A lo largo de la historia, muchos científicos han estudiado el comportamiento de los compuestos. Sin embargo, un químico se interesó especialmente por cómo se comportaban algunos compuestos en el agua. Se llamaba Svante Arrhenius, y fue él quien ideó la teoría que recibe su nombre. ¡Es el momento de sumergirnos en la Teoría de Arrhenius!
Nuestro viaje por la teoría de Arrhenius comienza con Svante Arrhenius, el químico que dio nombre a la teoría. El científico sueco nació el 19 de febrero de 1859 y murió el 2 de octubre de 1927, a la edad de 68 años. Arrhenius fue un químico consumado durante su vida; no es de extrañar que ganara el Premio Nobel de Química en 1903.
Fig. 1: Svante Arrhenius
Seguro que te estás preguntando qué hizo exactamente Arrhenius para ganarse un lugar entre los más grandes científicos de la historia. Pues bien, fue el primer químico que clasificó los ácidos y las bases. ¡Sigue leyendo y descubrirás más!
- Este artículo trata sobre los ácidos y las bases de Arrhenius.
- En primer lugar, estudiaremos la teoría ácido-base de Arrhenius.
- A continuación, aprenderemos qué son los ácidos de Arrhenius y el cálculo del pH.
- Después, exploraremos las bases de Arrhenius y el cálculo de pOH.
- Para terminar, veremos qué es la ley de Arrhenius y analizaremos en profundidad sus componentes.
Teoría ácido-base de Arrhenius
La teoría ácido-base de Arrhenius sirve para hacer una clasificación de las sustancias, según el tipo de elementos en los que se disocien cuando se encuentran en una disolución acuosa. De acuerdo con esto, se dividen entre:
- Ácidos de Arrhenius.
- Bases de Arrhenius.
¿Sabías que Svante Arrhenius no es el único químico que ha definido los ácidos y las bases? Los ácidos y las bases tienen diferentes definiciones, como la de Brønsted-Lowry y la de Lewis.
Por ejemplo, la definición de ácidos y bases de Brønsted-Lowry afirma que los ácidos son donantes de protones (H+), mientras que las bases son aceptores de protones (H+).
De hecho, todo ácido o base de Arrhenius se considera un ácido o base de Brønsted-Lowry.
Otra definición de ácidos y bases es la de Lewis. Un ácido de Lewis se considera un aceptor de electrones, mientras que una base de Lewis se considera un donante de electrones.
Ácidos de Arrhenius
Los ácidos de Arrhenius son sustancias neutras que, cuando se encuentran en una disolución acuosa, se disocian y dan lugar a protones (H+).
Vamos a ver un ejemplo:
Cuando el ácido bromhídrico (HBr) se disuelve en agua, se disocia en iones hidrógeno e ion bromuro:
$$HBr_{(aq)}\rightarrow H^{+}_{(aq)}+Br^{-}_{(aq)}$$
Como puedes observar, se producen protones, por lo que este compuesto es un ácido de Arrhenius.
Revisemos otro caso de ejemplo:
Cuando el ácido nítrico (HNO3) se disuelve en agua, se da la siguiente reacción:
$$HNO_{3\ (aq)}\rightarrow H^{+}_{(aq)}+NO_{3\ (aq)}^{-}$$
La disociación del ácido nítrico en agua produce protones; por lo tanto, se trata de un ácido de Arrhenius.
Fig. 2: El limón, por ejemplo, es un alimento ácido, debido a la presencia de protones.
¿Cómo se calcula el pH?
El pH nos indica la acidez de una reacción.
Si el pH es mayor de 7, la disolución se considera básica.
Si es menor que 7, la disolución es ácida.
Si el pH es igual a 7, la disolución es neutra.
