apuntes sobre reacciones Ácido-base

8/2/2019 Apuntes sobre reacciones cido-Base

1/19

1

Apuntessobrereaccionescido-Base


2/19

2

Desde la antigedad se conocen diversas sustancias de especiales caractersticas yde gran inters prctico que hoy denominamos cidosy bases.Dichas caractersticas incluyen propiedades peculiares de sabor, tacto, cambios de color

de determinadas sustancias, capacidad para realizar ciertas reacciones.

A finales del siglo XIX y a principios del siglo XX se formularon las grandes teoras acercade la naturaleza y el comportamiento de los cidos y las bases; stas son las teoras deArrhenius, de Brnsted-Lowry y de Lewis.

Teoras de Arrhenius

En 1884, el qumico sueco Svante Arrhenius (1859-1927) present su teora dela disociacin inica, segn la cual, muchas sustancias en disolucin acuosaexperimentan una ruptura o disociacin en iones positivos y negativos. As, las sales,como el cloruro de sodio, bromuro de calcio, nitrato de potasio o sulfato de cesio, se

disocian de esta forma

2H ONaCl Na Cl 2H O3 3KNO K NO

2H O 22CaBr Ca 2Br

2H O 2 22 4 4Cs SO Cs SO

Esta disociacin inica, o disociacin electroltica, justifica la conductividad elctricade las disoluciones acuosas de muchas sustancias que reciben el nombre deelectrlitos.

Dentro de esta teora, Arrhenius formul las siguientes definiciones para los cidosy lasbases.

cido: es toda sustancia que en disolucin acuosa se disocia con formacin deiones hidrgeno, H+.

Base: es toda sustancia que en disolucin acuosa se disocia con formacin de ioneshidrxido, OH-.

Ejemplos:

2H O

HCl H Cl

2H O 2

2 4 4H SO 2H SO

2H ONaOH Na OH

2H O 22Ca(OH) Ca 2OH

En general, podemos representar el comportamiento de un cido y una base deArrhenius, de la siguiente manera

cido: 2H OHA H A y una Base: 2H OBOH B OH

La reaccin de neutralizacin tiene lugar cuando un cido reaccionacompletamente con una base producindose una sal y agua.

2H O2HCl NaOH NaCl H O


3/19

3

2H O2 4 2 4 2H SO 2KOH K SO H O

En general, podemos escribir

2H O

2HA BOH BA H O

La teora de Arrhenius, aunque constituy un indudable avance, tiene importanteslimitaciones, ya que reduce y restringe excesivamente los conceptos de cido y base.Segn sta teora, los conceptos de cido y base dependen de la presencia del agua comodisolvente. Sin embargo, se conocen abundantes sustancias que se comportan comocidos y bases en ausencia de agua como disolvente. Adems, hay sustancias que tienencarcter cido a pesar de no poseer hidrgeno en su molcula, como sucede con losxidos cidos (CO2, SO3, Cl2O5,). Junto con esto, existen muchas sustancias que tienencarcter bsico sin contener iones OH, como el amonaco, NH3, o ciertas sales, comoNa2CO3 y NaHCO3.

Teora de Brnsted-Lowry

En 1923, el dans J. N. Brnsted (1879-1947) y el ingls T. M. Lowry (1874-1936)propusieron, independientemente, una teora acerca de los cidos y las bases queampliaba notablemente los conceptos expuestos por Arrhenius.Segn esta teora:

cido: es toda especie qumica, molecular o inica, capaz de ceder un in H+, esdecir, un protn, a otra sustancia.

Base: es toda especie qumica, molecular o inica, capaz de recibir un ion H+de otrasustancia

Los conceptos de cido y base son complementarios. El cido slo acta como dador deprotones en presencia de alguna sustancia capaz de aceptarlos, es decir, la base. A suvez, la base slo puede aceptar algn protn si reacciona con un cido que se lotransfiera.As

Por lo tanto

La reaccinacido-baseconsiste en la transferencia de un protn H+ desde un cidoa una base.

En principio, podemos considerar las reacciones cido-base como equilibrios en los quelas sustancias formadas pueden tambin transferir un H+ entre ellas. En general,expresado como un equilibrio la reaccin acido-base, tiene la siguiente forma


4/19

4

Unpar conjugadolo constituyen un cido y su base conjugada, o bien, una base y sucido conjugado. Otra forma de notarlos es designando a cada pareja con el mismosubndice numrico

1 2 2 1cido Base cido Base

Estas reacciones cido-base se definen en la teora de Brnsted-Lowry como reaccionesde neutralizacin.

