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Acido y base. Concepto de pH. La definición de ácidos y bases ha ido modificándose con el tiempo. Al principio Arrhenius fue quien clasifico a los ácidos como aquellas sustancias que son capaces de liberar protones (H+) y a las bases como aquellas sustancias que pueden liberar iones OH–. Esta teoría tenía algunas limitaciones ya que algunas sustancias podían comportarse como bases sin tener en su molécula el ion OH–. Por ejemplo el NH3. Aparte para Arrhenius solo existía el medio acuoso y hoy es sabido que en medios distintos también existen reacciones ácido-base. Brönsted y Lowry posteriormente propusieron otra teoría en la cual los ácidos y bases actúan como pares conjugados. Ácido es aquella sustancia capaz de aportar protones y base aquella sustancia capaz de captarlos. No tiene presente en su definición al ion OH–. Simbólicamente: AH + H2O —-> A– + H3O+ El AH es el ácido, (ácido 1) de su base conjugada A– (base 1) y el agua (base 2) es la base de su ácido conjugado H3O+ (ácido 2). El pH, abreviatura de Potencial Hidrógeno, es un parámetro muy usado en química para medir el grado de acidez o alcalinidad de las sustancias. Esto tiene enorme importancia en muchos procesos tanto químicos como biológicos. Es un factor clave para que muchas reacciones se hagan o no. Por ejemplo en biología las enzimas responsables de reacciones bioquímicas tienen una actividad máxima bajo cierto rango de pH. Fuera de ese rango decae mucho su actividad catalítica. Nuestra sangre tiene un pH entre 7,35 y 7,45. Apenas fuera de ese rango están comprometidas nuestras funciones vitales. En los alimentos el pH es un marcador del buen o mal estado de este. Por lo expuesto el pH tiene enormes aplicaciones. La escala del pH va desde 0 hasta 14. Los valores menores que 7 indican el rango de acidez y los mayores que 7 el de alcalinidad o basicidad. El valor 7 se considera neutro. Matemáticamente el pH

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Acido y base. Concepto de pH.La definición de ácidos y bases ha ido modificándose con el tiempo. Al principio Arrhenius fue quien clasifico a los ácidos como aquellas sustancias que son capaces de liberar protones (H+) y a las bases como aquellas sustancias que pueden liberar iones OH–. Esta teoría tenía algunas limitaciones ya que algunas sustancias podían comportarse como bases sin tener en su molécula el ion OH–. Por ejemplo el NH3. Aparte para Arrhenius solo existía el medio acuoso y hoy es sabido que en medios distintos también existen reacciones ácido-base. Brönsted y Lowry posteriormente propusieron otra teoría en la cual los ácidos y bases actúan como pares conjugados. Ácido es aquella sustancia capaz de aportar protones y base aquella sustancia capaz de captarlos. No tiene presente en su definición al ion OH–.

Simbólicamente:

AH + H2O —-> A– + H3O+

El AH es el ácido, (ácido 1) de su base conjugada A– (base 1) y el agua (base 2) es la base de su ácido conjugado H3O+ (ácido 2).

El pH, abreviatura de Potencial Hidrógeno, es un parámetro muy usado en química para medir el grado de acidez o alcalinidad de las sustancias. Esto tiene enorme importancia en muchos procesos tanto químicos como biológicos. Es un factor clave para que muchas reacciones se hagan o no. Por ejemplo en biología las enzimas responsables de reacciones bioquímicas tienen una actividad máxima bajo cierto rango de pH. Fuera de ese rango decae mucho su actividad catalítica. Nuestra sangre tiene un pH entre 7,35 y 7,45. Apenas fuera de ese rango están comprometidas nuestras funciones vitales. En los alimentos el pH es un marcador del buen o mal estado de este. Por lo expuesto el pH tiene enormes aplicaciones.

La escala del pH va desde 0 hasta 14. Los valores menores que 7 indican el rango de acidez y los mayores que 7 el de alcalinidad o basicidad. El valor 7 se considera neutro. Matemáticamente el pH es el logaritmo negativo de la concentración molar de los iones hidrogeno o protones (H+) o iones hidronio (H3O).