La fórmula para calcular el pH a partir de la concentración de protones es la siguiente:
$$pH=-log[H^{+}]$$
Sigamos practicando lo aprendido, con ejercicios de ejmplo:
Calcula el pH de una disolución de HNO3 con concentración 3,8·10-4M.ç
La reacción de disociación es la siguiente:
$$HNO_{3\ (aq)}\rightarrow H^{+}_{(aq)}+NO_{3\ (aq)}^-$$
Como el ácido nítrico se disocia completamente, la concentración de protones será 3,8·10-4M.
Por lo tanto, el pH será:
$$pH=-log(3.8\cdot 10^{-4})$$
$$pH=3.42$$
El pH de la disolución es 3,42.
Bases de Arrhenius
Una base de Arrhenius es una sustancia neutra que, en disolución acuosa, se disocia y da lugar a iones hidroxilo (OH-).
Estudiemos un ejemplo:
Veamos la disociación del hidróxido de sodio (NaOH) en agua:
$$NaOH_{(aq)}\rightarrow Na^{+}_{(aq)}+OH^{-}_{(aq)}$$
Puedes observar que se producen iones hidroxilo cuando se disocia esta base, por lo que sabemos que es una base de Arrhenius.
Analicemos otro ejemplo:
El hidróxido de potasio (KOH) se disuelve en agua con esta reacción:
$$KOH_{(aq)}\rightarrow K^{+}_{(aq)}+OH^{-}_{(aq)}$$
Se producen iones hidroxilo en la disociación de este compuesto, por lo que sabemos que es una base de Arrhenius.
Fig. 3: Bote de soda cáustica.
Es una base de Arrhenius que se utiliza, comúnmente, para limpiar.
¿Cómo se calcula el pOH?
El pOH mide la basicidad de una reacción.
La fórmula para calcular el pOH a partir de la concentración de protones es la siguiente:
$$pOH=-log[OH^{-}]$$
Resolvamos un ejemplo:
Tenemos una disolución acuosa de KOH de concentración 7,83·10-12M.
La reacción de disociación es la siguiente:
$$KOH_{(aq)}\rightarrow K^{+}_{(aq)}+OH^{-}_{(aq)}$$
Como el hidróxido de potasio se disocia completamente, la concentración de iones hidroxilo será 7,83·10-12M .
Por lo tanto, el pOH será:
$$pOH=-log(7.83\cdot 10^{-12})$$
$$pOH=11.11$$
El pOH de la disolución es 11,11.
¿Sabías que a partir del pH puedes calcular el pOH y viceversa? Esto es gracias a la siguiente relación:
$$pH+pOH=14$$
Ley de Arrhenius: Ecuación de Arrhenius
La ecuación de Arrhenius es una fórmula matemática que relaciona la constante de velocidad de una reacción (k) con la energía de activación y la temperatura de dicha reacción.
Es importante tener muy clara esta definición, porque nos permite ver cómo afecta un cambio de temperatura a la velocidad de reacción.
La ecuación es así:
$$k=Ae^{\frac{-Ea}{RT}}$$
Veamos qué significa cada elemento de la ecuación:
- k es la constante de velocidad.
- A es la constante de Arrhenius, también conocida como factor preexponencial.
- e es el número de Euler.
- Ea es la energía de activación de la reacción.
- R es la constante de los gases.
- T es la temperatura.
Como puedes ver, hay muchas partes móviles en esta ecuación, y quizá algunos símbolos con los que no estés familiarizado. No te preocupes si aún no entiendes del todo lo que ocurre con la ecuación: revisaremos cada parte, para que sepas cómo utilizarla.
La constante de velocidad, k
Si has leído el artículo Ecuaciones de velocidad, sabrás que la velocidad de reacción depende de la concentración de determinados productos. Escribimos esto como velocidad = k [A]m·[B]n, donde k es una constante de velocidad que varía en función de la reacción.
Esa misma constante de velocidad k aparece en la ecuación de Arrhenius. Cambia para reacciones diferentes a temperaturas diferentes. Sus unidades también varían en función de la reacción.