Lareaccin de neutralizacin consiste en la transferencia de un protn de uncido a una base para dar lugar al cido conjugado de la base y a la base conjugada delcido.

Comparacin con las definiciones de Arrhenius

Las definiciones de cido y base dadas por Brnsted y Lowry son ms amplias quelas de Arrhenius. En efecto:

- Las definiciones de Brnsted-Lowry no se limitan a las disoluciones acuosas y sonvlidas para cualquier disolvente.

- Aunque la definicin de cido puede considerarse casi anloga en las dos teoras,la definicin de Brnsted y Lowry para las bases permite incluir como talessustancias que no lo eran para Arrhenius, como NH3, CO32-, HCO3 -, S2-, CH3NH2,etc.

- El NaOH, y en general los hidrxidos, son propiamente bases de Brnsted-Lowry,como lo eran para Arrhenius, ya que aunque no pueden recibir un protn, sedisocian y producen el ion OH , que es capaz de aceptar ese protn formandoH2O. Es decir

3 2OH H O 2H O

Autoionizacin del AguaSe ha comprobado que el agua pura presenta una ligera conductividad elctrica,

indicio de que en ella existen iones en alguna cantidad, por pequea que sea. En efecto,el agua experimenta un ligero proceso de autoionizacinen que unas molculas de H2Otransfieren un H+ a otras, producindose una reaccin cido-base:

2 (l) 2 (l) 3 (ac) (ac)H O H O H O OH

La constante de equilibrio debera escribirse


5/19

5

3

2 2

H O OHK

H O H O

Pero, el H2O est en estado lquido (corresponde al medio acuoso), por lo tanto noaparece considerada en la expresin de la constante de equilibrio. De esta forma, laconstante de equilibrio, que llamaremos,producto inico del agua, Kw, se representarpor

w 3K H O OH

o en forma ms general

wK H OH

Su valor, a 25C, es 10-14. A otras temperaturas, el producto inico del agua vara entre

10-13 y 10-15.

Fuerza de los cidos y de las bases

La tendencia de los cidos a ceder protones es muy variable. Por ejemplo, el cidoclorhdrico, HCl, un electrlito fuerte, muestra tanta tendencia a cederlos que en lasdisoluciones acuosas diluidas sus molculas estn ionizadas casi en su totalidad. Poreste motivo, en la teora de Brnsted-Lowry, el cido clorhdrico se denomina cidofuerte.

(ac ) 2 (l) 3 (ac) (ac)HCl H O H O Cl

A diferencia del HCl, el cido fluorhdrico es un cido dbil, con poca tendencia a cederiones H+ a las bases. Como, a su vez, los iones F formados por ionizacin tienden areaccionar con los iones H3O+, se establece el equilibrio:

(ac) 2 (l) 3 (ac) (ac)HF H O H O F

Podemos representar dichos comportamientos en la siguiente grfica

Loscidos fuertesse ionizan completamente en las disoluciones acuosas diluidas,

debido a su gran tendencia a ceder iones H+. Son cidos fuertes el HCl, el HClO4, el HI, elH2SO4y el HNO3.


6/19

6Loscidos dbilesslo se ionizan parcialmente, a causa de su dbil tendencia a

ceder iones H+, apareciendo un equilibrio entre las molculas no ionizadas y los ionesformados.

De modo semejante, distinguimos las bases fuertes de las dbiles:

Lasbases fuertesmuestran gran tendencia a recibir iones H+ de los cidos. Sonbases fuertes el LiOH, el CsOH, el NaOH, el Ca(OH)2, el Sr(OH)2, el Rb(OH)2y el Ba(OH)2.

Las bases dbiles tienen poca tendencia a recibir iones H+, apareciendo unequilibrio entre las molculas no ionizadas y los iones formados.Hay muy pocas bases dbiles solubles en agua; una de ellas es el amonaco, NH3.

Relacin entre la fuerza de un cido y la de su base conjugada

El cuadro siguiente muestra la fuerza relativa de distintos pares cido-baseconjugados. La fuerza de los cidos se ha medido por su mayor o menor tendencia a

ceder iones H+ a una base comn de referencia, el agua.

Esta tabla nos permite obtener la siguiente informacin

- Cuantoms fuertees un cido, ms dbiles su base conjugada, y viceversa.


7/19

7- Cada cido tiene unamayor tendencia a ceder iones H+ a las bases situadas

por debajo de len la tablay una menor o nula tendencia a cederlo a lasbases situadas por encima de l.

