En 1903, un científico llamado Svante Arrhenius se convirtió en el primer sueco en ganar un Premio Nobel. Lo recibió por sus trabajos sobre los electrolitos y los iones en disolución acuosa, así como por su teoría de los ácidos y las bases. En 1923, Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry se basaron en su trabajo, de forma independiente, para llegar a una nueva definición de ácido y base. Esta fue denominada teoría de Brønsted-Lowry, en su honor.
Figura 1: Sustancias químicas que pueden utilizarse para llevar a cabo experimentos químicos.
- En este artículo veremos la teoría de los ácidos y bases de Brønsted-Lowry.
- Después, aprenderemos la definición de ácidos y de bases conjugadas.
- Luego, analizaremos las sustancias anfóteras.
- Por último, estudiaremos las reacciones entre los ácidos y las bases.
¿Qué es la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry?
Según Arrhenius:
Un ácido es una sustancia que produce iones de hidrógeno en disolución.
Figura 2: El vinagre, por ejemplo, es una sustancia ácida que mucha gente utiliza a diario.
Mientras que:
Una base es una sustancia que produce iones de hidróxido en disolución.
Figura 3: El hidróxido de sodio (NaOH), conocido popularmente como sosa cáustica, es una base, y es una sustancia que se utiliza a menudo para la limpieza.
Pero, tanto Brønsted como Lowry pensaron que esta definición era demasiado estrecha. Para comprender por qué, tomemos en cuenta la reacción entre el amoníaco acuoso y el ácido clorhídrico que se muestra a continuación:
$$NH_{3(aq)}+HCl_{(aq)}\rightarrow NH_{4}Cl_{(aq)}$$
Estarás de acuerdo en que se trata de una reacción ácido-base: el ácido clorhídrico se disocia en la disolución para formar iones de hidrógeno e iones de cloruro, y el amoníaco reacciona con el agua para formar iones de amonio y iones de hidróxido. Por tanto, según la definición de Arrhenius, son ácidos y bases respectivamente:
$$HCl\rightarrow H^{+}+Cl^{-}$$
$$NH_{3}+H_{2}O\rightleftharpoons NH_{4}^{+}+OH^{-}$$
Sin embargo, si combináramos los dos reactivos en forma gaseosa, la misma reacción que produce el mismo producto no contaría como una reacción ácido-base. Esto se debe a que no está en disolución. Por eso, a diferencia de esa propuesta, Brønsted y Lowry se centraron en cómo los ácidos y las bases reaccionan con otras moléculas.
Así, según la teoría de Brønsted-Lowry:
Un ácido es un dador de protones, mientras que una base es un aceptor de protones.
Esto significa que un ácido es cualquier especie que reacciona al dar un protón, mientras que una base es una especie que reacciona al recibir un protón. Como puedes notar, esto sigue encajando con la teoría de Arrhenius porque, por ejemplo: en solución, un ácido reacciona con el agua cediéndole un protón.
Entonces, dado el producto iónico de agua, sabemos que los OH- y H+ reaccionan para formar agua. Por lo tanto, todos los hidróxidos (NaOH, KOH..etc) son bases, ya que el OH- acepta el H+ (formando agua). Igualmente, si el átomo tiene un par de electrones desapareados como el NH3, también es capaz de aceptar el H+.
Un protón es, simplemente, el núcleo del hidrógeno-1, H+.
A continuación, daremos algunos ejemplos de ácidos y bases comunes:
| Ácido | | Base | |
| Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo |
| Ácido clorhídirco | HCl | Amoníaco | NH3 |
| Ácido sulfúrico | H2SO4 | Hidróxido de sodio (sosa) | NaOH |
| Ácido nítrico | HNO3 | Bicarbonato de sodio | NaHCO3 |
Tabla 1: Algunos ácidos y bases comunes.
En realidad, cuando los ácidos se disocian en el agua, forman un ion hidronio (H3O+) y un ion negativo. Sin embargo, es mucho más fácil representar el ion hidronio como un ion hidrógeno acuoso (H+). Encontrarás, de nuevo, esta ecuación más adelante en el artículo.
¿Cómo reaccionan los ácidos y las bases?
La teoría de Brønsted-Lowry ofrece una ecuación general para las reacciones entre ácidos y bases:
$$Acido + base \rightleftharpoons acido\ conjugado + base\ conjugada$$
Un ácido de Brønsted-Lowry siempre reacciona con una base de Brønsted-Lowry para formar un ácido conjugado y una base conjugada. Esto significa que los ácidos y las bases deben ir por parejas: una sustancia dona un protón y la otra lo acepta. Nunca encontrarás un ion hidrógeno, que como recordarás es un protón, de forma aislada. Esto significa que nunca podrás encontrar un ácido solo: siempre estará reaccionando con algún tipo de base.
