Ácidos y bases de Arrhenius

Definición de ácidos y bases de Arrhenius y reacciones ácido-base de Arrhenius.

Puntos más importantes

  • Un ácido de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de H+\text{H}^+ en una solución acuosa.
  • Una base de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de OH\text{OH}^- en una solución acuosa.
  • En solución acuosa, los iones H+\text{H}^+ reaccionan inmediatamente con las moléculas de agua para formar iones hidronio, H3O+\text{H}_3\text{O}^+.
  • En una reacción ácido-base o reacción de neutralización, un ácido y una base de Arrhenius reaccionan generalmente para formar agua y una sal.

Introducción

¡Del vinagre en tu despensa hasta el jabón en la ducha, los ácidos y bases están por todas partes! Pero ¿qué significa decir que algo es ácido o básico? Para responder a esta pregunta, necesitamos examinar algunas de las teorías que describen los ácidos y las bases. En este artículo, nos centraremos en la teoría de Arrhenius.

Los ácidos de Arrhenius

La teoría de ácidos y bases de Arrhenius fue propuesta originalmente por el químico sueco Svante Arrhenius en 1884, quien sugirió clasificar ciertos compuestos como ácidos o bases de acuerdo con el tipo de iones que se forman cuando el compuesto se añade al agua.
Un ácido de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de iones H+\greenD{\text{H}^+} (o protones) en solución acuosa. Por ejemplo, consideremos la reacción de disociación para el ácido clorhídrico, HCl\text{HCl}, en agua:
HCl(ac)H+(ac)+Cl(ac)\greenD{\text{H}}\text {Cl}(ac)\rightarrow \greenD{\text{H}^+}(ac)+\text{Cl}^-(ac)
Cuando hacemos una solución acuosa de ácido clorhídrico, el HCl\greenD{\text{H}}\text{Cl} se disocia en iones H+\greenD{\text{H}^+} y Cl\text{Cl}^-. Ya que esto resulta en un aumento en la concentración de iones H+\greenD{\text{H}^+} en solución, el ácido clorhídrico es considerado un ácido de Arrhenius.

¿Iones hidrógeno o iones hidronio?

Supongamos que preparamos una solución acuosa 2 M de ácido bromhídrico, HBr\text{HBr}, que es un ácido de Arrhenius. ¿Quiere decir esto que tenemos 2 M de iones H+\text H^+ en la solución?
En realidad, no. En la práctica, los protones cargados positivamente reaccionan con las moléculas de agua circundantes para formar iones hidronio, H3O+\text{H}_3\text{O}^+. Esta reacción se puede escribir como sigue:
H+(ac)+H2O(l)H3O+(ac)\text{H}^+(ac)+\text{H}_2\text{O}(l)\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(ac)
Aunque a menudo escribimos las reacciones de disociación ácida mostrando la formación de H+(ac)\text H^+(ac), no hay iones H+\text{H}^+ libres flotando en una solución acuosa. En realidad, son iones H3O+\text{H}_3\text{O}^+ principalmente, que se forman de manera inmediata cuando un ácido se disocia en agua. La imagen siguiente muestra mediante el uso de modelos moleculares, la formación de iones hidronio a partir de agua y de iones de hidrógeno:
En la práctica, la mayoría de los químicos hablan de la concentración de H+\text{H}^+ y la concentración de H3O+\text{H}_3\text{O}^+ indistintamente. Cuando queremos ser más precisos y menos perezosos, podemos escribir la reacción de disociación del ácido bromhídrico para mostrar explícitamente la formación de iones hidronio en lugar de protones:
En general, cualquiera de las dos descripciones es aceptable para mostrar la disociación de un ácido de Arrhenius.