Fuerza de los cidos y estructura molecular

Se ha comprobado experimentalmente que la fuerza de los cidos tiene algunarelacin con la propia estructura de su molcula.A modo de ejemplo, consideramos esta relacin en algunas series de cidos, estandotodos ellos en las mismas condiciones de concentracin y temperatura de la disolucin.

- La energa de enlace HX es determinante para justificar la fuerza de loscidos. Cuanto menos es dicha energa, menos estable es el enlace y con mayorfacilidad se cede el ion H+.

- Cuanto ms electronegativo es el halgeno, ms atrae al par electrnico quecomparte con el oxgeno unido al H. Al polarizarse ms el enlace OH, se ioniza elH con ms facilidad: el cido es ms fuerte.

- Cuanto mayor es el nmero de tomos de oxgeno, O, alrededor del Cl, mayor esla capacidad de ste para polarizar el enlace OH y con ms facilidad se cede elin H+, entonces, el cido es ms fuerte.

cido Energa de enlace (kJmol-1)HF

568.2

HCl431.9

HBr366.1

HI 366.1

cidoElectronegatividad del

halgeno

HClO4 3.0

HBrO4 2.8

HIO4 2.5


8/19

8cido

Nmero de oxidacin delcloro

HClO +1

HClO2 +3

HClO3 +5

HClO4 +7

cidos y bases dbiles: constante de ionizacin

La mayora de los cidos de Brnsted-Lowry son dbiles, es decir, en el agua slose ioniza una pequea proporcin de sus molculas.

Ionizacin de un cido dbil

Si usamos la forma general HA para designar un cido dbil monoprtico, esdecir, que slo puede ionizar un ion H+ por molcula, podemos expresar su ionizacin enel agua de la siguiente manera

(ac ) 2 (l) 3 (ac ) (ac)HA H O H O A

Como se trata de un equilibrio qumico, anotamos

3

c2

H O AK

HA H O

Tratndose de disoluciones acuosas diluidas, la concentracin del agua es prcticamente

constante, igual a 55.5 molL-1

, por lo que la expresin anterior se reescribe:

3

c

H O AK

HA

Como se trata de la constante de equilibrio de un cido dbil, la denominaremos Ka y ladenominaremos constante de acidez


9/19

9

3

a

H O AK

HA

Ionizacin de una base dbil

De manera semejante, si consideramos una base dbil, que designaremosmediante la frmula general B, su ionizacin en el agua se expresa de la siguiente forma:

(ac) 2 (l) (ac) (ac)B H O BH OH

La constante de equilibrio del sistema se expresa

c 2

BH OH

K B H O

Como se trata de la constante de equilibrio de una base dbil, designaremos a esta

constante como Kb, y se denominar, constante de basicidad.

Dado que la concentracin de H2O se mantiene constante, escribimos la expresin finalde la constante de basicidad:

bBH OH

K B

Relacin entre Ka, Kb y Kw

Si formulamos la ionizacin de un cido dbil HA y la de su base conjugada A,comprobamos fcilmente que la suma de las dos reacciones es iguala la reaccin deautoionizacin del agua:

(ac ) 2 (l) 3 (ac ) (ac)HA H O H O A

(ac) 2 (l) (ac ) (ac)A H O HA OH

2 (l) 2 (l) 3 (ac) (ac)H O H O H O OH

Por lo tanto, se cumple que

3a b

H O A HA OH

K K HA A


10/19

10

a b 3 wK K H O OH K

Clculo de la constante de ionizacin

Si llamamos Coa la concentracin molar inicial del cido dbil monoprtico HA,podemos obtener una expresin de la constante Ka en funcin de dicha concentracin yla de los iones formados en el equilibrio de ionizacin.

Para ello, llamaremos xa los moles de cido que se ionizan. Como estos moles estndisueltos en el volumen de la solucin, que es constante, va a ser lo mismo que hablar deconcentracin molar o Molaridad, es decir, molL-1.La reaccin de equilibrio es:

(ac ) 2 (l) 3 (ac ) (ac)HA H O H O A

Pongamos los datos en una tabla

[HA] [H3O+] [A]

Concentracininicial (M) Co

0 0

Moles disociados -x x xConcentracinen el equilibrio Co x x x

Por lo tanto, reemplazando los valores es el equilibrio, tenemos

23

ao o

H O A x x xK

HA C x C x

Haciendo el mismo procedimiento, podemos obtener una expresin para la ionizacin deuna base dbil, B, a partir de la reaccin


2

bo o

BH OH x x xK

B C x C x

El grado de ionizacin en el clculo de Ka y KbFrecuentemente se expresan tambin las constantes Ka y Kb en funcin del grado

de ionizacin del cido o de la base, respectivamente.


