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soluciones saturadas

16.2: Ácidos y bases Brønsted – Lowry

                 

 

Objetivos de aprendizaje

 

         

  • Identificar ácidos, bases y conjugar pares ácido-base de acuerdo con la definición de Brønsted-Lowry

    •      

  • Escribe ecuaciones para reacciones de ionización de ácido y base

    •      

  • Utilice la constante de producto iónico para el agua para calcular las concentraciones de iones hidronio e hidróxido

    •      

  • Describa el comportamiento ácido-base de las sustancias anfibróticas

    •  

 

 

Los ácidos y las bases se conocen desde hace mucho tiempo. Cuando Robert Boyle los caracterizó en 1680, observó que los ácidos disuelven muchas sustancias, cambian el color de ciertos tintes naturales (por ejemplo, cambian el tornasol de azul a rojo) y pierden estas propiedades características después de entrar en contacto con los álcalis (bases). En el siglo XVIII, se reconoció que los ácidos tienen un sabor agrio, reaccionan con la piedra caliza para liberar una sustancia gaseosa (ahora conocida como CO 2 ) 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 componente esencial de los ácidos. Por esa misma época, Joseph Louis Gay-Lussac concluyó que los ácidos son sustancias que pueden neutralizar las bases y que estas dos clases de sustancias solo pueden definirse entre sí. El significado del hidrógeno fue enfatizado 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 hidronio) y una base como un compuesto que se disuelve en agua para producen aniones de hidróxido.

 

Anteriormente, definimos ácidos y bases como lo hizo Arrhenius: un ácido es un compuesto que se disuelve en agua para producir iones de hidronio ( (H_3O ^ + )) y una base como un compuesto que se disuelve en agua para producir iones de hidróxido ( ( ce {OH -} )). Esta definición no está mal; Es simplemente limitado. Ampliamos la definición de un ácido o una base utilizando la definición más general propuesta en 1923 por el químico danés Johannes Brønsted y el químico inglés Thomas Lowry. Su definición se centra en el protón, ( ce {H ^ +} ). Un protón es lo que queda cuando un átomo de hidrógeno normal, ( ce {^ 1_1H} ), pierde un electrón. Un compuesto que dona un protón a otro compuesto se llama ácido Brønsted-Lowry, y un compuesto que acepta un protón se llama base Brønsted-Lowry. Una reacción ácido-base es la transferencia de un protón de un donante de protones (ácido) a un aceptor de protones (base). En un capítulo posterior de este texto, presentaremos el modelo más general de comportamiento ácido-base presentado por el químico estadounidense G. N. Lewis.

 

Los ácidos pueden ser compuestos como (HCl ) o (H_2SO_4 ), ácidos orgánicos como el ácido acético ( ( ce {CH_3COOH} )) o ácido ascórbico (vitamina C) o (H_2O ) Aniones (como ( ce {HSO_4 ^ -} ), ( ce {H_2PO_4 ^ -} ), ( ce {HS ^ -} ) y ( ce {HCO_3 ^ -} )) y cationes (como ( ce {H_3O ^ +} ), ( ce {NH_4 ^ +} ) y ( ce {[Al (H_2O) _6] ^ {3+} } )) también puede actuar como ácidos. Las bases se dividen en las mismas tres categorías. Las bases pueden ser moléculas neutras (como ( ce {H_2O} ), ( ce {NH_3} ) y ( ce {CH_3NH_2} )), aniones (como ( ce {OH ^ -} ), ( ce {HS ^ -} ), ( ce {HCO_3 ^ -} ), ( ce {CO_3 ^ {2 -}} ), ( ce { F ^ -} ), y ( ce {PO_4 ^ {3 -}} )), o cationes (como ( ce {[Al (H_2O) _5OH] ^ {2 +}} )) . Las bases más conocidas son compuestos iónicos como ( ce {NaOH} ) y ( ce {Ca (OH) _2} ), que contienen el ion hidróxido, ( ce {OH ^ -} ) . El ion hidróxido en estos compuestos acepta un protón de los ácidos para formar agua:

