\Ácido + Base Sal + Agua].
Por ejemplo, la reacción entre el ácido clorhídrico (\(HCl \rightarrow H^+ + Cl^-\)) y el hidróxido sódico (\(NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-\)) puede representarse como:
\HCl + NaOH flecha derecha NaCl + H_2O].
En esta reacción, el HCl es el ácido y el NaOH es la base. Reaccionan para formar cloruro sódico (NaCl) y agua (H2O).
En este artículo aprenderemos todo sobre las reacciones ácido-base, cómo son, sus tipos y cómo se producen.
- Este artículo trata sobre las reacciones ácido-base
- Aprenderemos la diferencia entre los dos tipos de reacciones ácido-base: reacciones ácido-base de Brønsted-Lowry y de Lewis
- Conoceremos un tipo especial de reacción ácido-base de Brønsted-Lowry llamada reacción de neutralización.
- Por último, aprenderemos sobre los iones complejos y cómo el concepto Lewis de ácidos y bases explica cómo se forman.
Definición de reacción ácido-base
¿Has hecho alguna vez un volcán de bicarbonato? Viertes un poco de vinagre en un volcán de papel maché lleno de bicarbonato sódico, y BAM tu volcán entra en erupción formando una papilla roja y burbujeante por toda la mesa de tu cocina.
Fig.1Un volcán de bicarbonato es una reacción ácido-base entre el bicarbonato y el vinagre. Flickr
La reacción del vinagre y el bicarbonato es un ejemplo clásico de reacción ácido-base. En este ejemplo, el vinagre es el ácido y el bicarbonato de sodio es la base.
Las reacciones ácido-base son de dos tipos: Reacciones ácido -base de Brønsted-Lowry y de Lewis. Estos dos tipos de reacciones se basan en las distintas definiciones de un ácido y una base. Para ambos tipos, un ácido o una base pueden identificarse por su pH .
El pH de una solución indica su acidez. Formalmente significa "presencia de hidrógeno", ya que la fórmula es
\[p\,H=-log[H^+]\]
Como se trata de un logaritmo negativo , cuanto menor sea el pH, mayor será la concentración de hidrógeno. La escala de pH va de 0 a 14, donde 0-6 es ácido, 7 es neutro y 8-14 es básico.
Empecemos por el primer tipo de reacción ácido-base.
Reacción ácido-base de Brønsted-Lowry
El primer tipo de reacción ácido-base es la que se produce entre un ácido y una base de Brønsted-Lowry.
Un ácido de Brønsted-Lowry es una especie que puede donar un protón (ion H+ ), mientras que una base de Brønsted-Lowry es una especie que aceptará ese protón. La forma básica de estas reacciones ácido-base es:
\[HA + B \rightarrow A^- + HB\]
En la reacción anterior, el ácido, HA, se convierte en la base conjugada, A-, lo que significa que ahora puede actuar como base. Para la base, B, se convierte en el ácido conjugado, HB, por lo que ahora actúa como ácido. Aquí tienes otros ejemplos de este tipo de reacción:
\(HCO_3^- + H_2O)(HCl + H_2O)(NH_4^+ + OH^-) (NH_3 + H_2O)
Como se ha visto en los ejemplos anteriores, el agua es anfótera. Esto significa que puede actuar como ácido y como base. Cómo actuará depende de la acidez de la especie con la que reaccione.
Entonces, ¿cómo puedes saber si el agua actuará como ácido o como base? Podemos utilizar la constante de disociación del ácido (Ka) y/o la constante de disociación de la base (Kb) para determinar la acidez/basicidad relativa de una especie y compararlas para ver cómo actuará una especie. La fórmula de estas constantes respectivamente es
\(K_a=\frac{[H_3O^+][A^-]}{[HA]}\)
\(K_b=\frac{[OH^-][BH]}{[B^-]}\)
Para el agua pura, al ser una especie neutra,Ka = Kb. Este valor (Kw) es igual a 1x10-14:
\(H_2O = H^++OH^-\)
\(K_w=\frac{[H^+][OH^-]}{[H_2O]}=1X10^{-14}\)
Comparemos el Kw del agua con elKb del bicarbonato, HCO3-. LaKb del HCO3- es 4,7 - 10-11. Puesto queKb > Kw, eso significa que el HCO3-, es más básico y, por tanto, el agua actuará como un ácido en esta reacción (como se muestra en el ejemplo anterior). Cuanto mayor es el valorKa o Kb, más fuerte es esa base o ácido.
Ácidos polipróticos
Algunos ácidos pueden clasificarse como ácidos polipróticos.
