Definiciones de ácidos y bases
y la función del agua
Propiedades de los ácidos y bases según Boyle
En 1661, Robert Boyle resumió las propiedades de los ácidos de la siguiente manera.
1. Los ácidos tienen un sabor amargo.
2. Los ácidos son corrosivos.
3. Los ácidos cambian el color de ciertos tintes vegetales, como el tornasol, de azul a rojo.
4. Los ácidos pierden su acidez cuando se combinan con álcalis.
El nombre «ácido» proviene del latín acidus, que significa «agrio» y se refiere al olor fuerte y sabor agrio de muchos ácidos.
Ejemplos: El vinagre tiene un sabor agrio porque es una solución diluida de ácido acético en agua. El jugo de limón tiene un sabor agrio porque contiene ácido cítrico. La leche se vuelve agria cuando se echa a perder porque se forma ácido láctico, y el olor agrio y desagradable de la carne podrida o la mantequilla puede atribuirse a compuestos como el ácido butírico que se forma cuando la grasa se echa a perder.
En 1661, Boyle resumió las propiedades de los álcalis. como sigue.
- Los álcalis se sienten resbaladizos.
- Los álcalis cambian el color del tornasol de rojo a azul.
- Los álcalis se vuelven menos alcalinos cuando se combinan con ácidos.
En esencia, Boyle definió los álcalis como sustancias que consumen o neutralizan los ácidos. Los ácidos pierden su característico sabor amargo y su capacidad para disolver metales cuando se mezclan con álcalis. Los álcalis incluso revierten el cambio de color que se produce cuando el tornasol entra en contacto con un ácido. Con el tiempo, los álcalis se conocieron como bases porque sirven como la «base» para formar ciertas sales.
La definición de Arrhenius de ácidos y bases
En 1884 Svante Arrhenius sugirió que las sales como NaCld se disocian cuando se disuelven en agua para dar partículas llamadas iones.
| H2O | ||
| NaCl (s) |  |
Na + (aq) + Cl- (aq) |
Tres años más tarde, Arrhenius amplió esta teoría sugiriendo que los ácidos son compuestos neutros que se ionizan cuando se disuelven en agua para dar iones H + y el correspondiente ion negativo. Según su teoría, el cloruro de hidrógeno es un ácido porque se ioniza cuando se disuelve en agua para dar iones de hidrógeno (H +) y cloruro (Cl-) como se muestra en la figura siguiente.
| H2O | ||
| HCl (g) | |
H + (aq) + Cl- (aq) |
Arrhenius argumentó que las bases son compuestos neutros que se disocian o ionizan en agua para dar iones OH- y un ión positivo. El NaOH es una base de Arrhenius porque se disocia en agua para dar los iones de hidróxido (OH-) y sodio (Na +).
| H2O | ||
| NaOH (s) | |
Na + (aq) + OH- (aq) |
Un ácido de Arrhenius es, por tanto, cualquier sustancia que se metaboliza cuando se disuelve en agua para dar el ion H + o hidrógeno.
Una base de Arrhenius es cualquier sustancia que da el ion OH-, o hidróxido, cuando se disuelve en agua.
Los ácidos de Arrhenius incluyen compuestos como HCl, HCN y H2SO4 que se ionizan en el agua para dar el ion H +. Las bases de arrhenius incluyen compuestos iónicos que contienen el ion OH, como NaOH, KOH y Ca (OH) 2.
Esta teoría explica por qué los ácidos tienen propiedades similares: Las propiedades características de los ácidos resultan de la presencia del H + ion generado cuando un ácido se disuelve en agua. También explica por qué los ácidos neutralizan las bases y viceversa. Los ácidos proporcionan el ion H +; las bases proporcionan el ion OH; y estos iones se combinan para formar agua.
H + (aq) + OH- (aq) H2O (l)
La teoría de Arrhenius tiene varias desventajas .
- Se puede aplicar solo a reacciones que ocurren en el agua porque define los ácidos y las bases en términos de lo que sucede cuando los compuestos se disuelven en agua.