 

[ ce {H ^ + + OH ^ – rightarrow H_2O} label {16.2.1} ]

 

Llamamos al producto que queda después de que un ácido dona un protón la base conjugada del ácido. Esta especie es una base porque puede aceptar un protón (para volver a formar el ácido):

 

[ text {acid} rightleftharpoons text {proton} + text {conjugate base} label {16.2.2a} ]

 

[ ce {HF rightleftharpoons H ^ + + F ^ -} label {16.2.2b} ]

 

[ ce {H_2SO_4 rightleftharpoons H ^ + + HSO_4 ^ {-}} label {16.2.2c} ]

 

[ ce {H_2O rightleftharpoons H ^ + + OH ^ -} label {16.2.2d} ]

 

[ ce {HSO_4 ^ – rightleftharpoons H ^ + + SO_4 ^ {2 -}} label {16.2.2e} ]

 

[ ce {NH_4 ^ + rightleftharpoons H ^ + + NH_3} label {16.2.2f} ]

 

Llamamos al producto que resulta cuando una base acepta un protón, el ácido conjugado de la base . Esta especie es un ácido porque puede ceder un protón (y así volver a formar la base):

 

[ text {base} + text {proton} rightleftharpoons text {conjugate acid} label {16.2.3a} ]

 

[ ce {OH ^ – + H ^ + rightleftharpoons H2O} label {16.2.3b} ]

 

[ ce {H_2O + H ^ + rightleftharpoons H3O +} label {16.2.3c} ]

 

[ ce {NH_3 + H ^ + rightleftharpoons NH4 +} label {16.2.3d} ]

 

[ ce {S ^ {2-} + H ^ + rightleftharpoons HS -} label {16.2.3e} ]

 

[ ce {CO_3 ^ {2-} + H ^ + rightleftharpoons HCO3 -} label {16.2.3f} ]

 

[ ce {F ^ – + H ^ + rightleftharpoons HF} label {16.2.3g} ]

 

En estos dos conjuntos de ecuaciones, los comportamientos de los ácidos como donantes de protones y las bases como aceptores de protones se representan de forma aislada. En realidad, todas las reacciones ácido-base implican la transferencia de protones entre ácidos y bases. Por ejemplo, considere la reacción ácido-base que tiene lugar cuando el amoniaco se disuelve en agua. Una molécula de agua (que funciona como un ácido) transfiere un protón a una molécula de amoníaco (que funciona como una base), produciendo la base conjugada de agua, ( ce {OH ^ -} ), y el ácido conjugado de amoníaco, ( ce {NH4 +} ):

 

This figure has three parts in two rows. In the first row, two diagrams of acid-base pairs are shown. On the left, a space filling model of H subscript 2 O is shown with a red O atom at the center and two smaller white H atoms attached in a bent shape. Above this model is the label “H subscript 2 O (acid)” in purple. An arrow points right, which is labeled “Remove H superscript plus.” To the right is another space filling model with a single red O atom to which a single smaller white H atom is attached. The label in purple above this model reads, “O H superscript negative (conjugate base).” Above both of these red and white models is an upward pointing bracket that is labeled “Conjugate acid-base pair.” To the right is a space filling model with a central blue N atom to which three smaller white H atoms are attached in a triangular pyramid arrangement. A label in green above reads “N H subscript 3 (base).” An arrow labeled “Add H superscript plus” points right. To the right of the arrow is another space filling model with a blue central N atom and four smaller white H atoms in a tetrahedral arrangement. The green label above reads “N H subscript 3 superscript plus (conjugate acid).” Above both of these blue and white models is an upward pointing bracket that is labeled “Conjugate acid-base pair.” The second row of the figure shows the chemical reaction, H subscript 2 O ( l ) is shown in purple, and is labeled below in purple as “acid,” plus N H subscript 3 (a q) in green, labeled below in green as “base,” followed by a double sided arrow arrow and O H superscript negative (a q) in purple, labeled in purple as “conjugate base,” plus N H subscript 4 superscript plus (a q)” in green, which is labeled in green as “conjugate acid.” The acid on the left side of the equation is connected to the conjugate base on the right with a purple line. Similarly, the base on the left is connected to the conjugate acid on the right side.