Un ácido poliprótico tiene múltiples protones que puede donar. Una vez que pierde un protón, sigue considerándose a la vez ácido y base conjugada. Esto se debe a que se vuelve menos ácido con cada protón que pierde (y, por tanto, más básico).
El ácido fosfórico, H3PO4, es un ácido poliprótico que puede ceder tres protones:
\( {align}H_3PO_4 + H_2O &\rightarrow H_2PO_4^- + H_3O^+ \H_2PO_4^- + H_2O &\rightarrow HPO_4^{2-} + H_3O^+HPO_4^{2-} + H_2O & flecha derecha PO_4^{3-} + H_3O^+ \\end {align}\)
Reacción de neutralización ácido-base
Un tipo especial de reacción ácido-base de Brønsted-Lowry es la neutralización .
En una reacción de neutralización, un ácido y una base de Brønsted-Lowry reaccionan para formar una sal neutra y agua.
| Ácidos fuertes | Bases fuertes |
| HCl (ácido clorhídrico) | LiOH (hidróxido de litio) |
| HBr (ácido bromhídrico) | NaOH (hidróxido sódico) |
| HI (ácido yodhídrico) | KOH (hidróxido potásico) |
| HNO3 (ácido nítrico) | Ca(OH)2 (hidróxido de calcio) |
| HClO4 (ácido perclórico) | Sr(OH) 2 (hidróxido de estroncio) |
| H2SO4( ácido sulfúrico) | Ba(OH) 2 (hidróxido de bario) |
\(HBr + NaOH + NaBr + H_2O)
\HClO_4 + KOH (flecha derecha KClO_4 + H_2O)
\(H_2SO_4 + Ba(OH)_2 flecha derecha BaSO_4 + H_2O\)
Como el ácido y la base están completamente neutralizados, el pH de la solución es 7.
Reacción ácido-base de Lewis
El segundo tipo de reacción ácido-base es la reacción entre un ácido de Lewis y una base de Lewis. El concepto de ácido-base de Lewis se centra en los pares de electrones solitarios en lugar de en los protones.
Una reacción ácido-base de Lewis se produce entre un ácido de Lewis y una base de Lewis. Un ácido de Lewis (también llamado electrófilo) acepta electrones de una base de Lewis (también llamada nucleófila). Un electrófilo "ama los electrones" y tiene un orbital vacío que puede alojar un par de electrones solitarios del nucleófilo. El nucleófilo "ataca" al electrófilo cargado positivamente y le proporciona ese par de electrones solitario adicional.
Unorbital molecular es una función matemática cuántico-mecánica que describe las propiedades físicas (niveles de energía discretos, naturaleza ondulatoria, amplitud de probabilidad, etc.) de un electrón dentro de una molécula.
Laamplitud de probabilidad de un electrón en una molécula describe, matemáticamente, la probabilidad de encontrar un electrón, en un estado cuántico determinado, en una región específica de una molécula dada.
Un estadocuántico es uno de un conjunto de funciones matemáticas, basadas en la física de la mecánica cuántica, que en conjunto describen todos los niveles de energía posibles, y los posibles resultados de las mediciones experimentales, para un electrón dentro de una molécula.
Aquí tienes un desglose entre nucleófilos y electrófilos:
| Nucleófilos (Base de Lewis) | Electrófilos (Ácido de Lewis) |
| Suelen tener una carga (-) o un par solitario | Suelen tener una carga (+) o un grupo que retira electrones (atrae la densidad de electrones hacia sí, provocando una carga positiva parcial) |
| Dona electrones al electrófilo | También puede tener un enlace polarizable (En un doble enlace, hay una diferencia de polaridad entre los dos elementos) |
| Al compartir electrones, forma un nuevo enlace con el electrófilo | Acepta electrones del nucleófilo |
| Ejemplos:\(OH^-\,\,CN^-\,\,O^-R\,\,RC\equiv C\)Nota: R es cualquier grupo -CH2 como -CH3 | Ejemplos:\(R-Cl,\,BF_3^+,\,Cu^{2+},SO_3,\,H_2C^{\delta +}=O^{\delta -}\)Nota: El O tira de la densidad e- del C, por lo que el enlace está parcialmente polarizado. |
Aunque las reacciones ácido-base de Lewis también implican la donación/aceptación de algo parecido a las reacciones ácido-base de Brønsted-Lowry, la diferencia clave es que se forma un enlace. Los electrones donados por el nucleófilo se comparten entre las dos especies. He aquí algunos ejemplos de esta reacción:
Fig.2-Ejemplos de reacciones ácido-base de Lewis. La base/nucleófilo de Lewis dona electrones al ácido/electófilo de Lewis.