La constante de Arrhenius, A
La letra A de la ecuación de Arrhenius representa la constante de Arrhenius. Está relacionada con el número de colisiones que se producen entre las moléculas que reaccionan. También se conoce como factor preexponencial y sus unidades varían en función de la constante de velocidad. Tanto la constante de Arrhenius como la constante de velocidad toman siempre las mismas unidades.
El número de Euler, e
La siguiente parte que veremos de la ecuación es la letra e, que es el número de Euler. Debe su nombre al matemático que descubrió sus propiedades significativas. Equivale aproximadamente a 2,71828 (pero no hace falta que lo sepas de memoria, porque hay un botón para e en tu calculadora que almacena el valor).
e es un número irracional. Esto significa que no se puede expresar como un entero dividido por otro, lo que daría un buen número redondo. En lugar de eso, tiene un número infinito de decimales: si intentáramos escribirlo, ¡se haría eterno!
e tiene algunas propiedades especiales. Quizá la más significativa sea que la pendiente de cualquier punto de la gráfica y=ex también es igual a ex. Esta característica nos permite utilizar e en contextos de crecimiento y decrecimiento constantes.
- Por ejemplo, se usa en economía para modelizar el crecimiento de la renta o en física para modelizar la desintegración nuclear.
Hay muchas más cosas interesantes sobre e, pero no vamos a cubrirlas todas aquí. Por eso, si estás interesado en seguir profundizando, puedes consultar nuestros artículos Logaritmo natural y Crecimiento y decrecimiento.
Energía de activación, Ea
Ea es la energía de activación de la reacción que se está estudiando. Al igual que k, la energía de activación depende de la reacción. Sin embargo, a diferencia de k, tiene unidades fijas: J·mol-1.
Probablemente, estés acostumbrado a expresar la energía de activación en kJ mol-1, no en J mol-1. Tenlo en cuenta en los exámenes y realiza la conversión si es necesario:
- Para convertir de kJ mol-1 a J mol-1, multiplica por 1000.
- Para convertir de J mol-1 a kJ mol-1, hay que dividir por 1000.
Constante de gas, R
La letra R de la ecuación de Arrhenius representa la constante de los gases. Es posible que la hayas visto antes en la Ley de los gases ideales. Es una constante que relaciona la presión, el volumen y la temperatura con el número de moles de un gas. Tiene un valor de 8,31 y toma las unidades J·K-1·mol-1.
Temperatura, T
El último componente individual de la ecuación es la temperatura, T. Esta se mide en Kelvin, K.
Observarás que la constante de los gases, R, se mide por unidad Kelvin, indicada como K-1. Esto significa que también debemos medir la temperatura en kelvins, K, en lugar de grados Celsius, °C. Esto significa que también debemos medir la temperatura en Kelvin, K, en lugar de grados Celsius, °C.
¡Ya eres todo un experto en los ácidos y las bases de Arrhenius!
Ácidos y bases de Arrhenius - Puntos clave
- Según la teoría de Arrhenius, los ácidos de Arrhenius se disocian en el agua para formar iones de hidrógeno (H+); es decir, protones.
- En otras palabras: un ácido de Arrhenius aumenta la concentración de iones H+ cuando se disuelve en agua (H2O).
- Los ácidos de Arrhenius son sustancias neutras que, cuando se encuentran en una disolución acuosa, se disocian y dan lugar a protones (H+).
- Una base de Arrhenius es una sustancia neutra que, en disolución acuosa, se disocia dando lugar a iones hidroxilo (OH-).
- La ecuación de Arrhenius es una fórmula matemática que relaciona la constante de velocidad de una reacción, k, con la energía de activación y la temperatura de dicha reacción.
References
- Fig. 2: Lemon (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lemon.jpg) by André Karwath (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Aka) Is licensed by CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)
- Fig. 3: Sodium hydroxide solution (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sodium_hydroxide_solution.jpg) by Matthew Sergei Perrin (https://www.flickr.com/people/22925444@N05) is licensed by CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)
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