 

La reacción entre un ácido de Brønsted-Lowry y el agua se llama ionización de ácido . Por ejemplo, cuando el fluoruro de hidrógeno se disuelve en agua e ioniza, los protones se transfieren de las moléculas de fluoruro de hidrógeno a las moléculas de agua, produciendo iones hidronio e iones fluoruro:

 

This figure has two rows. In both rows, a chemical reaction is shown. In the first, structural formulas are provided. In this model, in purple, an H atom is connected to an F atom with a single bond. The F atom has pairs of electron dots at the top, right, and bottom. This is followed by a plus sign, which is followed in green by an O atom which has H atoms singly bonded above and to the right. The O atom has pairs of electron dots on its left and lower sides. A double arrow follows. To the right, in brackets is a structure with a central O atom in green, with green H atoms singly bonded above and to the right. A pair of green electron dots is on the lower side of the O atom. To the left of the green O atom, a purple H atom is singly bonded. This is followed by a plus sign and an F atom in purple with pairs of electron dots above, right, below, and to the left. This atom also has a superscript negative sign. The reaction is written in symbolic form below. H F is labeled in purple below as “Acid subscript 1.” This is followed by plus H subscript 2 O, which is labeled in green below as “Base subscript 2.” A double sided arrow follows. To the right is H subscript 3 O superscript plus, which is labeled in green as below in as “Acid subscript 2.” This is followed by plus and F surrounded by 4 pairs of dots and superscript negative. The label below in purple reads, “Base subscript 1.” To the right of the reactions is the formula, K subscript a equals left bracket H subscript 3 O superscript plus right bracket left bracket F superscript negative right bracket all over left bracket H F right bracket.

 

Cuando agregamos una base al agua, se produce una reacción de ionización de bases en la que los protones se transfieren de las moléculas de agua a las moléculas de la base. Por ejemplo, al agregar piridina al agua se obtienen iones de hidróxido e iones de piridinio:

 

<div data-mt-source="1"><img decoding="async" alt="This figure has two rows. In both rows, a chemical reaction is shown. In the first, structural formulas are provided. In this model, in purple, O atom which has H atoms singly bonded above and to the right. The O atom has pairs of electron dots on its left and lower sides. This is followed by a plus sign, which is followed in green by an O atom which has H atoms singly bonded above and to the right. The O atom has pairs of electron dots on its left and lower sides. A double arrow follows. To the right, in brackets is a structure with a central O atom in green, with green H atoms singly bonded above and to the right. A pair of green electron dots is on the lower side of the O atom. To the left of the green O atom, a purple H atom is singly bonded. Outside the brackets to the right is a superscript plus. This is followed by a plus sign and an O atom in purple with pairs of electron dots above, left, and below. An H atom is singly bonded to the right. This atom has a superscript negative sign. The reaction is written in symbolic form below. H subscript 2 O is labeled in purple below as “Acid subscript 1.” This is followed by plus H subscript 2 O, which is labeled in green below as “Base subscript 2.” A double sided arrow follows. To the right is H subscript 3 O superscript plus, which is labeled in green as below in as “Acid subscript 2.” This is followed by plus and O with pairs of dots above, below, and to the left with a singly bonded H on the right with a superscript negative. The label below in purple reads, “ Base subscript 1.”" data-cke-saved-src="http://cnx.org/resources/e01f62e2ee3d38a3a4064f62537f498b8caf0f4b/CNX_Chem_14_01_Water_img.jpg" src="data:image/svg+xml,%3Csvg%20xmlns=