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pH = -log [H+] o pH = -log [H3O]

Electrolitos fuertes y Débiles:

Son las sustancias que se descomponen en iones. Los fuertes se disocian o se separan en un 100% y los débiles en un muy pequeño porcentaje.

Al separarse en iones muchos de ellos pueden aportar iones OH– o iones H+ o H3O+ afectando al pH en cierta medida.

También hay un Potencial oxhidrilo (pOH) por haber iones OH–.

pOH = -log[OH–]

la suma entre el pOH y el pH nos da 14

pOH + pH = 14

Otra fórmula muy importante que vincula a los iones H+ y OH– es la Constante del producto iónico del agua.

Kw = [H+] . [OH–]

Kw = 1.10-14

Nos permite calcular uno de los iones cuando tenemos el otro ya que su producto siempre da 1.1014 en cualquier situación.

A veces nos piden calcular la concentración de iones OH– o H+ a partir de los valores de pOH y pH. En estos casos resultan muy convenientes estas formulas que no son ms que el despeje matemático de la fórmula de pH.

[H+] = 10 –pH

[OH–] = 10 –pOH

El pH y el pOH aparecen en ambos casos como exponentes.

Ahora que ya están expuestas todas las formulas primero veremos ejemplos con electrolitos fuertes, es decir, ácidos y bases fuertes.

Ácido Clorhídrico (HCl) 0,04M:

HCl —–> H+ + Cl–

En este caso la concentración molar de 0,04 M del ácido también será 0,04M del ion H+ y 0,04M de Cl–. De manera que el pH será:

pH = -log [0,04]

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pH = 1,4

Hidróxido de Bario 0,06M (Ba(OH)2)

Ba(OH)2 ——> Ba+2 + 2 OH–

La concentración del ion OH– es el doble que la del Ba(OH)2 porque un mol del hidróxido genera dos moles de OH–.

Calculamos a continuación el pOH:

pOH = -log[0.12]

pOH = 0.92

pH + pOH = 14

pH = 14 – pOH

pH = 14 – 0.92

pH = 13.08

Electrolitos débiles:

En el caso de los electrolitos débiles, es más complicado calcular el pH y debemos recordar el concepto de equilibrio químico.

El equilibrio químico se aplica a las reacciones que son reversibles, es decir, que pueden ir en ambas direcciones. Pero aun así llega un momento en el que la velocidad de reacción hacia la derecha es igual que hacia la izquierda. En ese punto se establecen concentraciones de las sustancias que no varían en el tiempo y se puede aplicar la constante de equilibrio químico.

A + B <——–> C + D

K = [C] x [D] / [A] x [B]

Los electrolitos fuertes se caracterizan por ir en una sola dirección. En los ejemplos vistos anteriormente las sustancias se descomponen en iones y no hay reversa. En los electrolitos débiles veremos que la disociación iónica que va hacia la derecha puede tomar el camino opuesto ygenerar nuevamente la sustancia no ionizada.

Ejemplo:

Ácido acético (CH3COOH).

CH3COOH + H2O < ——- > CH3COO– + H3O+

Ka = [CH3COO-] x [H3O+] / [CH3COOH]

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Calcula el pH de una solución 0.6M de ácido acético. Ka = 1,8.10-5

Para saber el pH tenemos que saber la concentración de [H3O+].

Al principio solo hay moléculas del ácido sin disociar. A esto se lo llama estado inicial.

CH3COOH + H2O <——-> CH3COO– + H3O+

Inicio 0.6M <———> 0 0

Al correr el tiempo se llega a un nuevo estado de equilibrio. Se formaran una cantidad x de moles de cada uno de los iones. Y esa misma cantidad de moles se consumirán del ácido.