11/19

11

Grado de disociacin() de un cido o de una base dbiles es la relacin entre laconcentracin del cido o de la base ionizados en el equilibrio con su concentracininicial.

Es til expresar en tanto por ciento. As, para un cido determinado = 0,1, significaque el 10% de sus molculas est ionizado, permaneciendo el 90% de sus molculas sinionizar.Para la reaccin anterior

(ac ) 2 (l) 3 (ac ) (ac)HA H O H O A

podemos obtener la expresin del equilibrio qumico para la disociacin o ionizacin de xmoles del cido, en funcin de :

comoo

x

C , podemos reordenar dicha expresin escribiendo ox C . De esta

manera, al sustituirla en

23

ao

H O A xK

HA C x

resulta

2 2 22o o

ao o o o

( C ) CxK

C x C C C (1 )

simplificando obtenemos

2 2 2

o oa

o

C CK C (1 ) 1

es decir,

2o

a

CK

1

Del mismo modo, para una base dbil que se disocia segn



12/19

12

haciendo la misma derivacin algebraica obtenemos

2o

b

BH OH CK

B 1

2o

b

CK

1

El pH de las disoluciones acuosas

Las concentraciones de los iones H3O+

y OH

en las disoluciones acuosas soncantidades muy pequeas y de incmodo manejo. Por ello, se utiliza una forma msprctica de medicin de la acidez y de la basicidad de estas disoluciones: la escala de pH.La escala de pH fue introducida por el qumico dans S. Srensen en 1909.

Tomemos como punto de partida la autoionizacin del agua

2 (l) 3 (ac) (ac)H O H O OH

La expresin de su constante de equilibrio es

14w 3K H O OH 10

Apliquemos logaritmo a cada miembro de la igualdad

143H O OH 10

143log H O OH log 10

3log H O log OH 14 log10

Como el log10 =1, entonces

3log H O log OH 14

Ahora, multiplicamos ambos lados por -1.

3log H O ( log OH ) 14


13/19

13

Definimos al operadospcomo log, de manera que si Aes una variable,pA=logA.

Por lo tanto,

3pH log H O

pOH log OH

La escala de pH se estructura de la siguiente manera

Disoluciones amortiguadoras

Normalmente, si a una disolucin acuosa se leaade alguna cantidad de un cido o de una base, supH se modificar. Sin embargo, existen ciertasdisoluciones en las que, mediante un sencillomecanismo, se impide que tenga lugar algn cambioapreciable del pH. Son las disolucionesamortiguadoras.

Disoluciones amortiguadorasoreguladoras

o tampno bufferson aquellas que son capaces demantener su pH prcticamente constante aunque se lesaadan pequeas cantidades de un cido o de unabase o cuando se diluyen.

Estas disoluciones contienen, en concentracionesrelativamente elevadas, un cidoy una sal solublede la base conjugada de aquel; o bien, una basedbil y una sal soluble del cido conjugado deella.

Algunos ejemplos de estas disoluciones son: CH3COOH/CH3COONa, H3PO4/NaH2PO4,

NH3/NH4Cl, etc.

Indicadores cido-base

Desde la antigedad se conocen diversas sustancias de origen orgnico quepresentan la propiedad de variar su colordependiendo del carcter cido o bsico delas sustancias a las que se aaden. Hoy en da, esas sustancias se utilizan con lafinalidad de determinar el pH de las disoluciones y el punto final de las valoracionescido-base. Reciben el nombre de indicadorescido-base.

Un indicador cido-basees una sustancia de carcter cido o bsico dbil que

tiene la propiedad de presentar colores diferentes dependiendo del pH de la disolucin enque se encuentra disuelto.


14/19

14El comportamiento de los indicadores es fcil de comprender. Supongamos que unindicador constituido por un cido dbil monoprtico de frmula general HIn. Endisolucin acuosa se ioniza ligeramente producindose su base conjugada In.Supongamos que la forma protonada y desprotonada del indicador tienen coloresamarillo y azul, respectivamente.

Si se aade a una disolucin de un cido HA una pequea cantidad de la disolucin delindicador, tienen lugar simultneamente dos procesos: el equilibrio de ionizacin delindicador y del cido.

(ac ) 2 (l) 3 (ac) (ac)HIn H O H O In

(ac ) 2 (l) 3 (ac ) (ac)HA H O H O A

Al aumentar la concentracin de [H3O+], por efecto del ion comn, el equilibrio delindicador se desplaza hacia la izquierda. Como consecuencia, el color predominante en ladisolucin ser el de la forma cida HIn.

