Ácidos y bases conjugados

¿Qué es un ácido y qué es una base, según Brønsted Lowry?

Existen múltiples definiciones de ácidos y bases, dependiendo de a quién le preguntes. De hecho, hay tres definiciones importantes que explican lo que es un ácido:

• El sueco físico-químico Svanthe Arrhenius definió por primera vez un ácido, en 1884, como una sustancia que se disocia en iones de hidrógeno en una disolución.
• En 1923, dos científicos llamados Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry llegaron, por separado, a una teoría muy similar de los ácidos y las bases. Dijeron que un ácido es un donante de protones.
• También en 1923, Gilbert N. Lewis definió un ácido como un aceptor de pares de electrones.

En este artículo vamos a enfocarnos en la segunda definición: la de Brønsted y Lowry.

La palabra ácido procede del término latino acidus, que significa agrio. Utilizamos el papel de pH para saber si la sustancia es ácida o básica: si se tiñe de rojo, indica que es ácida; si no cambia de color y se mantiene amarillo, es neutra; y si lo tiñe de azul, es básica.

Los ácidos y las bases se disocian en una disolución, esto significa que se dividen en iones.

¿Qué es un Par ácido-base conjugado?

Un par ácido-base conjugado es formado por los ácidos y las bases que vienen emparejados con un ácido o una base conjugada.

Al disociar el ácido y la base en agua, se forman ácidos y bases conjugados respectivamente.

Ejemplo de un ácido conjugado: amoníaco - ion amonio

Cuando una base fuerte acepta un protón del agua, hay iones hidróxidos en la disolución. Si se añade una base más fuerte, el amoníaco puede soltar el protón que aceptó, actuando como un ácido. El ácido conjugado del amoníaco es el amonio, NH₄⁺:

$$NH_{3(aq)}+H_2O_{(l)}\rightleftharpoons NH_{4(aq)}^++OH^-_{(aq)}$$

Base: \(NH_3\)

Ácido conjugado: \(NH_4^+\)

Ejemplo de una base conjugada: ácido acético - ion acetato

Cuando un ácido cede un protón al agua, forma el ion hidronio y se queda cargado negativamente. Esta densidad electrónica tiene la capacidad de atraer hidrógenos, por lo que el ion del ácido puede actuar como una base y aceptar un protón de otro ácido, como el ácido acético y su correspondiente ion, el ion acetato.

$$CH_3COOH_{(aq)}+H_2O_{(l)}\rightarrow CH_3COO^-_{(aq)}+H_3O^+_{(aq)}$$

Ácido: \(CH_3COOH\)

Base conjugada: \(CH_3COO^-\)

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). Un ejemplo es el cloruro de sodio, que en realidad no es más que la sal de mesa común. Otro ejemplo de sal es el cloruro de calcio, que se utiliza para descongelar las carreteras.

Fig. 1: Cloruro de sodio.

Los iones positivos de sodio (morado) y los negativos de cloruro (verde) están distribuidos en una estructura reticular gigante.

Para neutralizar completamente una disolución ácida, se añade una cantidad suficiente de base para que reaccione con todo el ácido: no debe quedar ni ácido ni base.

Como hemos mencionado anteriormente, tomar pastillas antiácidas, cepillarse los dientes y calmar las picaduras de avispa implican reacciones de neutralización. Los comprimidos antiácidos contienen bases como el hidróxido de magnesio, que neutralizan el exceso de ácido clorhídrico producido por el estómago.

Por otro lado, la pasta de dientes es alcalina y reacciona con los ácidos producidos por las bacterias que viven en la 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 lo peligrosos que son los ácidos y, al pensar en ellos, se te vienen a la cabeza las imágenes de las señales de advertencia sobre corrosivos. Aunque es cierto que tanto los ácidos como las bases pueden ser extremadamente peligrosos, en general solo hay que preocuparse por los ácidos y las bases concentrados.

Ácidos y bases fuertes y débiles

Observa las siguientes ecuaciones:

$$HCl\rightarrow H^++Cl^-$$

$$CH_3COOH+H_2O\rightleftharpoons H_3O^++CH_3COO^-$$

Tanto el ácido clorhídrico, HCl , como el ácido etanoico, CH₃COOH, son ácidos (tal y como sugieren sus nombres). Ambos se disocian para donar protones en una 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 se encuentran el ácido clorhídrico —presente en los jugos gástricos— y el ácido sulfúrico. Unos ácidos débiles son el ácido etanoico —presente en el vinagre de malta— y el ácido cítrico —presente en los cítricos, como los limones—. Un base fuerte es el hidróxido de sodio, mientras que una débil es el amoníaco.