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Observe que ambas reacciones de ionización se representan como procesos de equilibrio. El grado relativo en el que se producen estas reacciones de ionización de ácido y base es un tema importante tratado en una sección posterior de este capítulo. En los párrafos anteriores vimos que el agua puede funcionar como ácido o como base, dependiendo de la naturaleza del soluto disuelto en ella. De hecho, en agua pura o en cualquier solución acuosa, el agua actúa como ácido y como base. Una fracción muy pequeña de moléculas de agua dona protones a otras moléculas de agua para formar iones hidronio e iones hidróxido:

 

This figure has two rows. In both rows, a chemical reaction is shown. In the first, structural formulas are provided. In this model, in purple, O atom which has H atoms singly bonded above and to the right. The O atom has pairs of electron dots on its left and lower sides. This is followed by a plus sign, which is followed in green by an O atom which has H atoms singly bonded above and to the right. The O atom has pairs of electron dots on its left and lower sides. A double arrow follows. To the right, in brackets is a structure with a central O atom in green, with green H atoms singly bonded above and to the right. A pair of green electron dots is on the lower side of the O atom. To the left of the green O atom, a purple H atom is singly bonded. Outside the brackets to the right is a superscript plus. This is followed by a plus sign and an O atom in purple with pairs of electron dots above, left, and below. An H atom is singly bonded to the right. This atom has a superscript negative sign. The reaction is written in symbolic form below. H subscript 2 O is labeled in purple below as “Acid subscript 1.” This is followed by plus H subscript 2 O, which is labeled in green below as “Base subscript 2.” A double sided arrow follows. To the right is H subscript 3 O superscript plus, which is labeled in green as below in as “Acid subscript 2.” This is followed by plus and O with pairs of dots above, below, and to the left with a singly bonded H on the right with a superscript negative. The label below in purple reads, “ Base subscript 1.”

 

Este tipo de reacción, en la que una sustancia se ioniza cuando una molécula de la sustancia reacciona con otra molécula de la misma sustancia, se conoce como autoionización . El agua pura se somete a autoionización en un grado muy leve. Solo alrededor de dos de cada (10 ​​^ 9 ) moléculas en una muestra de agua pura se ionizan a 25 ° C. La constante de equilibrio para la ionización del agua se llama constante del producto iónico para el agua ( K w ):

 

[ ce {H_2O} _ {(l)} + ce {H_2O} _ {(l)} rightleftharpoons ce {H_3O ^ +} _ {(aq)} + ce {OH ^ – } _ {(aq)} ; ; ; K_ ce {w} = ce {[H_3O ^ +] [OH ^ -]} label {16.2.4} ]

 

La ligera ionización del agua pura se refleja en el pequeño valor de la constante de equilibrio; a 25 ° C, Kw tiene un valor de (1.0 times 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 de (K_ ce {w} ) es aproximadamente (5.1 veces 10 ^ {- 13} ), aproximadamente 100 veces mayor que el valor a 25 ° C.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {1} ): Concentraciones de iones en agua pura

 

¿Cuáles son la concentración de iones hidronio y la concentración de iones hidróxido en agua pura a 25 ° C?

 

Solución

 

La autoionización del agua produce el mismo número de iones hidronio e hidróxido. Por lo tanto, en agua pura, ( ce {[H_3O ^ +]} = ce {[OH ^ -]} ). A 25 ° C:

 

[K_ ce {w} = ce {[H_3O ^ +] [OH ^ -]} = ce {[H_3O ^ +] ^ 2 +} = ce {[OH ^ -] ^ 2 +} = 1.0 veces 10 ^ {- 14} ]

 

Entonces:

 

[ ce {[H_3O ^ +]} = ce {[OH ^ -]} = sqrt {1.0 times 10 ^ {- 14}} = 1.0 times 10 ^ {- 7} ; M ]

 

La concentración de iones hidronio y la concentración de iones hidróxido son las mismas, y encontramos que ambas son iguales a (1.0 multiplicado por 10 ^ {- 7} ; M ).

 

 

 

Ejercicio ( PageIndex {1} )

 

 

El producto iónico del agua a 80 ° C es (2.4 times 10 ^ {- 13} ). ¿Cuáles son las concentraciones de iones hidronio e hidróxido en agua pura a 80 ° C?

