EQUILIBRIO ACIDO - BASE

ACIDOS Y BASES

Se han propuesto varias teorías para definir ácidos y bases, donde las más importantes fueron las propuestas:

· S. Arrhenius, que dice que un acido es una sustancia que contiene hidrogeno y al disociarse produce iones hidrogeno; y que una base es un hidróxido que se disocia produciendo iones hidroxilo en soluciones acuosas.

HA H⁺ + A^- (acido)

MOH M⁺ + OH^- (base)

· Brønsted-Lowry, la cual afirma que un acido es un donador de protones, y una base, un receptor de protones. Además, según esta teoría un ion hidrogeno, no es más que un protón aislado y no existe por si solo en solución acuosa. En el agua un protón se combina con el agua para formar el ion hidronio (H₃O⁺).

NH₄⁺ + H₂O H₃O⁺ + NH₃

Cuando un acido de Brønsted-Lowry dona un protón, forma la base conjugada de ese acido. Cuando una base dona un protón, forma el acido conjugado.

NH₄⁺ + H₂O H₃O⁺ + NH₃

	Acido		Base

ELECTROLITOS

Las sustancias cuyas soluciones acuosas son electroconductivas se llaman electrolitos y las sustancias cuyas soluciones no son conductivas se llaman no electrolitos. Los electrolitos en solución acuosa son conductores de electricidad debido a que forman iones, es decir, partículas con carga eléctrica. Los ácidos, las bases y las sales son electrolitos.

Con frecuencia se usan indistintamente los términos disociación e ionización para describir los procesos que se llevan a cabo en agua. Pero, hablando estrictamente, en la disociación de una sal, ya la sal existe como iones y cuando se disuelve en agua, los iones se separan, o se disocian, y aumentan su movilidad. En el proceso de ionización, se producen iones por la reacción de un compuesto con el agua.

Los electrolitos se clasifican como fuertes o débiles de acuerdo con el grado de disociación o ionización. Los electrolitos fuertes están prácticamente 100% ionizados en solución, mientras que los electrolitos débiles están mucho menos ionizados. Los ácidos y bases que son electrolitos fuertes se llaman ácidos y bases fuertes, y los ácidos y bases que son electrolitos débiles se llaman ácidos y bases débiles.

1. ACIDOS FUERTES

No existen muchos ácidos fuertes. Consideraremos solamente seis compuestos cuyos nombres y formulas son los siguientes:

ACIDO FUERTE	FORMULA MOLECULAR
Acido clorhídrico	HCl
Acido bromhídrico	HBr
Acido iodhídrico	HI
Acido nítrico	HNO3
Acido sulfúrico	H2SO4
Acido perclórico	HCLO4

2. ESPECIES QUE SE COMPORTAN COMO ACIDOS DEBILES

Hay una amplia variedad de solutos que se comportan como ácidos débiles. Para su estudio los clasificaremos en moléculas, aniones y cationes.

a) Moléculas que contiene un átomo de hidrogeno ionizable: HCLO, HC₂H₃O₂, HF, H₂S, HCN, etc.

b) Aniones que contienen un átomo de hidrogeno ionizable: HSO₄^2-.

c) Cationes: NH₄

3. BASES FUERTES

Una base fuerte se disocia completamente en agua produciendo iones OH^-. Las bases fuertes son:

a) Los hidróxidos de los metales el grupo IA.

b) Los hidróxidos de los metales del grupo IIA.

4. BASES DEBILES

Las bases débiles producen iones OH^- a través de una reacción reversible que incluye una molécula de agua. Las bases débiles son:

a) La base débil más común es el amoniaco (NH3).

b) Ciertos compuestos orgánicos llamados aminas. Ej: metilamina CH3NH2

c) La mayor parte de las bases débiles son aniones. Ej: C2H3O2^-, F^-, etc.

5. SALES

Una sal es un compuesto iónico que contiene un catión distinto de H⁺ y un anión distinto de OH^- u O₂^-. Para saber si una disolución de una sal es acida, básica o neutra, se debe considerar el efecto de los iones sobre el pH del agua.

Las disoluciones son el producto de un soluto con agua, y la capacidad de éste para disociarse y dar origen a los iones correspondientes estará determinada por el tipo de soluto que reacciona.

Los ácidos y bases fuertes se disocian completamente a través de reacciones irreversibles, tienen inicio y final; al inicio todo es molécula y al final de la reacción toda la concentración de soluto se encuentra compuesto por iones.

