Ácidos y Bases

Ácidos y bases conjugados

También puedes encontrar ácidos y bases conjugados .

Los ácidos y las bases van acompañados de un ácido o una base conjugados. Por ejemplo, el ácido conjugado del amoníaco es el amonio, \(NH_4^+\):

Base Ácido conjugado

\NH_3(aq) + H_2O(l) en flecha recta NH_4^+ (aq) + OH^-(aq)\[NH_3(aq) + H_2O(l) en flecha recta NH_4^+ (aq) + OH^-(aq)\].

Reacciones de neutralización

Los ácidos y las bases reaccionan juntos en las reacciones de neutralización .

Las reacciones de neutralización forman sales. Las sales son compuestos iónicos formados por iones positivos y negativos unidos en una red gigante. Para nombrarlas, indicamos primero el catión (ion positivo) seguido del anión (ion negativo). Por ejemplo, el cloruro sódico, que en realidad no es más que sal común de mesa. Otro ejemplo de sal es el cloruro cálcico, que se utiliza para deshelar las carreteras.

Fig. 1 - Cloruro sódico. Los iones positivos de sodio (morados) y los negativos de cloruro (verdes) están dispuestos en una estructura reticular gigante.

Para neutralizar completamente una solución, añades la base justa para que reaccione con todo el ácido: no debe sobrar ni ácido ni base.

Como hemos dicho antes, tomar pastillas antiácidas, lavarse los dientes y aliviar las picaduras de avispa implican reacciones de neutralización. Los comprimidos antiácidos contienen bases como el hidróxido de magnesio, \(Mg(OH)_2\), que neutralizan el exceso de ácido clorhídrico producido por el estómago. Por otra parte, la pasta de dientes es alcalina y reacciona con los ácidos producidos por las bacterias que viven en tu boca. Las picaduras de avispa también son alcalinas. Por eso, las cremas y bálsamos suelen contener ácidos para neutralizar la picadura y calmar la zona afectada.

Ácidos y bases concentrados y diluidos

Probablemente hayas oído hablar de los peligros de los ácidos y se te llenen la cabeza de imágenes de señales de advertencia corrosivas. Aunque es cierto que tanto los ácidos como las bases pueden ser extremadamente peligrosos, en general sólo tienes que preocuparte por los ácidos y las bases concentrados.

Ácidos y bases fuertes y débiles

Observa las siguientes ecuaciones:

\HCl en flecha H^+ + Cl^-\].

\[CH_3COOH \flechaderecha H^+ + CH_3COO^-\]

Tanto el ácido clorhídrico, \(HCl\), como el ácido etanoico, \(CH_3COOH\), son ácidos, tal como sugieren sus nombres. Ambos se disocian para donar protones en disolución. Sin embargo, notarás algo diferente en sus ecuaciones. Mientras que la reacción del ácido clorhídrico se completa, la del ácido etanoico es reversible. Esto ocurre porque el ácido clorhídrico es un ácido fuerte, mientras que el ácido etanoico es débil.

Entre los ácidos fuertes están el ácido clorhídrico, que se encuentra en los jugos gástricos, y el ácido sulfúrico. Los ácidos débiles son el ácido etanoico, presente en el vinagre de malta, y el ácido cítrico, presente en cítricos como el limón. Las bases fuertes incluyen el hidróxido de sodio, mientras que las bases débiles incluyen el amoníaco. Explorarás más los ácidos y bases débiles en Ácidos y bases débiles.

Aunque la diferencia entre un ácido fuerte y uno débil puede parecer trivial, es importante a la hora de calcular el pH, como verás más adelante. Pero antes de explorar eso, tenemos que definir qué es realmente el pH.

¿Qué es la escala de pH?

La escala de pH fue inventada por un cervecero y químico danés llamado Søren Peder Lauritz Sørensen, que buscaba controlar la acidez de su cerveza. Las soluciones con una concentración elevada de iones hidrógeno tienen un pH bajo y viceversa.

Ahora sabes que los ácidos liberan protones (iones de hidrógeno) en solución. Esto significa que los ácidos tienen un pH bajo. En cambio, las bases tienen un pH alto.

Fig. 2 - La escala de pH

Calcular el pH

Calcular el pH puede ser un poco complicado. Hay muchas ecuaciones que debes aprender, y es fácil confundirse entre moles y concentraciones. La tabla siguiente te da algunos de los valores que necesitas comprender para calcular el pH, así como las ecuaciones que los relacionan.

Fig. 3 - Valores importantes dentro del tema de los ácidos y las bases

En artículos posteriores, exploraremos todos estos valores con más detalle y te guiaremos a través de los distintos métodos para calcular el pH. Sin embargo, el proceso puede resumirse con el siguiente diagrama de flujo:

Fig. 4 - Diagrama de flujo utilizado para calcular el pH de ácidos y bases

Medición del pH

Si estás llevando a cabo una reacción ácido-base, como una neutralización, que veremos más adelante, es posible que quieras conocer el pH de una disolución a intervalos regulares. Calcular el pH cada vez puede resultar un poco laborioso. Afortunadamente, disponemos de diferentes formas de hallar el pH instantáneamente.

• Losindicadores son sustancias que muestran un cambio claramente observable cuando cambian las condiciones en las que se encuentran. Lo más habitual es un cambio de color. El indicador universal es una mezcla de diferentes indicadores que abarca todo el espectro de colores según que una sustancia sea ácida o alcalina.
• Los pH-metros son instrumentos digitales que miden con precisión el pH de una solución. Lo hacen midiendo las diferencias de actividad eléctrica.

