Química

Ácidos y bases

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INTRODUCCIÓN

Desde muy antiguo se sabe que pueden formarse dos grandes grupos de sustancias:

Uno que tiene propiedades ácidas y otro con propiedades básicas o alcalinas.
La palabra ácido proviene del latín acetum que quiere decir vinagre.

Alcalino deriva de la palabra árabe alkali que significa ceniza.

Estas propiedades son opuestas y, cuando se mezclan sustancias ácidas con básicas, ambas se anulan entre sí, resultando de la mezcla nuevas sustancias que serán ácidas, básicas o neutras), dependiendo de la fuerza relativa de las sustancias de partida.

Vas a hacer una serie de experimentos que te permitirán comprobar qué sustancias o mezclas que utilizas corrientemente tienen propiedades ácidas y cuáles básicas.

Todos los recipientes o útiles que utilices deben estar perfectamente limpios y debes asegurarte de que al final de tu trabajo queden exactamente igual de limpios. No es concebible un buen trabajo de experimentación química sin mantener un riguroso orden y una escrupulosa limpieza.

El sitio donde trabajes debe ser de fácil limpieza, debes tener siempre a mano un trapo para recoger los líquidos que puedan derramarse.

Los ácidos y las bases producen distintas reacciones:

El color que tienen muchas flores, plantas o frutas es debido a que producen unas sustancias con la propiedad de estar coloreadas.

Precisamente, estas sustancias son capaces de cambiar su color si se encuentran en presencia de un ácido o una base. Por ello se llaman "indicadores", porque indican, mediante el cambio de color, si están en contacto con un ácido o una base.

Para tus experimentos sobre ácidos y bases utilizarás el color de las ciruelas negras, de la col lombarda o de frutos y bayas de color azul, morado o negro.

Los ácidos tienen un sabor agrio, colorean de rojo el tornasol (tinte rosa que se obtiene de determinados líquenes) y reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno. Las bases tienen sabor amargo, colorean el tornasol de azul y tienen tacto jabonoso. Cuando se combina una disolución acuosa de un ácido con otra de una base, tiene lugar una reacción de neutralización. Esta reacción en la que, generalmente, se forman agua y sal, es muy rápida. Así, el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio NaOH, producen agua y sulfato de sodio:

H2SO4 + 2NaOH ! 2H2O + Na2SO4

PRIMERAS TEORÍAS

Los conocimientos modernos de los ácidos y las bases parten de 1834, cuando el físico inglés Michael Faraday descubrió que ácidos, bases y sales eran electrólitos por lo que, disueltos en agua se disocian en partículas con carga o iones que pueden conducir la corriente eléctrica. En 1884, el químico sueco Svante Arrhenius (y más tarde el químico alemán Wilhelm Ostwald) definió los ácidos como sustancias químicas que contenían hidrógeno, y que disueltas en agua producían una concentración de iones hidrógeno o protones, mayor que la existente en el agua pura. Del mismo modo, Arrhenius definió una base como una sustancia que disuelta en agua producía un exceso de iones hidroxilo, OH-. La reacción de neutralización sería:

H+ + OH- ! H2O

La teoría de Arrhenius y Ostwald ha sido objeto de críticas. La primera es que el concepto de ácidos se limita a especies químicas que contienen hidrógeno y el de base a las especies que contienen iones hidroxilo. La segunda crítica es que la teoría sólo se refiere a disoluciones acuosas, cuando en realidad se conocen muchas reacciones ácido-base que tienen lugar en ausencia de agua.

ÁCIDOS Y BASES

Los ácidos y las bases son disoluciones acuosas que se caracterizan porque se disocian en iones hidrogeno, cuando son ácidos y en iones hidróxido cuando son bases, los primeros tienen sabor agrio; reaccionan en los metales produciendo efervescencia y las bases son de sabor amargo, disuelven el azufre, se usan en la fabricación de jabones a partir de grasas y aceites.

Todas estas disoluciones tienen un uso común en las actividades diarias de los hogares, oficinas, industria, etcétera; se usan como limpiadores, desmanchadores y materia prima.

Estos compuestos son electrólitos ya que tienen la característica de permitir el paso de la corriente eléctrica con mayor o menor facilidad.

