble del que resultaba aplicando las leyes de Raoult; si se empleaba cloruro de bario (BaCl2) como soluto, la temperatura de congelación bajaba tres veces más que lo calculado a partir de dichas leyes. Tal circunstancia se repetía de una forma regular para otras sustancias análogas, lo que hizo sospechar a Arrhenius la existencia de una disociación o ruptura de las supuestas moléculas del electrolito en varios fragmentos por efecto de la disolución. Además, las partículas deberían poseer carga eléctrica de acuerdo con el concepto de ion avanzado por Faraday. Según Arrhenius el cloruro de sodio se disociaría en la forma:

NaCl → Na+ + Cl-

y el cloruro de bario:

BaCl2 → Ba2+ + 2 Cl-

Tal disociación, al multiplicar el número de partículas, explicaba los resultados anómalos obtenidos en la aplicación de las leyes de Raoult y en el estudio de la presión osmótica, que dependen, como es sabido, de la concentración de partículas de soluto en la disolución.

La idea de la disociación iónica fue extendida por el propio Arrhenius a los ácidos y a las bases, lo que le permitió encontrar una explicación coherente a su comportamiento característico.

Los conceptos de ácido y de base según Arrhenius

Cuando el HCI se disuelve en el agua (aq) sus moléculas se disocian en la forma:

HCl → H+ (aq) + Cl- (aq)

Este mismo comportamiento puede aplicarse a los ácidos típicos:

Sales y Ácidos
Sales y Ácidos

y extenderse a otros ácidos.

De acuerdo con su idea de disociación iónica, la existencia en todos los casos de iones H+ libres en la disolución, llevó a Arrhenius a postular que el carácter ácido está relacionado directamente con la capacidad de una sustancia para dar en disolución acuosa iones H+. La diferencia en la fuerza de los ácidos se puede cuantificar mediante la medida de la conductividad eléctrica de sus respectivas disoluciones acuosas; cuanto más fuerte es un ácido mejor conduce la electricidad. Según la teoría de Arrhenius, la relación entre ambos hechos es clara. La reacción de disociación de un ácido en disolución es un caso particular de equilibrio químico. Representando por AH la fórmula de un ácido genérico, la reacción de disociación del ácido se puede escribir, de acuerdo con las ideas de Arrhenius, en la forma:

AH ð A-(aq) + H+(aq)

En los ácidos fuertes la reacción estaría desplazada hacia la derecha de modo que abundarían más los iones H+(aq), ya que todo el AH estaría prácticamente disociado. Ello explicaría a la vez el fuerte carácter ácido y su elevada conductividad, debida a la abundancia en la disolución de iones portadores de carga. Por el contrario, en los ácidos débiles el grado de disociación sería pequeño, es decir, sólo una pequeña fracción de sustancia estaría disuelta en forma de iones, estando el equilibrio desplazado hacia la izquierda.

De acuerdo con las ideas de Arrhenius, un esquema explicativo análogo podría aplicarse a las bases. Los hidróxidos, que eran las bases mejor conocidas, al disolverse en el agua se disociarían en la forma:

KOH → K+(aq) + (OH)-(aq)

NaOH → Na+(aq) + (OH)-(aq)

Mg(OH)2 → Mg+2(aq) + 2(OH)-(aq)

Generalizando los resultados de las anteriores reacciones, Arrhenius concluyó que eran bases todas aquellas sustancias capaces de dar en disolución acuosa iones OH-.

Al igual que para los ácidos, la fuerza de una base y su conductividad estarían relacionadas entre sí y ambas, con el grado de disociación que presenta dicha base en disolución acuosa.

Aun cuando no sean las únicas sustancias que se comportan como bases, las combinaciones de óxidos metálicos con el agua, es decir, los hidróxidos, son bases típicas. Las disoluciones acuosas de bases fuertes, como el hidróxido de sodio (NaOH) o el hidróxido de potasio (KOH), son agresivas o cáusticas con los tejidos animales blandos, como las mucosas; de ahí que el NaOH se denomine usualmente sosa cáustica y el KOH potasa cáustica. Sus disoluciones acuosas reciben el nombre de lejías.

