Ácidos y bases conjugados

¿Te has preguntado alguna vez por qué una pastilla antiácida es tan eficaz? ¿Y la pasta de dientes? ¿O de qué está hecha la crema que se utiliza para aliviar el dolor causado por las picaduras de avispa? Todos estos son ejemplos cotidianos de reacciones de neutralización entre ácidos y bases. ¿Te interesa? ¡Sigue leyendo para aprender más sobre los ácidos y bases conjugados!

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Índice de temas
    • Este artículo trata sobre los ácidos y bases conjugadas.
    • En primer lugar, estudiaremos qué es un ácido y qué es una base según Brønsted Lowry.
    • A continuación, veremos qué es un par ácido-base conjugado, además de algunos ejemplos.
    • Después, analizaremos las reacciones de neutralización.
    • Posteriormente, exploraremos qué es la escala de pH.
    • Aprenderemos también a calcular y medir el pH.
    • Para terminar, veremos qué son las valoraciones, las curvas de pH, los indicadores y terminarás sabiendo cómo se realizan las valoraciones.

    ¿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.

    Un ion hidrógeno, en realidad, es un protón. Los átomos de hidrógeno contienen un protón y un electrón. Si se elimina el electrón, mediante una reacción de ionización, solo queda un protón.

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

    Un ácido es un donante de protones. Los ácidos monopróticos donan un único protón por molécula de ácido en una disolución, mientras que los ácidos dipróticos donan dos.

    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.

    Una base es un aceptor de protones.

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

    Por ejemplo, los ácidos siempre se dividen en protones y un ion negativo, mientras que las bases se disocian en iones de hidróxido y un ion positivo.

    $$HA_{(aq)}+H_2O_{(l)}\rightarrow H_3O^+_{(aq)}+A^-_{(aq)}$$

    $$B_{(aq)}+H_2O_{(l)}\rightarrow BH^+_{(aq)}+OH^{-}_{(aq)}$$

    Un consejo: No todas las bases contienen el grupo hidróxido (OH-). Explorarás otras bases, como el amoníaco, NH3, en otros artículos.

    ¿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.

    Un ácido conjugado es una base que ha ganado un protón, mientras que una base conjugada es un ácido que ha perdido un protón.

    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.

    Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base.

    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.

    Ácidos y Bases, cloruro de sodio sal reticular, StudySmarter

    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.

    En una disolución neutra, las concentraciones de iones de hidrógeno e hidróxido son iguales.

    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.

    Una sustancia alcalina es una base soluble en agua

    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.

    La concentración se refiere al número de moléculas de ácido o base en la disolución. Un ácido o una base concentrados contienen muchas moléculas disueltas en la disolución, mientras que un ácido o una base diluidos contienen menos.

    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.

    Los ácidos y las bases fuertes son ácidos y bases que se disocian completamente en una disolución acuosa. Por el contrario, los ácidos y las bases débiles solo se disocian parcialmente en una disolución acuosa.

    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?

    pH = - log[H+] es una medida de la concentración de iones de hidrógeno en una disolución.

    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.

    Ácidos y bases conjugadas la escala del pH StudySmarter

    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.

    ValorEcuaciónExplicación
    pH\(pH=-log([H^+])\)La medida de la concentración de los iones de hidrógeno en una disolución.
    pOH\(pOH=-log([OH^-])\)La medida de la concentración de los iones de hidróxido en una disolución.
    Ka\(K_a=\frac {[H^+][A^-]}{[HA]}\)Una constante de disociación para ácidos débiles.
    Kb\(K_b=\frac {[BH^+][OH^-]}{[B]}\)Una constante de disociación para bases débiles.
    Kw\(K_w=[H^+][OH^-]\)Una constante modificada del agua. A temperatura ambiente Kw = 1,0 x 10-14.
    Kw en función de Ka y Kb\(K_w=K_a\times K_b\)
    pKa\(pK_a=-log(K_a)\)pKb y pKw se calculan de la misma forma, con Kb y Kw respectivamente.
    pKw\(pK_w=pK_a+pK_b\)A temperatura ambiente pKw = 14.
    pKw en función de pH y pOH\(pK_w=pH+pOH\)

    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:

    Ácidos y bases conjugadas diagrama de flujo pH ácidos y bases StudySmarter

    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.

    Ácidos y Bases Indicador universal StudySmarter

    Fig. 4: Indicador universal de pH.