ÁCIDOS Y BASES SEGÚN ARRHENIUS

Svante Arrhenius químico sueco quien durante el período de 1883-1887 desarrollo su teoría de la disociación electrolítica propuso que en soluciones acuosas los electrólitos fuertes existen principalmente como partículas cargadas llamadas iones. Estos iones se mueven con relativa libertad en solución y durante la electrólisis. Las conclusiones de Arrhenius se basaron principalmente en sus experimentos sobre el punto de congelación de las soluciones.

Arrhenius entonces definió a los ácidos como sustancias del tipo HX que en solución se disocian produciendo H+ y X-, definiendo a las bases MOH, como sustancias que en solución producen M+ y OH-, y a la neutralización como el resultado de la combinación de esos iones.

Se dio cuenta de que esos iones serían separados por un solvente polar, puesto que las fuerzas de atracción entre los iones en solución acuosa es pequeña y a demás hizo notar que la dilución debería favorecer la ionización. Cuando Arrhenius aplico los mismos métodos experimentales a los electrolitos fuertes, tuvo dificultades. Arrhenius no pudo explicar la diferencia entre un tipo de electrolitos.

ÁCIDOS Y BASES SEGÚN BRONSTED-LOWRY.

Una teoría más satisfactoria es la que formularon en 1923 el químico danés Johannes Brønsted y, paralelamente, el químico británico Thomas Lowry. Esta teoría establece que los ácidos son sustancias capaces de ceder protones (iones hidrógeno H+) y las bases sustancias capaces de aceptarlos. Aún se contempla la presencia de hidrógeno en el ácido, pero ya no se necesita un medio acuoso: el amoníaco líquido, que actúa como una base en una disolución acuosa, se comporta como un ácido en ausencia de agua cediendo un protón a una base y dando lugar al anión (ion negativo) amida:

NH3 + base ! NH2- + base + H+

Los ácidos y bases según Brönsted -Lowry los ácidos sustancias que ceden protones, las bases son sustancias capaces de aceptar protones.

En 1884 un químico sueco , Svante Arrhenius, propuso las primeras definiciones importantes de ácidos y bases. Un ácido es una sustancia que forma iones hidrógeno (H+) en una solución acuosa y una base es una sustancia que forma iones hidróxido (OH-) en solución acuosa. La teoría de Arrhenius fue muy útil pero no bastó para incluir a todos los compuestos que parecían tener propiedades ácidas y básicas. Para ácidos y bases en solución, las mejores definiciones pertenecen a la teoría de Brönsted-Lowry. En el margen se encuentran las definiciones de acuerdo con esta teoría. El término "protón" se refiere a un ion hidrógeno positivo (un átomo de hidrógeno sin electrón). El protón proviene de la ruptura del enlace covalente que une al hidrógeno con algún otro elemento. De acuerdo con la definición de Brönsted-Lowry, un ácido es la especie que contiene hidrógeno en el cual el enlace covalente que une al hidrógeno se puede romper de manera que se libere el ion hidrógeno. Una base es una especie que es capaz de formar un nuevo enlace covalente con un protón donado por un ácido.

El concepto de ácido y base de Brønsted y Lowry ayuda a entender por qué un ácido fuerte desplaza a otro débil de sus compuestos (al igual que sucede entre una base fuerte y otra débil). Las reacciones ácido-base se contemplan como una competición por los protones. En forma de ecuación química, la siguiente reacción de Acido (1) con Base (2)

Ácido (1) + Base (2) ! Ácido (2) + Base (1)

se produce al transferir un protón el Ácido (1) a la Base (2). Al perder el protón, el Ácido (1) se convierte en su base conjugada, Base (1). Al ganar el protón, la Base (2) se convierte en su ácido conjugado, Ácido (2). La ecuación descrita constituye un equilibrio que puede desplazarse a derecha o izquierda. La reacción efectiva tendrá lugar en la dirección en la que se produzca el par ácido-base más débil. Por ejemplo, HCl es un ácido fuerte en agua porque transfiere fácilmente un protón al agua formando un ion hidronio:

HCl + H2O ! H3O+ + Cl

-En este caso el equilibrio se desplaza hacia la derecha al ser la base conjugada de HCl, Cl-, una base débil, y H3O+, el ácido conjugado de H2O, un ácido débil.