CH3COOH + H2O < ———- > CH3COO– + H3O+

Equilibrio 0.6M – x <—-> x + x

Ahora utilizaremos nuevamente la constante de equilibrio pero usando las expresiones del equilibrio. Obtenemos asi la constante del ácido debil.

Ka = [X] . [X] / [0,6M – X]

Ka = [X]^2 / [0,6M – X]

1,8.10 ^-5 = [X]^2 / [0,6M – X]

Estamos en presencia de una ecuación cuadrática. Habrá que usar la fórmula de Baskara. Pero si hacemos una consideración no será necesario.

Como la cantidad de X será bastante pequeña en comparación con los 0.6M, podemos considerar a X = 0 sin entrar en grandes errores.

1,8.10^-5 = [X]^2 / 0,6 M

X = √ (1,8.10^-5 . 0,6M)

X = 3,286.10-3

pH = -log 3,286.10-3

pH = 2,48

Efecto del ión Común:

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A continuación veremos que sucede cuando tenemos una mezcla de un ácido débil y una sal de su acido.

Antes debemos recordar el Principio de Le Chatelier. Este principio sostiene que cuando se introduce un cambio en un sistema en equilibrio, este responde de manera tal de contrarrestar a este cambio.

Si tenemos un ácido débil (AH) y una sal de este ácido por ejemplo NaA, estos se disociaran en agua.

AH + H2O <—–> A– + H3O+

NaA ——> Na+ + A–

Como vemos ambas generan al ion A–. Sabemos que el pH de una sustancia es el índice de la concentración de iones H3O+. Mientras mayor sea esta concentración menor será el pH. Según Le Chatelier, si aumenta el ion común A–, la reacción se desplazara hacia la izquierda. Esto reducirá la concentración de H3O+ e impedirá que el pH disminuya. A estas soluciones que tienen estas propiedades se las llama Buffer o Soluciones reguladoras o Soluciones Tampón. Están formadas por un ácido débil y una de sus sales o una base débil y una de sus sales.

Hay muchos sistemas buffer, incluso en nuestro organismo, para regular el pH de la sangre, que no soporta ni pequeñas fluctuaciones de pH.

Ahora veremos cómo calcular el pH en uno de éstos casos.

Recordemos la Ka del ácido:

Ka = [A-] . [H3O+] / [AH]

Despejando [H3O] resulta:

[H3O+] = Ka . [AH] / [A-]

Aplicando logaritmo en ambos miembros resulta:

– log [H3O+] = – log ( Ka . [AH] / [A-] )

– log [H3O+] = – log Ka + log ( [A-] / [AH] )

pH = pKa + log ( [A-] / [AH] )

La [A–] proviene de la disociación del ácido débil y de la sal. Pero la cantidad que aporta el ácido es muy baja comparada con la que aporta la disociación de la sal.

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De la misma manera el ácido (AH) al ionizarse, algo de su cantidad es consumida. Pero es bastante poca comparada con la cantidad inicial de ácido.

Como casi todo el ion A– es proporcionado por la sal. La concentración de A– podemos reemplazarla por la sal en la fórmula. Tomando la siguiente expresión:

pH = pKa + log ( [Sal] / [Acido] )

Ejemplo:

Calcular el pH de una solución que contiene una concentración de un ácido débil de 0,3M y una concentración de su sal de 0,5M. El Ka = 1,8.10-5. pKa = 4,744

pH = 4,744 + log (0,5 M / 0,3 M)

pH = 4,744 + 0,222

pH = 4,97

Una observación que podemos hacer mirando la fórmula de Henderson Hasselbach es que si las concentraciones de ácido y sal son iguales el pH será igual al pKa. Ya que el logaritmo de de un cociente que da 1 es cero.

Otra situación que se nos presenta en los problemas con las sales de electrolitos débiles es la reacción del anión del ácido con el agua. O el catión de la base débil con el agua si se trata de un hidróxido débil. A estas reacciones se las llama Hidrólisis, y a su constante de equilibrio, K de hidrólisis (Kh).

Ejemplo.