¿Qué es un ácido conjugado?
Un ácido conjugado es una base que ha aceptado un protón de un ácido. Por lo tanto, una base, al reaccionar, se convierte en un ácido
¿Qué es una base conjugada?
Una base conjugada es un ácido que ha donado un protón a una base.
Ácidos conjugados y bases conjugadas
Como puedes ver en la ecuación anterior, cuando un par ácido-base reacciona produce sustancias conocidas como ácidos conjugados y bases conjugadas. Según la teoría de Brønsted-Lowry:
Un ácido conjugado es una base que ha aceptado un protón de un ácido. Por lo tanto, una base, al reaccionar, se convierte en un ácido. Una base conjugada es un ácido que ha donado un protón a una base.
Por eso, ten en cuenta que siempre se verán juntos: el ácido con su correspondiente base conjugada y la base con su correspondiente ácido conjugado.
Veamos esto con más detalle: tomemos la ecuación general para la reacción de un ácido con agua.
Primero, representamos el ácido utilizando HX:
$$HX + H_{2}O \rightleftharpoons X^{-} + H_{3}O^{+}$$
En la reacción directa, el ácido dona un protón a la molécula de agua que, por tanto, actúa como base. Así se forma un ion negativo y un ion positivo, como se muestra a continuación:
$$HX + H_{2}O \rightleftharpoons X^{-} + H_{3}O^{+}$$
Pero, te darás cuenta de que la reacción es reversible. Entonces, ¿Qué ocurre en la reacción inversa?
$$ X^{-} + H_{3}O^{+} \rightleftharpoons HX + H_{2}O$$
Esta vez, el ion positivo H3O+ dona un protón al ion negativo X-. El ion H3O+ actúa como un ácido y el ion X- actúa como una base. Por definición, el ion H3O+ es un ácido conjugado (se formó cuando una base ganó un protón). Del mismo modo, el ion X- es una base conjugada (se formó cuando un ácido perdió un protón).
En resumen: nuestra especie que, inicialmente se comportaba como un ácido, se convirtió en una base. De la misma manera, nuestra especie básica se convirtió en un ácido. Estas combinaciones ácido-base se denominan pares conjugados. Cada ácido tiene una base conjugada, y cada base tiene un ácido conjugado.
A manera de síntesis:
$$HX+H_{2}O\rightarrow X^{-}+H_{3}O^{+}$$
También puedes ver esta reacción en el sentido opuesto: desde atrás hacia adelante. De esta manera, H3O+ es nuestro ácido original que dona un protón para formar H2O, nuestra base conjugada, y X- es una base que gana un protón para formar un ácido conjugado.
$$H_{3}O^{+}+X^{-}\rightarrow H_{2}O+HX$$
Observa el siguiente ejemplo: la reacción entre el hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico.
Aquí, el ácido clorhídrico actúa como un ácido: donando un protón que es aceptado por el hidróxido de sodio. Esto significa que el hidróxido de sodio es una base.
Así, se forma cloruro de sodio (una sal) y agua, ya que es una reacción de neutralización:
$$HCl_{(aq)}+NaOH_{(aq)}\rightarrow NaCl_{(aq)}+H_{2}O_{(l)}$$
Sin embargo, si esta reacción se invierte, el agua dona un protón para que lo acepte el cloruro de sodio. Esto hace que el agua sea un ácido y el cloruro de sodio una base. Por tanto, hemos formado dos pares conjugados:
$$NaCl_{(aq)}+H_{2}O\rightarrow HCl_{(aq)}+NaOH_{(aq)}$$
En general, cuanto más fuerte es un ácido, más débil es su base conjugada, y viceversa.
¿Qué significa anfótero?
Las sustancias que pueden actuar tanto como una base como un ácido, se llaman sustancias anfóteras.
Veamos cómo funciona esto, paso a paso:
Ácido acético: base conjugada
Observa las dos reacciones siguientes:
$$NH_{3(aq)}+H_{2}O_{(l)}\rightleftharpoons NH_{4(aq)}^{+}+OH^{-}_{(aq)}$$
$$CH_{3}COOH_{(aq)}+H_{2}O_{(aq)}\rightleftharpoons CH_{3}COO^{-}_{(aq)}+H_{3}O^{+}_{(aq)}$$
Aquí puedes apreciar el ácido acético y su base conjugada: el ion acetato, que puede volver a aceptar el protón del ion hidronio. El ácido acético es un ácido débil, por lo que su base conjugada es más fuerte.
Te darás cuenta de que en ambas reacciones interviene el agua. Sin embargo, el agua desempeña dos papeles muy diferentes en las dos reacciones:
- En la primera reacción, el agua actúa como ácido: donando un protón al amoníaco.
- En la segunda reacción, el agua actúa como base: aceptando un protón del ácido etanoico.