Las bases de Arrhenius

Una base de Arrhenius se define como cualquier especie que aumenta la concentración de iones hidróxido, OH\redD{\text{OH}^-}, en solución acuosa. Un ejemplo de una base de Arrhenius es el hidróxido de sodio, NaOH\text{NaOH}, que es altamente soluble. El hidróxido de sodio se disocia en agua de la manera siguiente:
NaOH(ac)Na+(ac)+OH(ac)\text{Na} \redD{\text{OH}}(ac)\rightarrow\text{Na}^+(ac)+\redD{\text{OH}^-}(ac)
En agua, el hidróxido de sodio se disocia completamente para formar iones OH\redD{\text{OH}^-} y Na+\text{Na}^+, resultando en un incremento en la concentración de iones hidróxido. Por lo tanto, NaOH\text{NaOH} es una base de Arrhenius. Las bases de Arrhenius más comunes incluyen otros hidróxidos del grupo 1 y grupo 2 como LiOH\text{LiOH} y Ba(OH)2\text{Ba(OH)}_2.
Observa que dependiendo del libro de texto o del profesor, las bases que no contienen hidróxido pueden o no ser clasificadas como bases de Arrhenius. Algunos libros de texto definen una base de Arrhenius, de forma más acotada, como una sustancia que aumenta la concentración de OH\text{OH}^- en solución acuosa y también contiene al menos una unidad de OH\text{OH}^- en la fórmula química. Mientras que esto no cambia la clasificación de los hidróxidos de los grupos 1 y 2, puede provocar confusión con compuestos como la metilamina ,CH3NH2\text {CH}_3 \text {NH}_2.
Cuando agregamos metilamina al agua se produce la siguiente reacción:
CH3NH2(ac)+H2O(l)CH3NH3+(ac)+OH(ac)\text {CH}_3 \text {NH}_2(ac)+\text H_2 \text O(l) \leftrightharpoons \text {CH}_3 \text {NH}_3^+(ac)+\redD{\text {OH}^-}(ac)
Si nos basamos en nuestra primera definición, la metilamina es una base de Arrhenius ya que la concentración del ion OH\text {OH}^- aumenta en la solución. Sin embargo, para la segunda definición no cuenta como una base de Arrhenius ya que la fórmula química no incluye hidróxido.

Reacciones ácido-base: ácido de Arrhenius + base de Arrhenius = agua + sal

Cuando un ácido de Arrhenius reacciona con una base de Arrhenius, los productos son generalmente agua y una sal. Estas reacciones también se conocen como reacciones de neutralización. Por ejemplo, ¿qué pasa cuando combinamos soluciones acuosas de ácido fluorhídrico HF\text{HF} y de hidróxido de litio LiOH\text{LiOH}?
Si pensamos en la solución ácida y la solución básica por separado, sabemos que:
  • Un ácido de Arrhenius aumenta la concentración de H+(ac)\greenD{\text H^+}(ac):
HF(ac)H+(ac)+F(ac)\greenD{\text{H}}\text{F}(ac) \leftrightharpoons \greenD{\text{H}^+}(ac)+\text{F}^-(ac)
  • Una base de Arrhenius aumenta la concentración de OH(ac)\redD{\text{OH}^-}(ac):
LiOH(ac)Li+(ac)+OH(ac)\text{Li}\redD{\text{OH}}(ac) \rightarrow \text{Li}^+(ac)+\redD{\text{OH}^-}(ac)
Cuando el ácido y la base se combinan en la solución, se produce H2O\text H_2 \text O a partir de la reacción entre los iones hidrógeno y los iones hidróxido, mientras que los otros iones forman la sal LiF(ac)\text{LiF}(ac):
H+(ac)+OH(ac)H2O(l)             Formacin de aguaoˊ\greenD{\text H^+}(ac)+\redD{\text{OH}^-}(ac) \rightarrow \text{H}_2 \text O(l)~~~~~~~~~~~~~\text{Formación de agua}
Li+(ac)+F(ac)LiF(ac)                Formacin de saloˊ\text{Li}^+(ac)+\text{F}^-(ac) \rightarrow\text{LiF}(ac)~~~~~~~~~~~~~~~~\text{Formación de sal}
Si sumamos las reacciones para la formación de agua y la formación de la sal, obtenemos la reacción general de neutralización entre el ácido fluorhídrico y el hidróxido de litio:
HF(ac)+LiOH(ac)H2O(l)+LiF(ac)\greenD{\text{H}}\text{F}(ac) + \text{Li}\redD{\text{OH}}(ac) \rightarrow \text{H}_2 \text O(l)+\text{LiF}(ac)

Limitaciones de la definición de Arrhenius

La teoría de Arrhenius es limitada, ya que solo puede describir la química ácido-base en soluciones acuosas. Sin embargo, reacciones similares pueden también ocurrir en disolventes no acuosos, así como entre moléculas en fase gaseosa. Como resultado, los químicos modernos generalmente prefieren la teoría de Brønsted-Lowry, que es útil en una amplia gama de reacciones químicas. La teoría de Brønsted-Lowry de ácidos y bases se tratará en un artículo diferente.

Resumen

  • Un ácido de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de H+\text{H}^+ en solución acuosa.
  • Una base de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de OH\text{OH}^- en una solución acuosa.
  • En solución acuosa, los iones H+\text{H}^+ inmediatamente reaccionan con las moléculas de agua para formar iones hidronio, H3O+\text{H}_3\text{O}^+.
  • En una reacción ácido-base o de neutralización, un ácido y una base de Arrhenius generalmente reaccionan para formar agua y una sal.
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