Una explicación para la neutralización

La reacción mediante la cual una base neutraliza las propiedades de un ácido recibe el nombre de neutralización y se ajusta, en términos generales, a una ecuación química del tipo:

ácido + base → sal + agua

Así, por ejemplo:

HCI(aq) + NaOH(s) → NaCl(aq) + H2O

De acuerdo con la teoría de Arrhenius, la neutralización se reduce a una reacción entre los iones H+ y OH- característicos respectivamente de ácidos y bases para dar agua:

H+ + OH- → H2O

Si la concentración de base es suficiente, todos los iones H+ procedentes del ácido serán neutralizados por los OH- procedentes de la base. Un exceso de base otorgará a la disolución resultante un carácter básico. Por el contrario, la existencia de iones H+ no neutralizados, debido a un exceso de ácido, dará lugar a que la disolución tenga carácter ácido.

Aun cuando la teoría de Arrhenius tiene esa validez restringida característica de las primeras aproximaciones, constituyó, sin embargo, un adelanto importante en la explicación de los procesos químicos, y a pesar de sus limitaciones, se sigue aún utilizando por su sencillez en aquellas circunstancias en las que la facilidad de comprensión pesa más que el estricto rigor científico.

CONCEPTOS ACTUALES DE ÁCIDO ...

Limitaciones de las definiciones de Arrhenius

Las definiciones de ácido y base dadas por Arrhenius tropiezan con algunas dificultades. En primer lugar, el ion H+ en disolución acuosa no puede permanecer aislado; dado el carácter dipolar de la molécula de agua, el ion H+ se unirá, por lo menos, a una de ellas formando el ion hidronio H3O+ según la reacción:

H2O + H+ ð H3O+

Por ello, cuando se escribe H+(aq), se ha de sobrentender que el ion H+ está hidratado como H3O+. La formación de unidades moleculares más grandes en las que un ion H+ es rodeado por cuatro moléculas de agua es, asimismo, posible. Se trata de una hidratación que se manifiesta, por ejemplo, en el calentamiento que se produce al disolver en agua ácidos como el sulfúrico o el clorhídrico concentrados. La energía liberada en el proceso de hidratación (solvatación) calienta el sistema.

En segundo lugar, el concepto de base de Arrhenius implica la capacidad de ceder iones OH- a la disolución. Sin embargo, sustancias tales como el amoníaco (NH3) se comportan a todos los efectos como bases sin contener en sus moléculas iones OH-. Así, reaccionan con el ácido clorhídrico de una forma semejante a la de los hidróxidos:

Sales y Ácidos

En disolución acuosa conducen la corriente eléctrica y presentan un comportamiento alcalino análogo en todo al característico de los hidróxidos.

En tercer lugar, las definiciones de Arrhenius se refieren únicamente a sustancias en disolución acuosa e ignoran, por tanto, la posibilidad de que existan ácidos y bases en condiciones diferentes. De acuerdo con todo lo anterior, las nociones de ácido y base de Arrhenius, sin ser falsas, poseen una validez limitada. Los conceptos actuales debidos a Brönsted y Lowry amplían dichas nociones y contienen a aquéllas como un caso particular.

Definición de Brönsted-Lowry

La disociación de un ácido genérico de fórmula AH en un medio acuoso, lleva consigo la cesión de un H+ a una molécula de agua según una reacción del tipo:

AH + H2O ð H3O+(aq) + A-(aq)

Pero el H+ es un átomo de hidrógeno que ha perdido su electrón; es por tanto un protón, de modo que el ácido ha cedido un protón durante el proceso.

Razonamientos de este estilo llevaron al químico danés J.N. Brönsted (1879-1947) a proponer la siguiente definición de ácido:

Ácido es toda sustancia capaz de ceder uno o más protones a otra molécula.