 

  Respuesta
 

 

 

( ce {[H_3O ^ +]} = ce {[OH ^ -]} = 4.9 veces 10 ^ {- 7} ; M )

 

 

Es importante darse cuenta de que el equilibrio de autoionización para el agua se establece en todas las soluciones acuosas. Agregar un ácido o una base al agua no cambiará la posición del equilibrio. El ejemplo 16.2.2 demuestra los aspectos cuantitativos de esta relación entre las concentraciones de iones hidronio e hidróxido.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {2} ): La proporcionalidad inversa de ( ce {[H_3O ^ +]} ) y ( ce {[OH ^ -]} )

 

Una solución de dióxido de carbono en el agua tiene una concentración de iones hidronio de (2,0 veces 10 ^ {- 6} ; M ). ¿Cuál es la concentración de ion hidróxido a 25 ° C?

 

Solución

 

Conocemos el valor de la constante del producto iónico para el agua a 25 ° C:

 

[ ce {2 H_2O} _ {(l)} rightleftharpoons ce {H_3O ^ +} _ {(aq)} + ce {OH ^ -} _ {(aq)} ] [19459014 ]

 

[K_ ce {w} = ce {[H3O +] [OH ^ -]} = 1.0 veces 10 ^ {- 14} ]

 

Por lo tanto, podemos calcular la concentración de equilibrio faltante.

 

La reordenación de la expresión K w produce que ([ ce {OH ^ -}] ) es directamente proporcional al inverso de [H 3 [ 19459013] O + ]:

 

[[ ce {OH ^ -}] = dfrac {K _ { ce w}} {[ ce {H_3O ^ +}]} = dfrac {1.0 veces 10 ^ {- 14}} {2.0 times 10 ^ {- 6}} = 5.0 times 10 ^ {- 9} ]

 

La concentración de iones de hidróxido en el agua se reduce a (5.0 veces 10 ^ {- 9} : M ) a medida que la concentración de iones de hidrógeno aumenta a (2.0 veces 10 ^ {- 6} ; M ) Esto se espera del principio de Le Chatelier; la reacción de autoionización se desplaza hacia la izquierda para reducir el estrés del aumento de la concentración de iones hidronio y la ( ce {[OH ^ -]} ) se reduce en relación con la del agua pura.

 

Una comprobación de estas concentraciones confirma que nuestra aritmética es correcta:

 

[K_ ce {w} = ce {[H_3O ^ +] [OH ^ -]} = (2.0 veces 10 ^ {- 6}) (5.0 veces 10 ^ {- 9}) = 1.0 veces 10 ^ {- 14} ]

 

 

 

Ejercicio ( PageIndex {2} )

 

 

¿Cuál es la concentración de iones hidronio en una solución acuosa con una concentración de iones hidróxido de 0.001 M a 25 ° C?

 

  Respuesta:
 

 

 

[ ce {[H3O +]} = 1 por 10 ^ {- 11} M ]

 

 

Especies anfibróticas

 

Al igual que el agua, muchas moléculas e iones pueden ganar o perder un protón en las condiciones adecuadas. Dichas especies se dice que son anfibróticas . Otro término usado para describir tales especies es anfótero , que es un término más general para una especie que puede actuar como un ácido o una base por cualquier definición (no solo la de Brønsted-Lowry). Considere, por ejemplo, el ion bicarbonato, que puede donar o aceptar un protón como se muestra aquí:

 

[ ce {HCO ^ -} _ {3 (aq)} + ce {H_2O} _ {(l)} rightleftharpoons ce {CO ^ {2 -}} _ {3 (aq)} + ce {H_3O ^ +} _ {(aq)} label {16.2.5a} ]

 

[ ce {HCO ^ -} _ {3 (aq)} + ce {H_2O} _ {(l)} rightleftharpoons ce {H_2CO} _ {3 (aq)} + ce { OH ^ -} _ {(aq)} label {16.2.5b} ]

 

 

 

Ejemplo ( PageIndex {3} ): El comportamiento ácido-base de una sustancia anfótera

 

Escribe ecuaciones separadas que representen la reacción de ( ce {HSO3 -} )

 

         

  1. como un ácido con ( ce {OH ^ -} )

    2.      