Al contrario, el fluoruro de hidrógeno, HF, es un ácido débil en agua y no transfiere con facilidad un protón al agua:

HF + H2O ! H3O+ + F

-Este equilibrio tiende a desplazarse a la izquierda pues H2O es una base más débil que F- y HF es un ácido más débil (en agua) que H3O+. La teoría de Brønsted y Lowry también explica que el agua pueda mostrar propiedades anfóteras, esto es, que puede reaccionar tanto con ácidos como con bases. De este modo, el agua actúa como base en presencia de un ácido más fuerte que ella (como HCl) o, lo que es lo mismo, de un ácido con mayor tendencia a disociarse que el agua:

HCl + H2O ! H3O+ + Cl

-El agua también actúa como ácido en presencia de una base más fuerte que ella (como el amoníaco):

NH3 + H2O ! NH4+ + OH

ÁCIDOS Y BASES SEGÚN LEWIS

Entre los años 1915 y 1938, el químico norteamericano G.N. Lewis realizó estudios acerca de ácidos y bases y encontró muchos ejemplos que apoyan los cuatro criterios sobre ácidos y bases, que son el punto de partida de su trabajo:

1. - Las reacciones de neutralización son rápidas.

2. - Los ácidos y las bases desplazan de sus compuestos a otros ácidos y bases más débiles.

3. - Para determinar el punto de equivalencia en titulaciones con ácidos o con bases, se pueden usar indicadores.

4. - Los ácidos y las bases funcionan frecuentemente como catalizadores.

Los conceptos de Lewis son más generales que los de Brönsted porque no consideran indispensables al protón. Lewis más bien toma como característica la clase de enlace que se forma cuando un ácido reacciona con una base y la presencia o ausencia de pares de electrones no compartidos como carácter distintivo de los ácidos y bases.

Lewis definió un ácido como una sustancia que puede aceptar un par de electrones (frecuentemente tiene solo 6 electrones en lugar de 8 en su capa de valencia), y a una base como una sustancia capaz de donar un par de electrones(tiene un octeto, pero por lo menos un par de electrones no compartidos).

El resultado de la reacción entre un ácido y una base es un producto con un enlace covalente coordinado.

Este concepto incorpora a los ejemplos anteriores y también a muchos otros, incluye reacciones en fase sólida o en la fase gaseosa y muchas reacciones de compuestos orgánicos.

NOMBRE	FÓRMULA	PRESENTE EN
ÁCIDOS
Ácido acético	HC2H3O2	Vinagre
Ácido acetilsalicílico	HC9H7O4	Aspirina
Ácido ascórbico	H2C6H6O6	Vitamina C
Ácido cítrico	H3C6H5O7	Jugo de limón y de otros cítricos
Ácido clorhídrico	HCI	Jugos gástricos (líquidos digestivos del estómago)
Ácido sulfúrico	H2SO4	Pilas

Bases
Amoníaco	NH3	Limpiadores domésticos (solución acuosa)
Hidróxido de calcio	Ca(OH)2	Cal apagada (utilizada en construcción)
Hidróxido de magnesio	Mg(OH)2	Lechada de magnesio (antiácido y laxante)
Hidróxido de potasio (también llamado potasa cáustica)	KOH	Jabón suave
Hidróxido de sodio	NaOH	Limpiadores de tuberías y hornos

EL SABOR DE LOS ÁCIDOS Y DE LAS BASES

En este experimento vas a probar una sustancia ácida y una sustancia básica o alcalina, precisamente aquellas de cuyos nombres derivan la palabra ácido y alcalino, vinagre y cenizas que, en tu caso, serán de leña.

El sabor de un ácido

Material:	Reactivos:
1 vaso 1 cucharilla 1 tarro 1 Etiqueta	Vinagre de vino blanco Agua potable

Modo de preparar:

'Ácidos y bases'

Pon en un vaso un pequeño volumen de agua y añádele otro igual de vinagre.

Remueve con la cucharilla para mezclar bien los dos líquidos.

pon unas gotas en la cucharita y prueba el líquido humedeciendo la punta de la lengua y llevándola al paladar.
¿Qué sabor tiene un ácido?

Anota el resultado.

Con ayuda de una cucharilla y un embudo, vierte el contenido del vaso a un tarro.

Cierra el tarro, ponle una etiqueta y guárdalo.

EL SABOR DE UNA BASE

Vas a probar, ahora, el sabor que tienen las sustancias básicas o alcalinas.

Material:	Reactivos:
2 vasos 1 tarro 1 cucharilla 1 embudo 1 filtro de papel 1 clip 1 etiqueta	Ceniza de leña. Agua potable.

Modo de preparar:

'Ácidos y bases'

A un vaso lleno hasta su tercera parte de agua, añádele cuatro o cinco cucharadas de ceniza.

