¿Qué son los ácidos y las bases?
Existen múltiples definiciones diferentes de ácidos y bases, según a quién preguntes. Por ejemplo, los ácidos.
- El físico sueco convertido en químico Svanthe Arrhenius definió por primera vez un ácido en 1884 como una sustancia que se disocia en iones de hidrógeno en disolución.
- En 1923, dos científicos llamados Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry llegaron independientemente a una teoría diferente 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 realidad, un ion hidrógeno no es más que un protón. Los átomos de hidrógeno contienen un protón y un electrón. Si se elimina el electrón en una reacción de ionización, sólo queda un protón.
En este artículo nos interesa la segunda definición, la de Brønsted y Lowry.
Un ácido es un donante de protones.
Los ácidosmonopróticos donan un solo 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. Los ácidos tiñen de rojo el papel tornasol azul húmedo. Por el contrario, las bases tiñen de azul el papel tornasol rojo y tienen una textura jabonosa.
Una base es un aceptor de protones.
Los ácidos y las bases se disocian en solución. 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 hidróxido y un ion positivo.
\HA(aq) flecha recta H^+(aq) + A^-(aq)\].
\B(aq) + H_2O(l) BH^+(aq) + OH^- (aq)\[B(aq) + H_2O(l)].
Consejo de estudio: No todas las bases contienen el grupo OH. Explorarás otras bases como el amoníaco, \(NH_3), en Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry.
Ácidos y bases conjugados
También puedes encontrar ácidos y bases conjugados .
Un ácido conjugado es una base que ha ganado un protón, mientras que una base conj ugada es un ácido que ha perdido un protón.
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 .
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). 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.
En una solución neutra, las concentraciones de iones hidrógeno e hidróxido son iguales.
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.
Un álcali es una base soluble en agua.
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.
Laconcentración se refiere al número de moléculas de ácido o base en disolución. Un ácido o una base concentrados contienen muchas moléculas disueltas, mientras que un ácido o una base diluidos contienen menos.
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.
Los ácidos y basesfuertes son ácidos y bases que se disocian completamente en disolución. Por el contrario, los ácidos y bases débiles sólo se disocian parcialmente en disolución.
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?
\(pH = -\log([H^+])\). Es una medida de la concentración de iones hidrógeno en una solución.
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?
Una solución t ampón es una solución que mantiene un pH constante cuando se le añaden pequeñas cantidades de ácido o álcali.
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.
El pH de la sangre se mantiene mediante tres sistemas, sobre todo por uno llamado sistema tampón de bicarbonato. Se necesita un pH constante de alrededor de 7,4 para mantener unas condiciones óptimas para la actividad enzimática. Cuando tus células respiran, liberan \(CO_2\) en el torrente sanguíneo. Éste reacciona con el agua para convertirse en ión bicarbonato, \(HCO_3^-\), que existe en equilibrio con el ácido carbónico, \(H_2CO_3\). Los ácidos producidos por la actividad celular, por ejemplo el ácido láctico, son neutralizados por los iones bicarbonato, mientras que las bases son neutralizadas por el ácido carbónico. En conjunto, esto mantiene un pH constante.
¿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.
El punto de equivalencia es el punto en el que se ha añadido la base suficiente para neutralizar suficientemente un ácido en disolución, o viceversa.
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.
El punto final de una valoración es el punto en el que el indicador sólo cambia de color.
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
Las valoraciones tienen muchas aplicaciones útiles en la vida cotidiana. Por ejemplo, se utilizan para determinar el grado de contaminación de las aguas residuales y para averiguar el contenido nutricional de ciertos alimentos, como la proporción de ácidos grasos saturados e insaturados presentes. La industria cosmética también utiliza las valoraciones para asegurarse de que el pH de sus productos se mantiene dentro de un intervalo seguro para la piel humana.
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+.
Los elect rolitos son básicamente sustancias químicas que, al disolverse en agua, liberan cationes y aniones.
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.
Homeostasis es la tendencia de nuestro cuerpo a volver a un estado estable tras un cambio ambiental. La capacidad de un cuerpo para mantener la homeostasis es esencial para la vida. Por ejemplo, si se producen cambios en el pH de la sangre y el cuerpo es incapaz de devolver el pH sanguíneo a su rango normal, ¡puede tener consecuencias fatales!
Si comprendes los conceptos tratados en esta explicación, ¡tendrás una base realmente sólida que te ayudará durante tus exámenes de química!
Ácidos y Bases - Puntos clave
Existen muchas definiciones diferentes de ácidos y bases. La definición de Brønsted-Lowry define los ácidos como donantes de protones y las bases como aceptores de protones.
Los ácidos y las bases se disocian en disolución. Los ácidos se disocian en iones hidrógeno y las bases en iones hidróxido.
Mientras que los ácidos y las bases fuertes se disocian totalmente en solución, los ácidos y las bases débiles sólo se disocian parcialmente.
La concentración es una medida del número de moléculas de ácido o base en disolución.
Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base para formar una sal. Una solución neutra contiene concentraciones iguales de iones hidrógeno e iones hidróxido.
El pH es una medida de la concentración de iones hidrógeno en la solución. Podemos calcular el pH de varias soluciones 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 has alcanzado el punto de equivalencia de la reacción.
Las soluciones tampón son soluciones que mantienen un pH constante cuando se les añaden pequeñas cantidades de ácidos o bases.
Referencias
- Créditos y atribución- Ariadna.creus, CC BY-SA 4.0(https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/) , vía Wikimedia Commons
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Química : la ciencia central (14ª ed.). Pearson.
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