- No lo hace. Explique por qué algunos compuestos en los que el hidrógeno tiene un número de oxidación de +1 (como el HCl) se disuelven en agua para dar soluciones ácidas, mientras que otros (como el CH4) no.
- Solo los compuestos que contienen el ion OH- pueden clasificarse como bases de Arrhenius. La teoría de Arrhenius no puede explicar por qué otros compuestos (como el Na2CO3) tienen las propiedades características de las bases.
El papel de los iones H + y OH en la química de las soluciones acuosas
Dado que el oxígeno (EN = 3.44) es mucho más electronegativo que el hidrógeno (EN = 2.20), los electrones en los enlaces HO en el agua no son «t compartido por igual por los átomos de hidrógeno y oxígeno. Estos electrones son atraídos hacia el átomo de oxígeno en el centro de la molécula y lejos de los átomos de hidrógeno en el extremo. Como resultado, la molécula de agua es polar. El átomo de oxígeno tiene una carga parcial negativa (-) y los átomos de hidrógeno una carga parcial positiva (+).
Cuando se disocian a forman iones, las moléculas de agua forman un ion H + cargado positivamente y un ion OH- cargado negativamente.
La reacción opuesta también puede ocurrir. Los iones H + pueden combinarse con los iones OH- para formar moléculas de agua neutras.
El hecho de que las moléculas de agua se disocian para formar iones H + y OH-, que luego pueden recombinarse para formar moléculas de agua, se indica mediante la siguiente ecuación.
¿Hasta qué punto se disocia el agua para formar iones?
A 25 ° C, la densidad del agua es 0,9971 g / cm3 o 0,9971 g / mL. La concentración de agua es, por tanto, 55,35 molar.
La concentración de los iones H + y OH- formados por la disociación de moléculas de H2O neutras a esta temperatura es solo 1.0 x 10-7 mol / L. La relación entre la concentración del ion H + (o OH-) y la concentración de las moléculas neutras de H2O es, por tanto, 1,8 x 10-9.
En otras palabras, solo alrededor de 2 partes por billón (ppb) de las moléculas de agua se disocian en iones a temperatura ambiente. La siguiente figura muestra un modelo de 20 moléculas de agua, una de las cuales se ha disociado para formar un par de iones H + y OH. Si esta ilustración fuera una fotografía de muy alta resolución de la estructura del agua, encontraríamos un par de iones H + y OH- en un promedio de solo una vez por cada 25 millones de fotografías de este tipo.
La definición operativa de ácidos y Bases
El hecho de que el agua se disocie para formar iones H + y OH-en una reacción reversible es la base para una definición operativa de ácidos y bases que es más potente que las definiciones propuestas por Arrhenius. En un sentido operativo, un ácido es cualquier sustancia que aumenta la concentración del ión H + cuando se disuelve en agua. Una base es cualquier sustancia que aumenta la concentración del ion OH- cuando se disuelve en agua.
Estas definiciones vinculan la teoría de los ácidos y las bases con una simple prueba de laboratorio para ácidos y bases. Para decidir si un compuesto es un ácido o una base, lo disolvemos en agua y probamos la solución para ver si la concentración de iones H + u OH ha aumentado.
Ácidos y bases típicos
Las propiedades de los ácidos y las bases resultan de las diferencias entre la química de los metales y no metales, como puede verse en la química de estas clases de compuestos: hidrogne, óxidos e hidróxidos.
Los compuestos que contienen hidrógeno unido a un no metal se denominan hidruros no metálicos. Debido a que contienen hidrógeno en el estado de oxidación +1, estos compuestos pueden actuar como una fuente del ion H + en el agua.
Los hidruros metálicos, por otro lado, contienen hidrógeno unido a un metal. Debido a que estos compuestos contienen hidrógeno en estado de oxidación a-1, se disocian en agua para dar el ion H- (o hidruro).
El ion H-, con su par de electrones de valencia, puede extraer un ion H + de una molécula de agua.
Dado que eliminar iones H + de las moléculas de agua es una forma de aumentar la concentración de iones OH- en una solución, los hidruros metálicos son bases.
