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Química - Preparación Educación Superior

Curso: Química - Preparación Educación Superior > Unidad 6

Lección 4: Neutralización ácido-base
Ciencia
Química - Preparación Educación Superior
Estados de la materia
Neutralización ácido-base
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Ácidos y bases de Arrhenius

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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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en una solución acuosa.
  • Una base de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript en una solución acuosa.
  • En solución acuosa, los iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript reaccionan inmediatamente con las moléculas de agua para formar iones hidronio, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
  • 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.
Fotografía de dos toronjas rojo rubí, una completa y la otra cortada en tres pedazos
Los cítricos, como la toronja, contienen altas cantidades de ácido cítrico, un ácido orgánico común. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.5
Un ácido de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de iones start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 (o protones) en solución acuosa. Por ejemplo, consideremos la reacción de disociación para el ácido clorhídrico, start text, H, C, l, end text, en agua:
start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis
Cuando hacemos una solución acuosa de ácido clorhídrico, el start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, C, l, end text se disocia en iones start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 y start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript. Ya que esto resulta en un aumento en la concentración de iones start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54 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, start text, H, B, r, end text, que es un ácido de Arrhenius. ¿Quiere decir esto que tenemos 2 M de iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en la solución?
En realidad, no. En la práctica, los protones cargados positivamente reaccionan con las moléculas de agua circundantes para formar iones hidronio, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Esta reacción se puede escribir como sigue:
start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis
Aunque a menudo escribimos las reacciones de disociación ácida mostrando la formación de start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, no hay iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript libres flotando en una solución acuosa. En realidad, son iones start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript 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:
Un protón, representado por un punto, reaccionando con una molécula de agua para formar iones hidronio
Cuando un ácido se disocia en agua para formar iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript y protones, los iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript reaccionan inmediatamente con el agua para formar start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript. Por lo tanto, los químicos hablan de las concentraciones de los iones de hidrógeno y de los iones hidronio indistintamente. Crédito de la imagen: UC Davis Chemwiki, CC BY-NC-SA 3.0 US
En la práctica, la mayoría de los químicos hablan de la concentración de start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript y la concentración de start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript 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:
HBr(ac)+H2O(l)→H3O+(ac)+Br−(ac)        maˊs precisovs.HBr(ac)→H+(ac)+Br−(ac)    ¡maˊs corto y maˊs faˊcil de escribir!\begin{aligned}\text{HBr}(ac)+\text{H}_2\text{O}(l) &\rightarrow\text{H}_3\text{O}^+(ac)+\text{Br}^-(ac)~~~~~~~~{\text{más preciso}}\\ \\ &\text{vs.} \\ \\ \text{HBr}(ac) &\rightarrow\text{H}^+(ac)+\text{Br}^-(ac)~~~~\text{¡más corto y más fácil de escribir!}\end{aligned}
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, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, en solución acuosa. Un ejemplo de una base de Arrhenius es el hidróxido de sodio, start text, N, a, O, H, end text, que es altamente soluble. El hidróxido de sodio se disocia en agua de la manera siguiente:
start text, N, a, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis
En agua, el hidróxido de sodio se disocia completamente para formar iones start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39 y start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript, resultando en un incremento en la concentración de iones hidróxido. Por lo tanto, start text, N, a, O, H, end text es una base de Arrhenius. Las bases de Arrhenius más comunes incluyen otros hidróxidos del grupo 1 y grupo 2 como start text, L, i, O, H, end text y start text, B, a, left parenthesis, O, H, right parenthesis, end text, start subscript, 2, end subscript.
Vaso de precipitados con las moléculas de agua, cationes sodio y aniones hidróxido
Una solución acuosa de hidróxido de sodio, considerada una base de Arrhenius, contiene iones de sodio y de hidróxido disociados.
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 start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript en solución acuosa y también contiene al menos una unidad de start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript 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 ,start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript.
Cuando agregamos metilamina al agua se produce la siguiente reacción:
start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, \leftrightharpoons, start text, C, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis
Si nos basamos en nuestra primera definición, la metilamina es una base de Arrhenius ya que la concentración del ion start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript 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 start text, H, F, end text y de hidróxido de litio start text, L, i, O, H, end text?
Si pensamos en la solución ácida y la solución básica por separado, sabemos que:
  • Un ácido de Arrhenius aumenta la concentración de start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, c, right parenthesis:
start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, \leftrightharpoons, start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis
  • Una base de Arrhenius aumenta la concentración de start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis:
start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis
Cuando el ácido y la base se combinan en la solución, se produce start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text a partir de la reacción entre los iones hidrógeno y los iones hidróxido, mientras que los otros iones forman la sal start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis:
start color #1fab54, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, end color #1fab54, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color #e84d39, start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start text, F, o, r, m, a, c, i, o, with, \', on top, n, space, d, e, space, a, g, u, a, end text
start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, space, start text, F, o, r, m, a, c, i, o, with, \', on top, n, space, d, e, space, s, a, l, end text
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:
start color #1fab54, start text, H, end text, end color #1fab54, start text, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start text, L, i, end text, start color #e84d39, start text, O, H, end text, end color #e84d39, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, start text, L, i, F, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis

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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en solución acuosa.
  • Una base de Arrhenius es cualquier especie que aumenta la concentración de start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript en una solución acuosa.
  • En solución acuosa, los iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript inmediatamente reaccionan con las moléculas de agua para formar iones hidronio, start text, H, end text, start subscript, 3, end subscript, start text, O, end text, start superscript, plus, end superscript.
  • 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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