Al proponer este nuevo concepto de ácido, Brönsted buscaba una definición que se pudiera relacionar con la correspondiente de base, tal y como lo estaban las propiedades químicas de ambos tipos de sustancias. Puesto que un ácido tiene propiedades opuestas a las de una base, la definición de base debería reflejar una propiedad opuesta a la del ácido. Así, de acuerdo con la definición de Brönsted:

Base es una sustancia capaz de aceptar uno o más protones de otra molécula.

El comportamiento del amoníaco (NH3) se explica como consecuencia de la siguiente reacción con el agua:

Sales y Ácidos

El NH3 ha actuado como base captando un protón de la Sales y Ácidos
en el caso de los hidróxidos, grupos OH-:

Sales y Ácidos

Estas nuevas definiciones de ácido y de base salvan los inconvenientes de las de Arrhenius, pudiendo ser aplicadas independientemente de cuál sea el medio disolvente en el que tiene lugar el proceso de donación o de aceptación de protones.

Reacciones ácido-base

Como se deduce de sus propias definiciones, los conceptos de Brönsted de ácido y base están relacionados entre sí. Recurriendo a un símil económico puede decirse que en una operación de compra-venta, la existencia de un comprador va ligada necesariamente a la de un vendedor y viceversa; en otras palabras, si alguien compra algo es porque alguien se lo ha vendido. Análogamente sucede en los procesos en los que intervienen ácidos o bases (reacciones ácido-base) y que implican una transferencia de protones: si una molécula cede un protón a otra, la molécula que lo cede se comporta como ácido y la que lo recibe como base.

El análisis detallado de la reacción del ácido clorhídrico con el agua puede servir de ejemplo:

HCI(aq) + H2O → H3O+(aq) + Cl-(aq)

ácido base

Si el HCI cede un protón al H2O, de acuerdo con el concepto de Brönsted, ésta actúa como base y aquél como ácido.

Pero tal reacción es reversible, de modo que puede escribirse en la forma:

HCI(aq) + H2O ð H3O+(aq) + Cl-(aq)

ácido base

El CI- puede aceptar un protón del H3O+ y convertirse de nuevo en HCI. Así, pues, considerada la reacción de partida en el sentido inverso, CI- se comporta como base y H3O+ como ácido. Escrita en forma reversible la reacción del clorhídrico con el agua resulta ser:

HCI(aq) + H2O ð H3O+(aq) + Cl-(aq)

ácido 1 base 2 ácido 2 base 1

Los números iguales indican una relación mutua y definen lo que se llama un par conjugado ácido/base. Ello significa que cuando un ácido cede un protón, se convierte en una especie química capaz de aceptar nuevamente otro protón, es decir, en una base de Brönsted; y viceversa. Tales especies, que difieren tan sólo en un protón (o en un mismo número de protones), constituyen un par conjugado ácido-base.

Los pares conjugados ácido/base se relacionan entre sí mediante los siguientes procesos de transferencia de protones, representados de forma genérica:

Sales y Ácidos

Sales y Ácidos

Independientemente del trabajo de Brönsted, otro químico, el inglés T. M. Lowry (1874-1936) llegó a conclusiones análogas, por lo que estas nuevas definiciones de ácido y de base se conocen como definiciones de Brönsted y Lowry.

VALORACIONES DE ÁCIDO-BASE

Una disolución ácida puede neutralizarse con otra básica (y viceversa) parcial o totalmente. La neutralización total, que lleva consigo la pérdida de propiedades de ácido o de base por la disolución, se consigue cuando se igualan sus concentraciones de iones H3O+ y OH-.

Debido a esta circunstancia, será posible determinar la cantidad de ácido (o de base) presente en una disolución desconocida midiendo el volumen de base (o de ácido) de una disolución de concentración conocida o disolución patrón que es necesario añadir para conseguir la neutralización. La utilización de un pH-metro o de un indicador adecuado señalará el momento o punto final de la reacción, que se alcanza cuando el pH de la disolución toma un valor igual a siete. El proceso correspondiente recibe el nombre de análisis volumétrico o valoración ácido-base y es una técnica frecuente en los laboratorios químicos.