Reacciones entre ácidos y bases
Ahora que sabemos qué son los ácidos y las bases de Brønsted-Lowry, podemos pasar a ver algunas reacciones entre ácidos y bases comunes.
Cualquier reacción entre un ácido y una base se conoce como reacción de neutralización.
Todas ellas producen una sal. La mayoría, también, produce agua.
Una sal es un compuesto iónico formado por iones positivos y negativos unidos en una red gigante.
Las reacciones de neutralización incluyen:
- Ácido + hidróxido.
- Ácido + carbonato.
- Ácido + amoníaco.
Ácido + hidróxido
Los hidróxidos son un tipo especial de base conocida como alcalino.
Los compuestos alcalinos son bases que se disuelven en agua.
Todos los compuestos alcalinos son bases, pero no todas las bases son compuestos alcalinos.
Al reaccionar un ácido con un hidróxido, se obtiene una sal y agua. Por ejemplo, el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio reaccionan para dar cloruro de sodio y agua. Ya hemos visto esta reacción en este artículo:
$$HCl+NaOH\rightarrow NaCl+H_{2}O$$
Ácido + carbonato
Los ácidos reaccionan con los carbonatos para dar lugar a una sal, agua y dióxido de carbono.
Por ejemplo, si se hace reaccionar el ácido sulfúrico con el carbonato de magnesio se produce la sal denominada sulfato de magnesio:
$$MgCO_{3}+H_{2}SO_{4}\rightarrow MgSO_{4}+CO_{2}+H_{2}O$$
Ácido + amoníaco
Al hacer reaccionar un ácido con amoníaco se obtiene una sal de amonio.
Por ejemplo, podemos hacer reaccionar el ácido etanoico con amoníaco para producir etanoato de amonio:
$$CH_{3}COOH+NH_{3}\rightarrow CH_{3}COO^{-}NH_{4}^{+}$$
Quizá te hayas dado cuenta de que no parece una reacción de neutralización típica: ¿Dónde está el agua? Sin embargo, si analizamos más a fondo la reacción, veremos que en realidad se produce agua.
En solución, las moléculas de amoníaco reaccionan con el agua para formar hidróxido de amonio, NH4OH.
Si, a continuación añadimos ácido a la disolución, los iones de hidróxido de amonio reaccionan con el ácido para producir una sal de amonio y, ¡lo has adivinado!, agua.
Ahora, vamos a analizar la siguiente ecuación para la reacción entre el amoníaco y el ácido clorhídrico.
Tiene dos pasos:
$$NH_{3}+H_{2}O\rightarrow NH_{4}OH$$
$$NH_{4}OH+HCl\rightarrow NH_{4}Cl+H_{2}O$$
Como puedes ver claramente, el segundo paso produce agua. Si combinamos las dos ecuaciones, las moléculas de agua se anulan y obtenemos lo siguiente:
$$NH_{3}+HCl\rightarrow NH_{4}Cl$$
Lo mismo ocurre con el ácido etanoico en lugar del ácido clorhídrico.
Estas reacciones de neutralización se producen porque, en disolución, los ácidos y las bases se ionizan.
La ionización es el proceso de perder o ganar electrones para formar una especie cargada.
Sin embargo, la ionización también puede implicar el desplazamiento de otros átomos, que es lo que ocurre aquí.
Tomemos el ejemplo del hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico. El ácido clorhídrico se ioniza en solución para formar iones de hidronio y iones de cloruro:
$$HCl+H_{2}O\rightarrow Cl^{-}+H_{3}O^{+}$$
El hidróxido de sodio se ioniza para formar iones de hidróxido y iones de sodio:
$$NaOH\rightarrow Na^{+}+OH^{-}$$
Los iones reaccionan entonces entre sí para formar nuestra sal y el agua:
$$Cl^{-}+H_{3}O^{+}+Na^{+}+OH^{-}\rightarrow NaCl+2H_{2}O$$
Si combinamos las tres ecuaciones, una de las moléculas de agua se anula:
$$HCl+NaOH\rightarrow NaCl+H_{2}O$$
Ácidos y bases de Brønsted-Lowry - Puntos claves
- Un ácido de Brønsted-Lowry es un dador de protones, mientras que una base de Brønsted-Lowry es un aceptor de protones.
- Los ácidos más comunes son HCl, H2SO4 y HNO3.
- Las bases más comunes son NaOH y NH3.
- Un ácido conjugado es una base que ha aceptado un protón de un ácido, mientras que una base conjugada es un ácido que ha perdido un protón.
- Los ácidos y las bases reaccionan para formar bases y ácidos conjugados, respectivamente. Estos son los llamados pares conjugados.
- Una sustancia anfótera es una especie que puede actuar como un ácido y como una base.
- Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Produce una sal y, a menudo, agua.
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