  2. como base con HI

    3.  

 

Solución

 

         

  1. (HSO_ {3 (aq)} ^ – + OH _ {(aq)} ^ – rightleftharpoons SO_ {3 (aq)} ^ {2-} + H_2O _ {(l)} )

    2.      

  2. (HSO_ {3 (aq)} ^ – + HI _ {(aq)} rightleftharpoons H_2SO_ {3 (aq)} + I _ {(aq)} ^ – )

    3.  

 

 

 

Ejemplo ( PageIndex {4} )

 

 

Escribe ecuaciones separadas que representen la reacción de ( ce {H2PO4 -} )

 

         

  1. como base con HBr

    2.      

  2. como un ácido con ( ce {OH ^ -} )

    3.  

 

  Respuesta

 

         

  1. (H_2PO_ {4 (aq)} ^ – + HBr _ {(aq)} rightleftharpoons H_3PO_ {4 (aq)} + Br ^ -_ {(aq)} )

    2.      

  2. (H_2PO_ {4 (aq)} ^ – + OH ^ -_ {(aq)} rightleftharpoons HPO_ {4 (aq)} ^ {2-} + H_2O _ {(l)} )

    3.  

 

 

 

 

Resumen

 

Un compuesto que puede donar un protón (un ion de hidrógeno) a otro compuesto se llama ácido Brønsted-Lowry. El compuesto que acepta el protón se llama base Brønsted-Lowry. La especie que queda después de que un ácido de Brønsted-Lowry ha perdido un protón es la base conjugada del ácido. La especie formada cuando una base Brønsted-Lowry gana un protón es el ácido conjugado de la base. Así, una reacción ácido-base ocurre cuando un protón se transfiere de un ácido a una base, con la formación de la base conjugada del ácido reactivo y la formación del ácido conjugado de la base reactiva. Las especies anfibróticas pueden actuar como donantes de protones y aceptores de protones. El agua es la especie anfibrótica más importante. Puede formar tanto el ion hidronio, H 3 O + , como el ion hidróxido, ( ce {OH ^ -} ) cuando se somete a autoionización:

 

[ ce {2 H_2O} _ {(l)} rightleftharpoons H_3O ^ + _ {(aq)} + OH ^ -_ {(aq)} ]

 

El producto iónico del agua, K w es la constante de equilibrio para la reacción de autoionización:

 

[K_ ce {w} = mathrm {[H_2O ^ +] [OH ^ -] = 1.0 veces 10 ^ {- 14} ; a; 25 ° C} ]

 

 

 

Ecuaciones clave

 

         

  • [K _ { ce w} = ce {[H3O +] [OH ^ -]} = 1.0 veces 10 ^ {- 14} textrm {(a 25 ° C)} ]

    •  

 

 

Glosario

 

     

ionización ácida

     

reacción que implica la transferencia de un protón de un ácido al agua, produciendo iones hidronio y la base conjugada del ácido

 

 

     

anfibrótico

     

especies que pueden ganar o perder un protón en una reacción

 

 

     

anfótero

     

especies que pueden actuar como ácido o como base

 

 

     

autoionización

     

reacción entre especies idénticas que producen productos iónicos; para el agua, esta reacción implica la transferencia de protones para producir iones hidronio e hidróxido

 

 

     

ionización base

     

reacción que implica la transferencia de un protón del agua a una base, produciendo iones de hidróxido y el ácido conjugado de la base

 

 

     

Ácido Brønsted-Lowry

     

donante de protones

 

 

     

Base Brønsted-Lowry

     

aceptor de protones

 

 

     

ácido conjugado

     

sustancia formada cuando una base gana un protón

 

 

     

base conjugada

     

sustancia formada cuando un ácido pierde un protón

 

 

     

constante de producto iónico para agua ( K w )

     

constante de equilibrio para la autoionización del agua

 

 

                    
             

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