Los cálculos químicos para esta reacción de neutralización se efectúan con la ayuda de la ecuación:

Vácido Mácido nácido = Vbase Mbase nbase

donde V representa el volumen, M la concentración molar y n el número de protones cedidos (nácido) o aceptados (nbase) por cada molécula de ácido o de base respectivamente. Dicha ecuación traduce el hecho de que, para alcanzar el punto final de la reacción, el número total de protones cedidos por el ácido ha de ser igual al número total de protones aceptados por la base. El producto V · M representa, de acuerdo con la definición de molaridad, el número de motes, el cual es proporcional al número de moléculas (1 mol = NA moléculas, siendo NA el número de Avogadro). Luego el producto V · M · n es proporcional en ambos casos al número de protones cedidos por el ácido o aceptados por la base, según la correspondiente ecuación

química, siendo la constante de proporcionalidad la misma para ambos e igual a

Sales y Ácidos

En términos prácticos nácido coincide con el número de átomos de hidrógeno que pierde cada molécula de ácido en la reacción, y si la base es un hidróxido, nbase es igual al número de grupos OH- de la base que reacciona con el ácido.

Con el fin de controlar cuidadosamente el volumen de solución patrón empleado en la valoración, se utiliza una bureta que permite medir no sólo la cantidad total de disolución añadida, sino también añadir gota a gota la disolución patrón a la disolución problema. La representación gráfica de la variación del pH con la cantidad de disolución patrón añadida recibe el rombre de curva de valoración. El punto de corte de la gráfica con la línea horizontal de pH = 7 define el punto final de la valoración. En la figura se advierte cómo en el entorno de ese punto la pendiente de la gráfica se hace muy elevada, lo que significa que pequeñas cantidades de disolución producen cambios importantes en el pH. En tal circunstancia la adición de disolución patrón ha de efectuarse gota a gota para no sobrepasar el valor neutro del pH.

APLICACIÓN DE LA VALORACIÓN ÁCIDO-BASE

Se desea valorar una disolución de ácido sulfúrico con la ayuda de otra de hidróxido de sodio 0,5 M y un indicador apropiado. Se toman 10 ml de la disolución problema y se depositan, junto con el indicador, en un vaso de precipitados. Con la llave cerrada, se llena la bureta con la solución patrón. A continuación se abre la llave y se hace gotear sobre el vaso. Cuando el descenso del nivel de la bureta indica que se han consumido 20 ml, el indicador, con su cambio característico de color, señala el punto final de la valoración. Calcular la concentración molar de la disolución problema y la cantidad de gramos de H2SO4 disueltos en la muestra.

La ecuación química de la correspondiente neutralización viene dada por:

2 NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2 H2O

Cuando la disolución patrón ha neutralizado a la disolución problema se cumple la ecuación estequiométrica:

Vácido Mácido nácido = Vbase Mbase nbase

es decir:

10 ml · Mácido · 2 átomos de H/molécula de ácido =

= 20 ml · 0,5 · 1 grupo OH-/molécula de base

luego, despejando Mácido resulta:

Sales y Ácidos

El número de gramos contenidos en la muestra será entonces:

0,5 moles/litro · 98,02 g/mol · 10 · 10-3 liros de muestra = 0,49 g

puesto que:

M(H2SO4) = 2 M(H) + M(S) + 4 M(O) =

= 2 · 1,00 + 32,06 + 4 · 15,99 = 98,02 g/mol

ACIDEZ BASICIDAD Y EQUILIBRIO...

El equilibrio ácido-base del agua

La cesión de protones por un ácido y la aceptación de protones por una base son procesos reversibles. Dado que este tipo de procesos desembocan al cabo de un cierto tiempo en una situación de equilibrio, su estudio puede efectuarse aplicando los conceptos fundamentales del equilibrio químico.

El equilibrio ácido-base más sencillo y fundamental a la vez es el que corresponde a la disociación del agua:

H2O + H2O ð H3O+ + OH-

base 1 ácido 2 ácido 1 base 2

Esta reacción pone de manifiesto que el agua puede actuar como una base (base 1) ganando protones para convertirse en H3O+ (ácido 1) y puede actuar como un ácido (ácido 2) perdiendo protones para convertirse en OH- (base 2). Se dice por ello que es una sustancia anfolita.