Los ácidos y bases débiles se disocian solo en parte a través de reacciones reversibles, tienen inicio y al reaccionar con el agua no se disocian completamente sino que se que llegan a un equilibrio entre la formación de iones y la formación de molécula.

pH DE LAS DISOLUCIONES

La determinación del pH de una disolución es la manera de medir la acidez de ésta, esto se refiere a la cantidad de iones H⁺, presentes en la disolución. La ecuación para determinar el pH es la siguiente:

Donde es la concentración de protones.

De forma análoga y debido a que no en todas las disoluciones es fácil determinar la concentración de protones, existe la determinación de una medida similar a la de pH:

Donde es la concentración de iones hidróxido, y que puede llevarse a la escala de pH de la siguiente forma:

La molécula de agua al ionizarse es neutra, y no tiene iones H⁺ ni OH^- en exceso. A 25°C produce una concentración de iones H⁺ igual a 1x10^-7 moles por litro, y una concentración de iones OH^- igual a 1x10^-7 moles por litro

ó

Si aplicamos la ecuación para determinar el pH, entonces:

La escala misma del pH se basa en la concentración de iones H+ en agua a 25°C, que según el cálculo anterior es igual a 7, por lo que no es ni ácida ni básica ya que tiene la misma concentración de iones H⁺ ni OH^-. Las soluciones que contienen mas iones H⁺ que OH^- tienen valores de pH menores de 7, y las soluciones que tiene menos H⁺ que OH^- tiene valores de pH mayores que 7.

IONIZACION DE ACIDOS Y BASES

Los procesos que diferencian los ácidos y bases fuertes de los débiles, se fundamentan en si la reacción de ionización se produce de manera reversible o irreversible, y va a influir directamente en la forma de calcular el pH de la solución.

Ionización de ácidos y bases fuertes:

· Se ionizan de manera irreversible (®), presentando inicio y final.

· La molécula se disocia totalmente, convirtiéndose en iones (al inicio todo es molécula y al final todo son iones).

· Para conocer la concentración de los iones, multiplicar la concentración inicial de la molécula por el coeficiente del ión en la ecuación de ionización balanceada.

Ionización de ácidos y bases débiles:

· Se ionizan de manera reversible («), nunca llegan a un final sino a un equilibrio, y entonces siempre tendrán una constante de equilibrio K_a ó K_b.

· La molécula se disocia solo en una porción, en el equilibrio hay “x” cantidad de iones y queda otra parte como molécula completa (conc. Inicial – X). X= para los ácidos débiles y X= para las bases débiles.

· Para conocer la concentración de los iones denominada “x” se deben hacer cálculos matemáticos con los valore de K_a y/o K_b y de concentración (c).

Ácidos polipróticos:

Existen algunos ácidos que poseen más de un átomo de hidrogeno, como por ejemplo el H₂SO₄ y el H₃PO₄, a los que se les llama ácidos poliproticos. Estos ácidos en solución acuosa se disocian en varias etapas, es decir, pierden un átomo de hidrogeno a la vez. En el caso del acido sulfúrico, el acido poliprotico más conocido, la primera disociación es completa por lo que se clasifica como un acido fuerte, ya que el primer protón se libera fácilmente. La segunda disociación se produce solo en parte hasta que se produce una situación de equilibrio, haciendo que el HSO₄^2- sea un ácido débil. Siempre en los ácidos poliproticos las K van tomando valores más pequeños a medida que se van dando las ionizaciones. También se debe tomar en cuenta que las especies que se forman en la primera ionización se van acumulando para las siguientes.

AUTOIONIZACION DEL AGUA

El agua es un electrolito muy especial, ya que es capaz e ionizarse como liquido puro (autoionización), basado en esto y bajo cualquier teoría, el agua es una sustancia que es ácida y básica a la vez “anfótera”.

La autoionización del agua es reversible y parcial, por lo que posee una constante de equilibrio K_w=1x10^-14. Su expresión particular, K_w= . El proceso de ionización del agua interviene en el cálculo de pH de las soluciones de las sales.

Calculo del pH de las sales

Todas las sales son electrolitos fuertes que se ionizan totalmente, por lo tanto no hay constante de equilibrio para las sales (K) y ellas se ionizan de manera irreversible y total (inicio y final).

Provienen de ácidos fuertes y bases fuertes. El pH=7 y el problema no suministra ninguna K.

Existen sales que luego de ionizarse no sufren ningún cambio, pero hay otras que luego de ionizarse sufren un proceso llamado hidrólisis en el cual se combinan con una molécula de agua en la cual están disueltas.