Si se agrega una pequea cantidad de indicador a una base, tendremos

(ac ) 2 (l) 3 (ac) (ac)HIn H O H O In


La concentracin de [H3O+] disminuir por combinacin de los iones H3O+ con los ionesOH y el equilibrio del indicador se desplazar hacia la derecha. Como consecuencia,predominar en la disolucin el color propio de la forma bsica In.

Cada indicador tiene un intervalo de viraje caracterstico, es decir, un entorno ms omenos reducido de unidades de pH, dentro del cual se realiza el cambio de color. Un

indicador es tanto ms til cuanto menor es su intervalo de viraje y de forma ms claratiene lugar el cambio de color


15/19

15

Teora de Lewis

Hasta aqu se han visto las caractersticas de los cidos y las bases segnArrhenius y Brnsted-Lowry, aplicando la ltima de ellas a diversos problemas asociadosa las reacciones cido-base.En cada caso, el tomo al cual se une el protn tiene al menos un par de electrones

libres. Esta propiedad caracterstica del OH

, del NH3 y de otras bases de Brnsted,sugiere una definicin ms general de cidos y bases.En 1392 el qumico norteamericano G. N. Lewis formul una teora que interpretaba deotra manera las caractersticas de cidos y bases.Defini lo que actualmente se denomina una base de Lewis como una sustancia quepuede donar un par de electrones. Un cido de Lewises una sustancia capaz de aceptarun par de electrones. Por ejemplo, en la protonacin del amonaco, el NH3 acta comouna base de Lewis porque dona un par de electrones al protn H+, que acta como uncido de Lewis porque acepta un par de electrones. Por lo tanto, una reaccin cido-basede Lewis es aquella que implica la donacin de un par de electrones de una especie aotra. Dicha reaccin no produce una sal y agua.

La importancia del concepto de Lewis es que es mucho ms general que otrasdefiniciones. Las reacciones cido-base de Lewis incluyen muchas reacciones en las queno participan cidos de Brnsted.Un ejemplo de este tipo de reacciones es la que se produce entre el trifluoruro de boro(BF3) y el amonaco para formar un aducto como compuesto


16/19

16Valoraciones cido-base

La reaccin completa de un cido con una base en disolucin acuosa, denominadagenricamente reaccin de neutralizacin, da lugar a la formacin de una sal y, por logeneral, de agua. Por ejemplo:

4(ac) (ac) 4(ac) 2HClO NaOH NaClO H O

Ecuacin que una vez eliminados los iones espectadores, en forma inica, se reduce a:

(ac) (ac) 2 (l)H OH H O

o

3 (ac) (ac) 2 (l)H O OH H O

La reaccin de neutralizacin se utiliza como fundamento de lasvaloraciones cido-base.

Una valoracin cido-base es la determinacin de laconcentracin de un cido en disolucin a partir de laconcentracin conocida de una base, o viceversa, basndose en lareaccin de neutralizacin.

La valoracin de un cido se denomina acidimetra y lavaloracin de una base, alcalimetra.La valoracin se realiza mezclando gradualmente el cido y labase hasta alcanzar el punto de equivalencia., es decir, elmomento en que la reaccin de neutralizacin ha sido completa.

En ese punto, el nmero de H3O+ procedentes del cido es igual al de los OHprocedentes de la base.Elpunto finalde la valoracin se alcanza cuando se produce el cambio de color de unindicador, que se adiciona previamente a los reactivos.Para que una valoracin sea buena, el punto final debe coincidir con el de equivalencia.

Durante el proceso de la valoracin o titulacin cido-base, el pH de la disolucinresultante vara continuamente, si bien la forma concreta de esta variacin depende delcarcter fuerte o dbil tanto del cido como de la base.En cualquier caso, el pH vara lentamente salvo en las cercanas del punto deequivalencia, donde se produce una brusca variacin de pH. Precisamente este hechopermite el final de la valoracin.


17/19

17

Dado que en el punto de equivalencia las concentraciones de H+ y OH se igualan,podemos calcular la concentracin del cido o la base, que estamos valorando, a travs

de la siguiente relacin

cido cido base baseC V C V

No olvidar que la concentracin del cido o la base se expresa en moles/litro, vale decir,concentracin Molar (M). El volumen puede expresarse en mililitros (ml) o litros (L).


18/19

18

Apndice: Tablas


19/19

19

apuntes sobre reacciones Ácido-base

Documents