Como pone de manifiesto la escasa conductividad del agua pura, el equilibrio iónico del agua está considerablemente desplazado hacia la izquierda, lo que significa que, de acuerdo con la ley de acción de masas, su constante de equilibrio K es muy pequeña:

Sales y Ácidos

Determinaciones experimentales de dicha constante a 25 ºC han arrojado un valor para K igual a 3,2 · 10-18, lo que indica la existencia de una disociación exigua. La concentración de H2O es, por tanto, prácticamente igual a 1 000 g/litro, o en términos de molaridad:

Sales y Ácidos

Escribiendo la anterior expresión en la forma:

K [H2O]2 = [H3O+] [OH-]

y operando, resulta:

3,2 · 10-18 · (55,5)2 = [H3O+] [OH-]

10-14 = [H3O+] [OH-]

que se representa por Kw y se denomina producto iónico del agua.

El grado de acidez de una disolución. Concepto de pH

En el agua pura la presencia de iones H3O+ y OH- procede únicamente de su disociación iónica, por lo que sus concentraciones respectivas son iguales. Es decir:

Sales y Ácidos

La presencia de un ácido en disolución dará lugar a un aumento de la concentración de iones H3O+, o lo que es lo mismo, el exponente disminuirá en valor absoluto por debajo de siete, alcanzando, por ejemplo, el valor:

Sales y Ácidos

En disoluciones diluidas el producto iónico del agua Kw es constante, por lo que un aumento de [H3O+] supondrá una disminución de [OH-] y viceversa. Por tanto, la adición de una base aumentará la concentración de iones OH- y disminuirá la de iones H3O+, de modo que el exponente de la potencia decirnal que lo representa aumentará el valor absoluto por encima de siete, por ejemplo:

Sales y Ácidos

Parece entonces razonable considerar el exponente de la concentración de iones H3O+ de una disolución como una medida de su grado de acidez.

Se denomina pH de una disolución al valor absoluto del exponente de la concentración de iones H3O+ expresada en la forma de potencia decimal; es decir:

[H3O+] = 10-pH

Si se recurre a la noción de logaritmo resulta:

pH = -log [H3O+]

El pH de una disolución es, pues, el logaritmo cambiado de signo de la concentración de iones hidronio.

En una disolución neutra como el agua pura el pH vale siete; en disoluciones ácidas es menor que siete y en disoluciones básicas es mayor que siete.

Fuerza de ácidos y bases

Según los conceptos de ácido y de base de Brönsted y Lowry la fuerza de un ácido se mide por su tendencia a ceder protones y la de una base por su tendencia a aceptarlos, pero también se puede definir por referencia al equilibrio de disociación en disolución acuosa. Así, para un ácido genérico AH en disolución se produce la reacción reversible:

HA + H2O ð A-(aq) + H3O+(aq)

y la constante Ka de disociación del ácido vendrá dada por:

Sales y Ácidos

que se denomina, también, constante de acidez.

Si el ácido es fuerte, su tendencia a ceder protones desplazará considerablemente el equilibrio hacia la derecha y la disociación será prácticamente total, lo que se reflejará en un valor elevado de Ka.

Análogamente se tendrá para una base genérica B:

B + H2O ð BH+(aq) + OH-(aq)

y la constante de disociación de la base o constante de basicidad será, en este caso:

Sales y Ácidos

Cuanto mayor sea Kb más desplazado estará el equilibrio hacia la derecha y, por tanto, mayor será la fuerza de la base o su capacidad para captar protones y convertirse en BH+.

En general, para una reacción del tipo

ácido 1 + base 2 ð ácido 2 + base 1

si el ácido 1 es más fuerte que el ácido 2 la reacción estará desplazada hacia la derecha y viceversa. Lo mismo sucederá con la base 2 respecto de la base 1.