Fig. 5 - Indicador ^universal1. Recuerda que un pH bajo es ácido y un pH alto es alcalino. commons.wikimedia.org

¿Qué son las soluciones tampón?

En Soluciones tampón aprenderás cómo funcionan estas soluciones extraordinariamente útiles. Hay muchos sistemas que sencillamente no funcionarían si su pH fluctuara fuera de un estrecho margen, como tu sistema circulatorio.

¿Qué son las valoraciones?

Supón que tienes una disolución de ácido clorhídrico pero no estás seguro de cuál es su concentración. Una forma habitual de averiguar la concentración de un ácido o una base desconocidos es mediante una reacción de valoración. Para ello, neutralizas un volumen fijo de un ácido o una base de concentración conocida con tu ácido o base de concentración desconocida, y mides el volumen de sustancia desconocida necesario.

Para realizar con precisión una valoración, necesitas conocer su punto de equivalencia.

Para determinar cuándo has alcanzado el punto de equivalencia, utilizas un indicador, como hemos mencionado antes. Los indicadores son útiles porque cambian de color a un pH determinado. Esto se conoce como punto final.

Si el punto final de una valoración es el mismo que su punto de equivalencia, puedes utilizar el cambio de color del indicador para saber cuándo has añadido suficiente base para neutralizar el ácido, o viceversa. A continuación, puedes utilizar la ecuación química de la reacción para calcular la concentración del ácido o la base desconocidos. Encontrarás más información en Curvas de pH y valoraciones.

Curvas de pH e indicadores adecuados

Al trazar el cambio de pH en una reacción de neutralización en función del volumen de ácido o base añadido, se obtiene un gráfico curvo conocido como curva de pH. Tiene tres secciones distintas:

• Una sección inicial de pendiente poco pronunciada, en la que el pH apenas cambia.
• Una sección de pendiente pronunciada, en la que el pH cambia rápidamente.
• Otra sección de pendiente poco pronunciada, en la que el pH apenas cambia.

El punto de equivalencia de una valoración se encuentra en el centro de esta sección de pendiente pronunciada. Si el punto final de un indicador también se encuentra en esta sección, puedes utilizar el indicador en tu valoración.

Fig. 6 - Curva de pH para la adición de una base fuerte a un ácido débil. Se muestran los puntos finales de dos indicadores. En este caso, la fenolftaleína sería un indicador adecuado, ya que su punto final se encuentra en la sección de la gráfica con una pendiente pronunciada, que también contiene el punto de equivalencia.

Realización de valoraciones

Una actividad práctica divertida podría ser realizar una valoración sencilla o una reacción de neutralización general. De hecho, es probable que realices muchas valoraciones a lo largo de tus estudios. Si realizas una valoración, asegúrate de utilizar un indicador adecuado, pero también puedes utilizar un pH-metro. Recorramos el proceso utilizando ácido clorhídrico e hidróxido sódico.

• Mide 30 ^cm3 de HCl con un matraz aforado. Vierte la solución en un matraz Erlenmeyer.
• Añade 2-3 gotas de tu indicador y agita el matraz.
• Enjuaga una bureta, primero con agua destilada y después con NaOH. Prepara la bureta con un soporte y una pinza, de modo que quede suspendida sobre el matraz Erlenmeyer.
• Llena la bureta con tu valorante. Observa el valor de esta solución que aparece en la bureta. Éste es tu valor inicial.
• Añade el valorante al matraz Erlenmeyer en intervalos de 1 ^cm3, agitando después de cada adición, hasta que la solución del Erlenmeyer cambie de color. Anota el valor que aparece en la bureta. Éste es tu valor final.
• Para calcular el título, resta el valor final del valor inicial. Esto te da el volumen de valorante añadido al matraz.
• Repite el experimento hasta que tengas tres valores de valoración con una diferencia de 0,1 ^cm3 entre sí. Cuando llegues al final de la valoración, cerca del punto de cambio de color, añade el valorante gota a gota. El cambio de color se produce en un intervalo de volumen muy pequeño, por lo que añadir el valorante en cantidades reducidas te permite ser más preciso.

Si utilizas un pH-metro, úsalo para medir el pH de la solución en el matraz Erlenmeyer cada vez que añadas más valorante. A medida que te acerques al punto de cambio de color, añade el valorante en cantidades más pequeñas, como se ha explicado anteriormente.

Éste es el montaje de una valoración típica.

Fig. 7 - Montaje de una valoración típica

Fluidos Electrolitos y Equilibrio Ácido-Base Introducción a los Fluidos Corporales

Para terminar, exploremos los fluidos, los electrolitos y el equilibrio ácido-base de la homeostasis. Aunque esto es más importante en biología y lo más probable es que no te lo encuentres en tu examen de química, ¡es un tema muy importante!

En el cuerpo de un adulto medio hay una media de 40 L de líquidos corporales (figura 3). El líquido intracelular es el que se encuentra en el interior de las células del cuerpo, y está formado principalmente por agua y electrolitos como potasio (^K+), magnesio (^Mg2+) y ^HPO42-. El líquido extracelular se encuentra fuera de las células del cuerpo y contiene electrolitos como ^Na+, ^Cl-, ^HCO3- y ^Ca2+.

Una de las muchas funciones de los electrolitos es ayudar a mantener el equilibrio ácido-base en la homeostasis. En este caso los ácidos se consideran electrolitos que liberan iones ^H+ en el agua, mientras que las bases son electrolitos que liberan iones ^OH- en el agua.

Si comprendes los conceptos tratados en esta explicación, ¡tendrás una base realmente sólida que te ayudará durante tus exámenes de química!