Remueve bien la mezcla.

Monta un filtro; con ayuda de la cucharilla, vierte la mezcla a su interior y recoge el filtrado en un vaso.

Coge unas gotas con la cucharilla y prueba el líquido humedeciendo la punta de la lengua y llevándola al paladar. Anota el resultado.

Vierte el contenido del vaso a un tarro ayudándote de un embudo y una cucharilla.

Cierra el tarro, ponle una etiqueta y guárdalo.

ÁCIDOS		BASES
CARACTERÍSTICAS	EJEMPLOS	CARACTERÍSTICAS	EJEMPLOS
Tienen sabor agrio	Tomates	Tienen sabor amargo	Amoníaco
Cambian el color de los indicadores	Frutos cítricos	Cambian el color de los indicadores	Disolución de bicarbonato de sodio
Reaccionan con algunos metales desprendiendo hidrógeno	Bebidas carbónicas	Poseen tacto grasiento	Jabón
Las propiedades de los ácidos desaparecen al reaccionar con las bases	Café negro	Las propiedades básicas desaparecen al reaccionar con los ácidos	Detergentes
En disolución acuosa dejan pasar la corriente eléctrica	Aspirina	En disolución acuosa dejan pasar la corriente eléctrica	Lejía

Características de los acidos y las bases

POTENCIAL DE HIDRÓGENO

(PH)

Término que indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución. Se trata de una medida de la acidez de la disolución. El término (del francés pouvoir hidrogene, 'poder del hidrógeno') se define como el logaritmo de la concentración de iones H+ (protones) cambiado de signo: pH = -log [H+], donde [H+] es la concentración de iones H+ en moles por litro. Debido a que los iones H+ se asocian con las moléculas de agua para formar iones hidronio, (H3O+), el pH también se expresa a menudo en términos de concentración de iones hidronio.

En agua pura a 22 °C de temperatura, existen cantidades iguales de iones H3O+ y de iones hidroxilos (OH-); la concentración de cada uno es 10-7 moles/litro. Por lo tanto, el pH del agua pura es -log (0.107), que equivale a 7. Sin embargo, al añadirle un ácido al agua, se forma un exceso de iones H3O+ en consecuencia, su concentración puede variar entre 10-6 y 10-1 moles/litro, dependiendo de la fuerza y de la cantidad de ácido. Así, las disoluciones ácidas tienen un pH que varía desde 6 (ácido débil) hasta 1 (ácido fuerte). En cambio, una disolución básica tiene una concentración baja de iones H3O+ y un exceso de iones OH- y el pH varía desde 8 (base débil) hasta 14 (base fuerte).

El pH de una disolución puede medirse mediante una valoración, que consiste en la neutralización del ácido (o base) con una cantidad determinada de base (o ácido) de concentración conocida, en presencia de un indicador (un compuesto cuyo color varía con el pH). También puede determinarse midiendo el potencial eléctrico que se origina en ciertos electrodos especiales sumergidos en la disolución.

¿Que es el pH?

El pH o potencial de hidrogeniones es un parámetro que sirve para medir o expresar la acidez o la alcalinidad de un líquido. Se define como el exponente positivo de la concentración de los iones del Hidrógeno (hidrogeniones). El pH suele tomar valores entre 0 y 14, un pH de 7 es neutro y no es ni ácido ni básico. Un pH entre 0 y 7 indica que la sustancia es ácida. Un pH entre 7 y 14 le denomina básica. Cuanto mas alejado este el valor de 7, mas ácida o básica será la sustancia.

El concepto ácido nos es usual. Todos conocemos el potente efecto destructor de lo ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico o el sulfúrico. Estos ácidos tienen un pH de 1-2. Sin embargo, el concepto alcalino es más desconocido. ¿Que efectos tiene?. Pues de alguna manera son muy parecidos. La sosa cáustica, de pH 12, tiene un enorme poder corrosivo. La mayor parte de los procesos vitales se desarrollan en un pH neutro, y conforme nos alejamos de este margen la vida se va haciendo más difícil.

¿Cual es el pH ideal?

Ya hemos mencionado que cada especie tiene su pH ideal, sirva como ejemplo dos casos extremos el de un agua bastante ácida, como el de la cuenca del río negro en Sudamérica (pH 4,8) o el de la cuenca del río Manacacias (pH 5,1) y aguas bastante básicas como la del lago Tanganica con valores próximos a (pH 9). Normalmente basta con un pH entre 6,5 y 7,5 para que la mayoría de peces y plantas se desarrollen con normalidad.