CONCEPTO DE PK

La descripción del grado de acidez en términos de pH tiene la enorme ventaja de evitar operaciones con potencias decimales de exponentes negativos. Dado que las constantes de equilibrio vienen dadas, por lo general, como potencias de diez, es posible extender la idea recogida en la definición de pH al caso de los valores de K. Así, se define el pK, para una reacción en equilibrio, en la forma:

pK = -log K

En equilibrios ácido-base la constante de equilibrio se denomina constante de acidez o de basicidad y su pK constituye una forma de expresar su valor. Así, por ejemplo, la constante de acidez del ácido acético a 25 ºC es Ka = 1,8 · 10-5 y su pKa se calcula, de acuerdo con la definición, como pKa = -log (1,8 · 10-5) = 4,8.

Dado que el valor de la constante de acidez constituye una medida directa de la fuerza de un ácido, su pKa es entonces una medida inversa de dicha fuerza; cuanto mayor es la fuerza de un ácido menor es su pKa. Los ácidos fuertes, como el clorhídrico (HCI) o el sulfúrico (H2SO4), tienen pKa negativos y los débiles, como el acético (CH3COOH) o el carbónico (H2CO3), pKa positivos.

De la misma manera puede definirse el pKb de una base, cuyo significado es análogo.

APLICACIÓN DEL CONCEPTO DE PH

El ácido clorhídrico es un ácido fuerte, por lo que puede considerarse totalmente disociado en disolución acuosa, según la ecuación química:

HCI + H2O → Cl-(aq) + H3O+(aq)

Se prepara una disolución que contiene 1,823 g de HCI por cada litro de disolución. Calcular la concentración de iones H3O+ en moles/litro, [H3O+], y a continuación determinar el pH de la disolución.

De acuerdo con la ecuación química, el número de moles de HCI y de H3O+ está en relación de 1:1; por tanto, por cada mol de HCI disociado se generará un mol de H3O+(aq) de disolución. La concentración de H3O+ procedente de la disociación del agua es muy pequeña frente a la que procede del ácido y por ello puede despreciarse. Además, como todo el HCI está prácticamente disociado, la concentración en moles por litro del HCI Inicial coincidirá con [H3O+], es decir.

Sales y Ácidos

ya que

M(HCI) = M(H) + M(CI) = 1,0 + 35,46 = 36,46

Por lo tanto:

pH = -log [H3O+] = -log 0,05 = 1,3

Acido

Un ácido es una sustancia que proporciona H+ en dilución. El HClO4 y el HNO3, que están completamente ionizados en agua en H+ y ClO4- y en H+ y NO3-, respectivamente, en todas las concentraciones debajo de un 1M, se llaman ácidos fuertes. El HC2H3O2, ácido acético, y el HNO2, ácido nitroso, sólo están ionizados parcialmente en H+ y C2H3O2- y en H+ y NO2- en toda la gama de concentraciones que se extiende desde la dilución infinita hasta 1M y estas sustancias se llaman ácidos débiles. La disociación de un ácido débil es reversible en solución acuosa. La nomenclatura de los ácidos se obtiene de acuerdo a las siguientes situaciones: (1) En un ácido binario, es decir, la combinación de hidrógeno con un no metal, primero se coloca la palabra ácido seguida por el nombre del elemento con la terminación -hídrico; por ejemplo, HCl, se llama ácido clorhídrico. (2) En ácido ternario, que se obtiene de la combinación de un anhídrido más agua, se coloca primero la palabra ácido seguida por el nombre que corresponde a la valencia que ocupa el no metal; por ejemplo, H2SO4, se llama ácido sulfúrico.

Bases

En forma similar, una base es una sustancia que puede proporcionar OH-, éste se obtiene de la reacción en que una molécula de agua cede un protón a otra quedando como productos el ion H3O+ y OH-. El NaOH-, una base fuerte, está completamente ionizada en agua en Na+ y OH-; las bases débiles, como el NH4OH, cuyas soluciones acusas producen una cantidad parcial de OH-. La nomenclatura de las bases corresponde a la palabra hidróxido seguida del nombre del metal con la terminación correspondiente a la valencia, Fe(OH)3, se llama hidróxido férrico o hidróxido de fierro(III).