Calcula la [H3O] y el pH de una solución 1.10-3 M de la sal NaX. Ka = 1.10-8.

La reacción de hidrólisis es:

X– + H2O ——-> HX + OH–

kH = Kw / Ka

Kh = ( [H3O+] . [OH-] ) // ( [H3O+] . [X-]/[HX] )

Simplificando términos queda la siguiente expresión que responde a la reacción expuesta.

Kh = [HX] . [OH-] / [X-]

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Podemos despejar de esta expresión a la [OH–].

Kh = 1.10^-14 / 1.10^-8

Kh = 1.10-6

Como la [HX] es igual a la [OH–]. El producto del numerador podemos expresarlo como X2. Y al despejar esta incógnita estamos averiguando la [OH–].

Kh = [X]^2 / [X-]

[OH-] = √ (Kh . [X-])

[OH-] = √ (1. 10^-6 . 1.10^-3)

[OH–] = 3,16.10-5

Con la Kw calculamos la [H3O+]:

[H3O+] = 1.10^-14 / 3.16.10^-5

[H3O+] = 3,16.10-10

pH = -log 3,16.10-10

pH = 9,5

también podemos calcular el pH a partir de la [OH–] que es 3,16.10-5.

De aquí calculamos el pOH.

pOH = 4,5

Por último sabiendo que la suma de pH y pOH da 14 tenemos:

pH = 14-4,5

pH = 9,5

Grado de Hidrólisis:

Es el porcentaje de hidrólisis de una sal en agua. Se calcula dividiendo a la cantidad de ácido formado por la concentración de la sal inicial.

Ejemplo:

Calcular el grado de hidrólisis de una solución de acetato de sodio (NaCH3COO) 0,1M. Ka = 1,8.10-5.

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CH3COO– + H2O ——-> CH3COOH + OH–

[OH-] = √ (Kh . [CH3COO-])

[OH–] = 7,45.10-6

αh = [OH-] . 100 / [Sal]

αh = 7,45.10^-6 . 100 / 0,1 M

αh = 0,0074

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Grupos FuncionalesSe llama grupo funcional porque es el sitio en que la mayoría de las reacciones químicas tienen lugar. Al respecto el doble enlace en los alquenos y el triple enlace en los alquino se consideran también como grupos funcionales.Los principales grupos funcionales son:

ALCOHOLES:

Los alcoholes son compuestos orgánicos formados a partir de los hidrocarburos mediante la situación de uno o más grupos hidróxilo por un número igual de átomos de hidrógeno.

El alcohol más simple, metanol (alcohol metílico), tiene la fórmula CH4O y la estructura CH3--O--H. El grupo funcional del alcohol es el grupo OH (grupo hidroxilo). Los alcoholes se nombran tomando el nombre del alcano, agregándole la terminación "ol".

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Los alcoholes se utilizan como productos químicos intermedios y disolventes en las industrias textiles, colorantes, productos químicos, detergentes, perfumes, alimentos, bebidas, cosméticos, pinturas y barnices.

Propiedades físicas:

Presentan punto de ebullición altos, ya que por la polaridad del compuesto y la cantidad de puentes. En los alcoholes el punto de ebullición, punto de fusión y la densidad aumentan con la cantidad de átomos de carbono y disminuye con el aumento de las ramificaciones.

Respecto a la solubilidad los alcoholes, metanol, etanol y propanol, son muy solubles en H2O, mientras que a partir del butanol su solubilidad disminuye; es decir, a medida que va aumentando la cadena carbonada, va disminuyendo su polaridad y por consiguiente su solubilidad. La alta solubilidad de los primeros tres alcoholes se debe a la gran facilidad para formar enlaces puntes de hidrógeno entre las moléculas del H2O y del alcohol. La densidad de los alcoholes aumenta con el número de carbonos y sus ramificaciones.

Propiedades químicas:

Los alcoholes pueden comportarse como ácidos o bases, esto gracias al efecto inductivo, que no es más que el efecto que ejerce la molécula de -OH como sustituyente sobre los carbonos adyacentes.