¿Como se mide el pH?

Cada especie de pez esta habituado a vivir en un agua con un pH determinado. Por tanto cada dos semanas comprobaremos que nuestro agua no se ha vuelto ni demasiado ácida ni demasiado básica.

El ph se mide con cualquiera de los numerosos test que venden en las tiendas del ramo hechos a partir de sustancias que varían de color Según el pH del agua. Estos dan unos valores aproximados pero son suficientes para nuestros propósitos, si queremos obtener valores más precisos, basta con que adquiramos un pH-metro digital, mucho mas preciso y fácil de manejar, pero mucho mas caro.

¿Como cambio el pH?

La forma de alterar el pH de nuestro acuario consistirá en añadirle ácidos o bases. Debemos tener la precaución de no variar el pH mas de medio grado diario. Los peces pueden soportar ph inadecuados, pero soportan mal las variaciones bruscas.

Si nuestro pH es demasiado alcalino, por ejemplo 9, deberemos añadirle un ácido para bajarlo. Existen numerosos productos de venta en tiendas de acuario filia para bajar el pH de una forma segura, habitualmente denominados ph-minus. Un remedio casero suele consistir en añadir ácido fosfórico o en, caso de apuro, zumo de limón. Se debe tener mucho cuidado al variar el pH, pues la bajada de pH no es proporcional a la cantidad de ácido agregado. Otros métodos mucho más recomendables son la disolución de CO2 o la filtración con turba.

Para subir el pH agregaremos una base. De nuevo tenemos en los comercios del ramo productos con la denominación de ph-max, que nos aumentarán el pH de manera cómoda y segura. Como remedio casero podemos acudir al bicarbonato, pero en dosis muy bajas y con mucho cuidado.

Para obtener agua con un pH sin oscilaciones existen unas disoluciones llamadas tampón. Estas Están compuestas de un ácido débil y su sal, y nos permitirán dejar el pH en el valor deseado evitando las variaciones. Son preparados comerciales localizables en cualquier tienda de acuario filia.

MEDIDA DE LA FUERZA DE ÁCIDOS O BASES

La fuerza de un ácido se puede medir por su grado de disociación al transferir un protón al agua, produciendo el ion hidronio, H3O+. De igual modo, la fuerza de una base vendrá dada por su grado de aceptación de un protón del agua. Puede establecerse una escala apropiada de ácido-base según la cantidad de H3O+ formada en disoluciones acuosas de ácidos, o de la cantidad de OH- en disoluciones acuosas de bases. En el primer caso tendremos una escala pH, y en el segundo una escala pOH. El valor de pH es igual al logaritmo negativo de la concentración de ion hidronio y el de pOH al de la concentración de ion hidroxilo en una disolución acuosa:

pH = -log [H3O+]

pOH = -log [OH-]

El agua pura tiene un pH de 7,0; al añadirle ácido, la concentración de ion hidronio, [H3O+] aumenta respecto a la del agua pura, y el pH baja de 7,0 según la fuerza del ácido. El pOH del agua pura también es de 7,0, y, en presencia de una base cae por debajo de 7,0.

El químico estadounidense Gilbert N. Lewis expuso una nueva teoría de los ácidos y bases en la que no se requería la presencia de hidrógeno en el ácido. En ella se establece que los ácidos son receptores de uno o varios pares de electrones y las bases son donantes de uno o varios pares de electrones. Esta teoría también tiene la ventaja de que es válida con disolventes distintos del agua y no se requiere la formación de una sal o de pares ácido-base conjugados. Según esto, el amoníaco se comporta como una base, pues es capaz de ceder un par de electrones al trifluoruro de boro para formar un par ácido-base:

H3N: + BF3 ! H3N-BF3

LA DUREZA CARBONATADA

Ya hemos mencionado lo que es un tampón. Hay un tampón muy típico en los acuarios, y se suele tratar de tampón ácido carbónico-carbonato. Estas sustancias reaccionan entre si, manteniendo un pH igual a 8-8.5. Si no somos capaces a bajar el pH de nuestro acuario, debemos mirar la dureza de carbonatos. Seguramente tengamos algo en el decorado compuesto de carbonato.

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.

NEUTRALIZACIÓN

Se llaman así a la reacción entre un ácido y una base: