al final de esta sección, podrá:
- Identificar ácidos, bases y conjugar pares ácido-base de acuerdo con la definición de Brønsted-Lowry
- escribir ecuaciones para reacciones de ionización ácida y base
- Utilizar la constante de producto iónico para calcular las concentraciones de iones hidronio e hidróxido
- describir el comportamiento ácido-base de las sustancias anfipróticas
la clase de reacción ácido-base se ha estudiado durante bastante tiempo., En 1680, Robert Boyle reportó rasgos de soluciones ácidas que incluían su capacidad para disolver muchas sustancias, para cambiar los colores de ciertos tintes naturales, y para perder estos rasgos después de entrar en contacto con soluciones alcalinas (base). En el siglo XVIII, se reconoció que los ácidos tienen un sabor amargo, reaccionan con la piedra caliza para liberar una sustancia gaseosa (ahora conocida como CO2), e interactúan con los álcalis para formar sustancias neutras., En 1815, Humphry Davy contribuyó en gran medida al desarrollo del concepto ácido-base moderno al demostrar que el hidrógeno es el constituyente esencial de los ácidos. Alrededor de ese mismo tiempo, Joseph Louis Gay-Lussac concluyó que los ácidos son sustancias que pueden neutralizar las bases y que estas dos clases de sustancias solo se pueden definir en términos uno del otro., La importancia del hidrógeno se volvió a enfatizar en 1884 cuando Svante Arrhenius definió un ácido como un compuesto que se disuelve en agua para producir cationes de hidrógeno (ahora reconocidos como iones de hidronio) y una base como un compuesto que se disuelve en agua para producir aniones de hidróxido.
Johannes Brønsted y Thomas Lowry propusieron una descripción más general en 1923 en la que los ácidos y las bases se definían en términos de la transferencia de iones de hidrógeno, H+., (Tenga en cuenta que estos iones de hidrógeno a menudo se refieren simplemente como protones, ya que esa partícula subatómica es el único componente de los cationes derivados del isótopo de hidrógeno más abundante, 1H.) un compuesto que dona un protón a otro compuesto se llama ácido de Brønsted-Lowry, y un compuesto que acepta un protón se llama base de Brønsted-Lowry. Una reacción ácido-base es, por lo tanto, la transferencia de un protón de un donante (ácido) a un aceptor (base).
el concepto de pares conjugados es útil para describir las reacciones ácido-base de Brønsted-Lowry (y otras reacciones reversibles, también)., Cuando un ácido Dona H+, la especie que queda se llama la base conjugada del ácido porque reacciona como un aceptor de protones en la reacción inversa. Del mismo modo, cuando una base Acepta H+, se convierte en su ácido conjugado. La reacción entre el agua y el amoníaco ilustra esta idea. En la dirección hacia adelante, el agua actúa como un ácido donando un protón al amoníaco y posteriormente convirtiéndose en un ion hidróxido, OH -, La base conjugada del agua. El amoníaco actúa como base para aceptar este protón, convirtiéndose en un ion amónico, NH4+, NH4+, el ácido conjugado del amoníaco., En la dirección inversa, un ion hidróxido actúa como una base para aceptar un protón del ion amonio, que actúa como un ácido.
la reacción entre un ácido Brønsted-Lowry y el agua se llama ionización ácida. Por ejemplo, cuando el fluoruro de hidrógeno se disuelve en agua e ioniza, los protones se transfieren de moléculas de fluoruro de hidrógeno a moléculas de agua, produciendo iones de hidronio e iones de fluoruro:
La ionización de Base de una especie se produce cuando acepta protones de moléculas de agua., En el ejemplo siguiente, las moléculas de piridina, C5NH5, experimentan ionización de base cuando se disuelven en agua, produciendo iones de hidróxido e piridinio:
Las reacciones de ionización anteriores sugieren que el agua puede funcionar tanto como una base (como en su reacción con fluoruro de hidrógeno) como un ácido (como en su reacción con amoníaco). Las especies capaces de donar o aceptar protones se llaman anfiprotricas, o más generalmente, anfótricas, un término que se puede usar para ácidos y bases por definiciones distintas a la de Brønsted-Lowry., Las siguientes ecuaciones muestran las dos posibles reacciones ácido base para dos amphiprotic especies, el ión bicarbonato y agua:
La primera ecuación que representa la reacción del bicarbonato como un ácido con agua como base, mientras que el segundo representa la reacción del bicarbonato como base con el agua como un ácido., Cuando se añade bicarbonato al agua, ambos equilibrios se establecen simultáneamente y la composición de la solución resultante puede determinarse mediante cálculos de equilibrio apropiados, como se describe más adelante en este capítulo.
en el estado líquido, las moléculas de una sustancia anfiprótica pueden reaccionar entre sí como se ilustra para el agua en las ecuaciones a continuación:
el proceso en el que las moléculas similares reaccionan para producir iones se llama autoionización., El agua líquida se autoioniza en una medida muy leve; a 25 °C, aproximadamente dos de cada mil millones de moléculas de agua se ionizan. La extensión del proceso de autoionización del agua se refleja en el valor de su constante de equilibrio, la constante de producto iónico para el agua, Kw:
la ligera ionización del agua pura se refleja en el pequeño valor de la constante de equilibrio; 25 °C, kW tiene un valor de 1.0 ×× 10-14., El proceso es endotérmico, por lo que el grado de ionización y las concentraciones resultantes de ion hidronio e ion hidróxido aumentan con la temperatura. Por ejemplo, a 100 °C, el valor para Kw es aproximadamente 5.6 ×× 10-13, aproximadamente 50 veces más grande que el valor a 25 °c.