OBTENCIÓN DE ALCOHOLES:

Los alcoholes pueden ser obtenidos a partir de hidratación o hidroboración de alquenos, o mediante hidrólisis de halogenuros de alquilo. Para la obtención de alcoholes por hidratación de alquenos se utiliza el ácido sulfúrico y el calor.

Nomenclatura de los alcoholes.1.- Se elige como cadena principal la de mayor longitud que contenga el grupo -OH.

2.- Se numera la cadena principal para que el grupo -OH tome el localizador más bajo. El grupo hidroxilo tiene preferencia sobre cadenas carbonadas, halógenos, dobles y triples enlaces.

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3.- El nombre del alcohol se construye cambiando la terminación -o del alcano con igual número de carbono por -ol.

4.- Cuando en la molécula hay grupos funcionales de mayor prioridad, el alcohol pasa a ser un mero sustituyente y se llama hidroxi-. Son prioritarios frente a los alcoholes: ácidos carboxílicos, anhídridos, ésteres, etc..

5.- El grupo -OH es prioritario frente a los alquenos y alquinos. La numeración otorga el localizador más bjo al -OH y el nombre de la molécula termina en -ol.

Los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios y terciarios, dependiendo del carbono funcional al que se una al grupo hidroxilo. Los alcoholes primarios forman aldehídos o ácidos carboxilicos, son muy Los alcoholes terciarios son sólidos. Son resistentes a la oxidación en medios neutros y alcalinos.

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CETONAS:

Una cetona es un compuesto orgánico caracterizado por poseer un grupo funcional carbonilo. El grupo funcional carbonilo consiste en un átomo de carbono unido con un doble enlace covalente a un átomo de oxígeno, y además unido a otros dos átomo de carbono. Propiedades físicas: La presencia del grupo carbonilo convierte a las cetonas en compuestos polares. Los puntos de ebullición son mayores que el de los alcanos del mismo peso molecular, pero menores que el de los alcoholes y ácidos carboxílicos comparables.

Propiedades químicas:

Se comportan como ácidos debido a la presencia del grupo carbonilo.

NOMENCLATURA DE CETONAS:

Las cetonas se nombran sustituyendo la terminación -ano del alcano con igual longitud de cadena por -ona. Se toma como cadena principal la de mayor longitud que contiene el grupo carbonilo y se numera para que éste tome el localizador más bajo.

ALDEHÍDOS:

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Los aldehídos presentan el grupo carbonilo en posición terminal. El carbonilo está unido a un hidrógeno y a un grupo alquilo. Los aldehídos y las cetonas presentan las mismas propiedades químicas y físicas.

NOMENCLATURA ALDEHÍDOS:

Los aldehídos se nombran reemplazando la terminación -ano del alcano correspondiente por -al. Cuando la cadena contiene dos funciones aldehído se emplea el sufijo -dial.

ÉTER:

Los éteres son los compuestos formados por dos radicales unidos entre sí mediante un átomo de oxígeno, por lo tanto su grupo funcional es: R-O-R.

Propiedades físicas:

La mayoría de los éteres son líquidos a temperatura ambiente. Sus puntos de ebullición aumenta al aumentar el peso molecular. Son solubles en agua los éteres que tienen de uno a cinco átomos de carbono y a medida que la longitud de la cadena aumenta su solubilidad . También debemos destacar que son menos densos que el agua.

Propiedades químicas:

Los éteres tienen muy poca reactividad química, debido a la dificultad que presenta la ruptura del enlace C-O. Por ello, se utiliza mucho como disolventes inertes en reacciones orgánicas.

NOMENCLATURA DE ÉTERES:

Los éteres pueden ser nombrados como alcoxi derivados de alcanos. Se toma como cadena principal la de mayor longitud y se nombra el alcóxido como un sustituyente.

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La nomenclatura funcional (IUPAC) nombra los éteres como derivados de dos grupos alquilo, ordenados alfabéticamente, terminando con el nombre en la palabra éter.

ÁCIDO CARBOXÍLICO:

Los compuestos orgánicos que contienen en su molécula el grupo funcional COOH (un grupo >C=O, unidos al mismo átomo del carbono son llamados ácidos carboxílicos). Estos compuestos se forman cuando el hidrógeno de un grupo aldehído es reemplazado por un grupo -OH. Los ácidos carboxílicos son compuestos que están ampliamente distribuidos en la naturaleza, ya que los podemos encontrar en todos lados, como el ácido láctico de la leche agria y la degradación bacteriana de la sacarosa en la placa dental, etc.

Propiedades físicas: Los ácidos carboxílicos presentan puntos de ebullición elevados debido a la presencia de doble puente de hidrógeno. Mientras que el punto de fusión varia según el número de carbono. Solubilidad: El grupo carboxilo –COOH confiere carácter polar a los ácidos y permite la formación de puentes de hidrógeno entre la molécula de ácido carboxílico y la molécula de agua.

.

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Propiedades químicas:

El comportamiento químico de los ácidos carboxílicos esta determinado por el grupo carboxilo -COOH. Esta función consta de un grupo carbonilo (C=O) y de un hidroxilo (-OH). Donde el -OH es el que sufre casi todas las reacciones: pérdida de protón (H+) o reemplazo del grupo –OH por otro grupo.

Los ácidos carboxílicos pueden obtenerse a partir de reacciones química como la oxidación de alcoholes primarios.

Oxidación de alcoholes primarios: para obtener ácidos carboxílicos mediante esta reacción, el alcohol primaria se trata como un agente oxidante fuerte donde el alcohol actúa como un agente reductor oxidándose hasta ácido carboxílico.

NOMENCLATURA:

La IUPAC nombra los ácidos carboxílicos reemplazando la terminación -ano del alcano con igual número de carbono por -oico.

AMINAS:

Las aminas son compuestos derivados del amoniaco (NH3). Se forma cuando se sustituye uno, dos o tres átomos de hidrógeno del amoniaco por radicales.

Propiedades físicas:

Las aminas son compuestos polares, por lo que las de masa molecular baja, son solubles en agua. Las aminas se caracterizan por sus olores desagradables algunas de ellas tienen olor a pescado. Las aminas primarias y secundarias tienen puntos de ebullición menores que los de los alcoholes, pero son mayores que los de los éteres.NOMENCLATURA: Las aminas se pueden nombrar como derivados de alquilaminas o alcanoaminas.

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Si un radical está repetido varias veces, se indica con los prefijos di-, tri-,...

Si la amina lleva radicales diferentes, se nombran alfabéticamente.

AMIDAS:

Son compuestos que están formados por los grupos funcionales de aminas y ácidos carboxílicos.

Propiedades físicas:

Las amidas tiene los puntos de ebullición más altos porque tienen fuertes interacciones dipolo-dipolo. Pueden formar enlaces de hidrógeno cuando el nitrógeno de una amida se une al hidrógeno de otra molécula.

NOMENCLATURA: Las amidas se nombran como derivados de ácidos carboxílicos sustituyendo la terminación -oico del ácido por -amida.

Las amidas actúan como sustituyentes cuando en la molécula hay grupos prioritarios, en este caso, preceden el nombre de la cadena principal y se nombran como carbmoíl-

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ÉSTERES:

Son sustancias orgánicas que se encuentran en productos naturales (animal y vegetal).

Propiedades físicas:

Los ésteres al igual que las amidas son solubles en disolventes orgánicos como alcoholes, éteres, alcanos e hidrocarburos aromáticos. Los ésteres y amidas terciarias, se utilizan frecuentemente como disolventes en las reacciones orgánicas.

NOMENCLATURA:

Los ésteres proceden de condensar ácidos con alcoholes y se nombran como sales del ácido que provienen. La nomenclatura IUPAC cambia la terminación -oico del ácido por -oato, terminando con el nombre del grupo alquilo unido al oxígeno.