Formación de Sales

Las sales son compuestos que están formados por un metal(catión) más un radical(anión), que se obtiene de la disociación de los ácidos, es decir, cuando rompe el enlace covalente liberando protones (H+), el radical adquiere carga negativa según el número de protones liberado. Luego el metal se une al radical por medio de enlace iónico, que es la combinación entre partículas de cargas opuestas o iones. Las fuerzas principales son las fuerzas eléctricas que funcionan entre dos partículas cargadas cualesquiera. Las cargas de los iones elementales pueden comprenderse en función a la estructura electrónica de los átomos; la estructura electrónica nos indica el numero de electrones presentes en el último nivel de energía que son los llamados electrones de valencia, que son los responsables de la combinación de partículas.

Objetivos

Reconocer la formacion de sales al combinar diferentes reactivos

Completar las ecuaciones que representan cada proceso de formacion de sales

Caracterizar cada una de las reacciones

Actividades

MATERIALES

A.- TUBOS DE ENSAYO.

B.- ÉSPATULA.

C.- PIPETA.

D.- MECHERO.

REACTIVOS

Los que se indican en cada actividad.

INTRUCCIONES

Si los reactivos que utilizará se encuentran en solución, adicione aproximadamente unos 2 ml a 5ml ; si está sólido adicione una punta de espátula o un trocito si están laminas.

Registre todas sus observaciones antes y después de cada reacción .- (registre especialmente los colores o tonalidades de los reactivos antes y después de cada reacción).

REACCIÓN (FORMACIÓN DE SALES)

Cromato de potasio Nitrato de Plata Cromato de Plata Nitrato de Potasio

Reac.3 K2CrO4 + 2 A g NO3 Ag 2Co4 + 2 Kno3

Amarillo Incoloro ladrillo

Cloruro de Bario Sulfato de Sodio Sulfato de Bario Cloruro de Sodio

Reac.4 BaCl2 + Na2So4 BaSo4 + 2 NaCl

Incoloro Incoloro Blanco debil Blanco

Nitrato de Plata Cloruro de Sodio Cloruro de Plata Nitrato de Sodio

Reac.5 AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3

Incoloro Incoloro Blanco

Nitrato de Plomo(II) Cromato de Potasio Cromato de Plomo(II) Nitrato de Potasio

Reac.6 Pb(NO3)2 + K2CrO4 PbCrO4 + 2 KNO3

Incoloro Amarillo Gelatina Amarillo Incoloro

Sulfato de Fierro(II) Hidróxido de Potasio Sulfato de Potasio Hidróxido Ferroso

Reac.7 FeSO4 + 2 KOH K2SO4 + Fe(OH)2

Incoloro Incoloro Incoloro Verde

Cobre (lámina) Nitrato de Plata Nitrato de Cobre Plata (líquido)

Reac.9 Cu + Ag(NO3) Cu(NO3) + Ag

Naranjo Transparente (se enrosca)

Sulfato Cúprico Hidróxido de Sodio Hidróxido Cúprico Hidróxido de Sodio

Reac.10 CuSO4 + 2 NaOH Cu(OH)2 + Na2OH

Celeste debil Incoloro Celeste

Magnesio(cinta) Acido Clorhídrico Cloruro de Magnesio Hidrógeno (gas)

Reac.11 Mg + 2 HCl MgCl2 + H2

Gris Incoloro (se disuelve) Invisible

Carbonato de Sodio Nitrato de Plata Nitrato de Sodio Carbonato de Plata

Reac.12 NaCO3 + AgNO3 NaNO3 + AgCO3

Incoloro Incoloro Blanco

Magnesio (cinta) Llama del Mechero Oxido de Magnesio

Reac.13 Mg + O2 2 MgO

Oxido de Magnesio Agua Hidróxido de Magnesio

2ª Parte MgO + H2O Mg(OH)2