Se hidrolizan

	Sales (electrolitos fuertes)
			No se hidrolizan

Para calcular el pH de una sal que sufre hidrólisis, se pueden seguir los siguientes pasos:

1. Escribir la reacción de ionización de la sal.

2. Escribir la reacción de hidrólisis.

3. Calcular la constante de ionización (K_h)

;

4. Calcular el valor de “x”. Matemáticamente la “x” en la hidrólisis siempre es despreciable.

EFECTOS DEL ION COMÚN EN EL EQUILIBRIO ACIDO-BASE

El efecto del ión común se presenta cuando una disolución contiene disueltos más de un acido o base a la vez. Dependiendo si los ácidos o las bases son fuertes y/o débiles, se pueden presentar diferentes casos de ión común; lo importante es tener en cuenta que los iones comunes interfieren en la forma de calcular el pH.

a) Ión común fuerte-fuerte: cuando en una misma solución se mezclan dos ácidos fuertes o dos bases fuertes.

b) Ión común débil-débil: cuando una misma solución se mezclan dos ácidos débiles o dos bases débiles.

c) Ión común fuerte-débil: se dice que es aquí donde se observa el verdadero efecto del ión común. Ocurre cuando en una misma solución se mezclan un ácido fuerte con un ácido débil ó una base fuerte con una base débil.

SOLUCIONES AMORTIGUADORAS O BUFFER

Son mezclas de dos soluciones: ácido ó base débil con su sal conjugada. Ej: HNO₂ + KNO₂; NH₃ + NH₄Cl. En la mezcla de ácido débil mas sal, el ión negativo es común; en la mezcla base débil mas sal, lo es el ión positivo.

Estas mezclas tienen la propiedad de mantener constante el pH en el medio donde se encuentren y esto se debe al efecto del ión común del buffer, el cual actúa como neutralizando posibles adiciones de H⁺ y/o OH^-.

Para calcular el pH de una solución buffer se usan los valores de Ka ó Kb, [sal conjugada], [acido débil] ó [base débil].

Se usa la ecuación de Henderson-Hasselbach:

Para amortiguadores formados por ácido débil/sal conjugada

Para amortiguadores formados por base débil/sal conjugada

pH= 14 – pOH

Cuando un buffer es perturbado por la adición de ácidos o bases, su pH no debe variar o variar en una mínima proporción, y para el cálculo del pH resultante es necesario tomar en cuenta cómo afectan las concentraciones del ácido o base y de la sal, la adición del agente perturbador.

1. Acido débil/Sal conjugada:

a. La adición de un ácido fuerte incrementa la concentración del ácido y disminuye la concentración de la sal.

b. La adición de una base fuerte disminuye la concentración del ácido y aumenta la concentración de la sal.

2. Base débil/Sal conjugada:

a. La adición de un ácido fuerte disminuye la concentración de la base y aumenta la concentración de la sal.

b. La adición de una base fuerte aumenta la concentración de la base y disminuye la concentración de la sal.

EQUILIBRIO DE SOLUBILIDAD Y Kps

La constante del producto de solubilidad que se representa como Kps, es otra aplicación de la constante de equilibrio. Es la constante de equilibrio de una sal ligeramente soluble. La Kps es igual al producto de la concentración de los iones, cada una expresada en moles por litro, elevado a un exponente que será igual al subíndice del ión en la ecuación principal. El siguiente ejemplo muestra como se calcula Kps:

La ecuación de equilibrio entre el AgCl y sus iones es la siguiente:

AgCl_(s) « Ag⁺ + Cl^-

Kps = [Ag⁺]¹[Cl^-]¹

En estas reacciones si se agrega a la solución una sustancia que contenga un ión común se disminuye la solubilidad de los compuestos, es decir, Kps es menor

Cuando se mezclan dos sustancias, y estas reaccionan en la mezcla, hay que conocer si alguno de los productos que se formara en la reacción es muy poco soluble, si esto ocurre cabe la posibilidad de que este precipite. Se formara un precipitado si la cantidad de producto formado supera lo permitido por la solubilidad (se satura la solución). Esto se puede predecir mediante cálculos matemáticos donde se busca conocer el valor de Qps.

El valor de Qps se calcula con la misma expresión matemática del Kps del compuesto poco soluble, pero usando las concentraciones iniciales de los iones en la mezcla. No se trabaja en función de “x”. Si Qps > Kps, entonces hay precipitado.