Se puede encontrar un patrón similar en la química de los óxidos formados por metales y no metales. Los óxidos no metálicos se disuelven en agua para formar ácidos. El CO2 se disuelve en agua para dar ácido carbónico, el SO3 da ácido sulfúrico y el P4O10 reacciona con el agua para dar ácido fosfórico.
Óxidos metálicos , por otro lado, son bases. Los metaloxidos contienen formalmente el ión O2-, que reacciona con el agua para dar un par de iones OH-.
Por lo tanto, los óxidos metálicos se ajustan a la definición operativa de abase.
Vemos el mismo patrón en la química de los compuestos que contienen el 
OH, o hidróxido, grupo. Los hidróxidos metálicos, como LiOH, NaOH, KOH y Ca (OH) 2, son bases.
Hidróxidos no metálicos, como el ácido hipocloroso (HOCl), son ácidos.
La siguiente tabla resume las tendencias observadas en estas tres categorías de compuestos. Los hidruros metálicos, los óxidos metálicos y los hidróxidos metálicos son bases. Los hidruros no metálicos, los óxidos no metálicos y los hidróxidos no metálicos son ácidos.
Ácidos y bases típicos
Los átomos de hidrógeno ácido de los hidróxidos no metálicos de la tabla anterior no están unidos al nitrógeno, átomos de azufre o fósforo. En cada uno de estos compuestos, el hidrógeno ácido está unido a un átomo de oxígeno. Por lo tanto, estos compuestos son ejemplos de oxiácidos.
Las estructuras del esqueleto de ocho oxiácidos se muestran en la figura siguiente. , los ácidos que contienen oxígeno tienen estructuras de esqueleto en las que los hidrógenos ácidos están unidos a los átomos de oxígeno.
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EN = 2.5). Como resultado, los electrones en el NaObond no se comparten por igual 
| H2O (l) | + | H2O (l) |  |
H3O + (aq) | + OH- (aq) |
| ácido | base |
- Los ácidos reaccionan con el agua donando un ion H + a una molécula de agua neutra para formar el ion H3O +.
| HCl (g) | + | H2O (l) | |
H3O + (aq) | + Cl- (aq) | |
| ácido | base |
- Las bases reaccionan con el agua al aceptar un ion H + de una molécula de agua para formar el ion OH-.
| NH3 (aq) | + | H2O (l) | |
NH4 + (aq) | + OH- (aq) |
| base | ácido |
- Las moléculas de agua pueden actuar como intermediarios en las reacciones ácido-base al obtener iones H + del ácido
| HCl (g) | + | H2O (l) | |
H3O + (aq) | + Cl- (aq) |
y luego perdiendo estos iones H + en la base.
| NH3 (aq) | + | H3O + (aq) | |
NH4 + (aq) | + H2O (l) |
El modelo de Brnsted puede extenderse a reacciones ácido-base en otros disolventes. Por ejemplo, hay una pequeña tendencia en el amoníaco líquido a que un ion H + se transfiera de una molécula de NH3 a otra para formar los iones NH4 + y NH2-.
| 2 NH3 | |
NH4 + | + NH2- |
Por analogía con la química de las soluciones acuosas , concluimos que los ácidos en el amoníaco líquido incluyen cualquier fuente del ion NH4 + y que las bases incluyen cualquier fuente del ion NH2.
El modelo de Brnsted puede incluso extenderse a reacciones que no ocurren en solución. Un ejemplo clásico de una reacción ácido-base en fase gaseosa se encuentra cuando recipientes abiertos de ácido clorhídrico concentrado y amoníaco acuoso se colocan uno al lado del otro. . Pronto se forma una nube blanca de cloruro de amonio cuando el gas HCl que escapa de una solución reacciona con el gas NH3 de la otra.
| HCl (g) | + NH3 (g) | |
NH4Cl (s) |
Esta reacción implica la transferencia de un ion H + de HCl a NH3 y, por lo tanto, es una reacción ácido-base de Brnsted, aunque se produzca en fase gaseosa.