El nuevo enlace formado se resalta en rojo para cada compuesto.
Una de las razones por las que el par de electrones de una base de Lewis ataca y se enlaza con un ácido de Lewis es porque este enlace es de menor energía. El par solitario de electrones se encuentra en el Orbital Molecular Más Altamente Ocupado(HOMO), lo que significa que está en el nivel de energía más alto de esa molécula. Estos electrones interaccionarán con el Orbital Molecular Desocupado MásBajo (LUMO) del ácido para formar este enlace.
Fig.3-El par solitario del orbital de mayor ocupación de la base interactúa con el orbital de menor ocupación del ácido para formar un enlace.
Los electrones siempre quieren estar en un estado energético lo más bajo posible, y los orbitales de enlace tienen una energía más baja que los orbitales sin enlace. Esto se debe a que un enlace es mucho más estable que un par solitario reactivo.
Iones complejos/Complejos de coordinación
El concepto Lewis de ácido y base es una teoría más amplia que su homólogo. Puede explicar algunas cosas que el concepto de Brønsted-Lowry no puede: por ejemplo, cómo se forman los complejos de coordinación.
Un complejo de coordinación es un complejo con un ion metálico en el centro y otros iones más pequeños unidos a él. Una base de Lewis suele ser el ligando (lo unido al metal), mientras que el metal actúa como ácido de Lewis. Un ion complejo es un complejo de coordinación que tiene carga.
Fig.4-La formación del complejo de coordinación es un ejemplo de reacción ácido-base de Lewis, en la que el CN actúa como base y el Zn como ácido.
El CN- actúa como nuestra base de Lewis y dona su exceso de electrones al Zn2+. Se forman enlaces entre cada uno de los CN- y Zn2+, lo que crea el ion complejo
Ejemplos de reacciones ácido-base
Ahora que hemos estudiado los distintos tipos de reacciones ácido-base, veamos algunos ejemplos y comprobemos si podemos identificarlas.
Identifica el tipo de reacción ácido-base y el subtipo si procede:
\(HI + KOH en lugar de H_2O + KI)
\(Cu^2+} + 4NH_3 flecha derecha [Cu(NH_3)_4]^2+})
\(F^- + H_2O HF + OH^-)
\(Al^{3+} + 3OH^- flecha derecha Al(OH)_3)
1. La pieza clave aquí es que se está formando agua. Vemos que el HI pierde H+ y el KOH gana H+, por lo que se trata de una reacción ácido-base de neutralización de Brønsted-Lowry.
2. Aquí, un metal está rodeado de iones NH3. Se trata de un complejo de coordinación formado por una reacción ácido-base de Lewis.
3. El F- gana H+ y el H2Opierde H+, por lo que se trata de una reacción ácido-base de Brønsted-Lowry.
4. Como se está formando un enlace, se trata de una reacción ácido-base de Lewis. El oxígeno de los iones OH- está donando un par solitario al ion aluminio (Al3+), lo que también demuestra que se trata de una reacción ácido-base de Lewis.
La forma más fácil de distinguir entre una reacción ácido-base de Lewis y una reacción ácido-base de Brønsted-Lowry es si se está formando un enlace (Lewis) o si se está intercambiando un protón (H+) (Brønsted-Lowry).
Reacciones ácido-base - Puntos clave
- Existen dos tipos de reacciones ácido-base: Reacciones ácido-base de Brønsted-Lowry y reacciones ácido-base de Lewis
- Un ácido de Brønsted-Lowry es una especie que puede donar un protón (ion H+ ), mientras que una base de Brønsted-Lowry es una especie que aceptará ese protón.
- Durante una reacción ácido-base de Brønsted-Lowry, el ácido se convierte en una base conjugada, y la base se convierte en un ácido conjugado.
- Un ácido poliprótico tiene varios protones que puede donar en una reacción.
- En una reacción de neutralización, un ácido y una base de Brønsted-Lowry reaccionan para formar una sal neutra y agua.
- Una reacción ácido-base de Lewis se produce entre un ácido de Lewis y una base de Lewis. Un ácido de Lewis (también llamado electrófilo) acepta electrones de una base de Lewis (también llamada nucleófila). Un electrófilo "ama los electrones" y tiene un orbital vacío para un par solitario del nucleófilo. El nucleófilo "ataca" al electrófilo cargado positivamente y le proporciona ese par solitario adicional.
- Un complejo de coordinación es un complejo con un ion metálico en el centro y otros iones más pequeños unidos a él. Una base de Lewis suele ser el ligando (las cosas unidas al metal), mientras que el metal actúa como un ácido de Lewis. Un ion complejo es un complejo de coordinación que tiene carga.
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