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

    ¿Qué son las disoluciones tampón?

    Una disolución tampón es una solución que mantiene un pH constante cuando se le añaden pequeñas cantidades de ácido o base.

    En el artículo Tampón químico aprenderás cómo funcionan estas disoluciones extraordinariamente útiles.

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

    El pH de la sangre se mantiene gracias a tres sistemas, sobre todo al llamado sistema tampón del bicarbonato. Se necesita un pH constante de alrededor de 7,4 para mantener las condiciones óptimas para la actividad enzimática. Cuando las células respiran, liberan CO2 al torrente sanguíneo. Esto reacciona con el agua para convertirse en el ion bicarbonato, HCO3- , que existe en equilibrio con el ácido carbónico, H2CO3. Los ácidos producidos por la actividad celular, por ejemplo el ácido láctico, son neutralizados por los iones de bicarbonato; mientras que las bases son neutralizadas por el ácido carbónico. En general, esto mantiene un pH estable.

    ¿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.

    El punto de equivalencia es el punto en el que se ha añadido la base suficiente para neutralizar un ácido en disolución, o viceversa.

    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.

    El punto final de una valoración es el punto en el que el indicador solo cambia de color.

    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.

    Las valoraciones tienen muchas aplicaciones útiles en la vida cotidiana. Por ejemplo, se usan para determinar el grado de contaminación de las aguas residuales y para averiguar el contenido nutricional de ciertos alimentos, como su proporción de ácidos grasos saturados e insaturados. La industria cosmética también utiliza las valoraciones para asegurarse de que el pH de sus productos se mantenga dentro de un rango seguro para la piel humana.

    Ácidos y bases conjugadas - Puntos claves

    • Hay muchas definiciones diferentes de ácidos y bases. La de Brønsted-Lowry define los ácidos como donantes de protones y las bases como aceptantes de protones.
    • Los ácidos y las bases se disocian en una disolución. Los ácidos se disocian en iones de hidrógeno y las bases se disocian en iones de hidróxido.
    • Mientras que los ácidos y las bases fuertes se disocian completamente en una disolución, los ácidos y las bases débiles solo se disocian parcialmente.
    • La concentración es una medida del número de moléculas de ácido o base en la disolución.
    • Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base para formar una sal. Una disolución neutra contiene concentraciones iguales de iones hidrógeno e hidróxido.
    • El pH es una medida de la concentración de iones de hidrógeno en la disolución. Podemos calcular el pH de varias disoluciones utilizando valores como Ka, Kb, Kw y pOH.
    • Las reacciones de valoración te ayudan a calcular la concentración de un ácido o una base. Utilizan indicadores para mostrar cuándo se ha alcanzado el punto de equivalencia de la reacción.
    • Las disoluciones tampón son disoluciones que mantienen un pH constante cuando se les añaden pequeñas cantidades de ácidos o bases.

    References

    1. Fig. 3: pH paper (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Paper_.jpg) by Ariadna.creus (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:Ariadna.creus&action=edit&redlink=1) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en).
    Preguntas frecuentes sobre Ácidos y bases conjugados

    ¿Qué es un par conjugado ácido-base, con ejemplos?

    Un par conjugado ácido base son ácidos y las bases que vienen emparejados con un ácido o una base conjugados, respectivament. El ácido conjugado del amoníaco (NH3) es el amonio (NH4+), mientras que la base conjugado del ácido acético (CH₃COOH) es el ion acetato ( [C2H3O2]).

    ¿Cómo saber cuál es la base conjugada de un ácido?

    La base conjugada de un ácido es el ion que se forma cuando ha perdido un protón.

    ¿Qué es un ácido monoprótico y diprótico?

    Si un ácido es monoprótico, solo puede ceder un protón; si un ácido es diprótico puede ceder 2; y si puede ceder más, poliprótico. 


    Aquí hay algunos ejemplos:

    HCl: monoprótico

    H2SO4: diprótico

    H3PO4: poliprótico

    ¿Qué produce una reacción de neutralización entre un ácido y una base?

    Una reacción de neutralización siempre da lugar a una sal

    ¿Cómo saber si una reacción es de neutralización?

    Para saber que una reacción sea de neutralización, a una disolución ácida se le añade una cantidad suficiente de base para que reaccione con todo el ácido: no debe quedar ni ácido ni base. Por lo tanto, cambiaría de un pH diferente a 7 a un pH de 7 aproximadamente.

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