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 empezar con eso, tenemos que definir lo que 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 disoluciones con una alta concentración de iones de hidrógeno tienen un pH bajo, y viceversa.

Sabemos que los ácidos liberan protones (iones de hidrógeno) en la disolución. 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 que aprender muchas ecuaciones y es fácil confundirse entre moles y concentraciones. Por eso, la siguiente tabla te da algunos de los valores que necesitas entender para calcular el pH, así como las ecuaciones que los relacionan.

Tabla 1. Valores importantes dentro del tema de los ácidos y las bases.

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

Fig. 3: Diagrama de flujo utilizado para calcular el pH de ácidos y bases.

¿Cómo se mide el pH?

Si estás llevando a cabo una reacción ácido-base, como una neutralización (que veremos a continuación), es posible que quieras saber el pH de una disolución a intervalos regulares. Calcular el pH cada vez puede resultar un poco laborioso. Afortunadamente, tenemos algunas maneras diferentes de encontrar el pH de manera instantánea:

• Los indicadores son sustancias que muestran una variación observable cuando se modifican 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 y permite determinar si una sustancia es ácida o alcalina.
• Los medidores de pH o pHmetros son instrumentos digitales que miden con precisión el pH de una solución. Lo hacen determinando la actividad eléctrica, específicamente el nivel de voltaje entre dos electrodos.

Fig. 4: Indicador universal de pH.

Recuerda que un pH bajo es ácido y un pH alto es alcalino.

¿Qué son las disoluciones tampón?

Hay muchos sistemas que sencillamente no funcionarían si su pH fluctuara fuera de un rango estrecho, como el sistema circulatorio.

¿Qué son las valoraciones?

Supón que tienes una disolución de ácido clorhídrico, pero no estás seguro de su concentración. Una forma habitual de averiguarlo de un ácido o una base desconocidos es mediante una reacción de valoración. Para ello, se neutraliza un volumen fijo de un ácido o una base de concentración conocida —disolución patrón— con el ácido o la base de concentración desconocida —analito—, y se mide el volumen de sustancia desconocida que se necesita.

Para llevar a cabo una valoración con precisión, es necesario conocer su punto de equivalencia.

Para determinar cuándo se ha alcanzado el punto de equivalencia, se utiliza un indicador (como hemos mencionado anteriormente). Los indicadores son útiles porque cambian de color en función de un valor de pH específico. Esto se conoce como el punto final.

Si el punto final de una valoración es el mismo que su punto de equivalencia, puedes usar el cambio de color del indicador para saber cuándo has añadido la base suficiente 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. Para más información, consulta la sección Curvas de pH y valoraciones.

Curvas de pH e indicadores adecuados

Si se traza 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. Esta tiene tres secciones distintas:

• Un tramo inicial de poca pendiente, en el que el pH apenas varía.
• 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 esta sección intermedia donde la pendiente es más pronunciada. Si el punto final de un indicador también se encuentra en esta sección, puedes usar el indicador en tu valoración.

Cómo realizamos las valoraciones

Una actividad práctica divertida podría ser la realización de una valoración sencilla o una reacción de neutralización general. De hecho, probablemente harás muchas valoraciones a lo largo de tus estudios. Si realizas una valoración, asegúrate de utilizar un indicador adecuado; pero, también puedes utilizar un medidor de pH. Veamos el proceso, empleando ácido clorhídrico e hidróxido de sodio:

• Mide 30ml de HCl de empleando un matraz aforado. Vierte la solución en un matraz cónico.
• Añade 2-3 gotas de tu indicador y agita el matraz.
• Enjuaga una bureta, primero con agua destilada y luego con NaOH. Prepara la bureta con un soporte y una pinza, para que quede suspendida sobre el matraz cónico.
• Llena la bureta con tu agente valorante. Anota el valor de esta disolución que aparece en la bureta: este es tu valor inicial.
• Añade 1 mL del valorante al matraz cónico a intervalos, agitando después de cada adición, hasta que la solución del matraz cónico cambie de color. Anota el valor que aparece en la bureta: este es el valor final.
• Para calcular el volumen de ácido que hemos utilizado, resta el valor final del valor inicial.
• Repite el experimento de nuevo hasta que tengas tres valores de volumen con una diferencia de 0,1 mL. 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 pHmetro, úsalo para medir el pH de la disolución en el matraz cónico cada vez que añadas más valorante. A medida que te acercas al punto de cambio de color, añade el valorante en cantidades más pequeñas, como se ha explicado anteriormente.