REACCIONES DE TRANSFERENCIA DE PROTONES.

EQUILIBRIO ACIDO - BASE EN MEDIO ACUOSO.

FUERZA DE ACIDOS Y BASES.

• Los ácidos, las bases y las sales son indispensables en un gran número de campos de la actividad industrial, y en el desarrollo de la técnica y ciencias: fabricación de fertilizantes, producción del acero, tratamientos del agua, producción de detergentes, papel, textiles, manufactura del vidrio, fabricación de explosivos, de plásticos, etc.

• Por su relación con la agricultura se pueden destacar por su papel en la fabricación de fertilizantes:

• Ácidos: ácido sulfúrico (H2SO4) , ácido fosfórico (H3PO4), ácido nítrico (HNO3),

• Bases: amoniaco (NH3) , potasa (KOH)

• Sales: nitrato amónico (NH4NO3), sulfato amónico ((NH4)2SO4), carbonato potásico (K2CO3) carbonato cálcico (CaCO3).

Conceptos de ácidos y bases• Los conceptos de ácido y de base han sido definidos y

ampliados a lo largo del tiempo. Vamos a señalar algunas de las definiciones dadas:

1689, Robert Boyle observa algunas de las propiedades de ácidos y bases:

» los ácidos disuelven muchas sustancias» cambian de color algunos tintes» pierden sus propiedades al mezclarse con los álcalis

1814, Gay-Lussac concluye que los ácidos neutralizan a las bases.

1884, August Arrhenius, químico y físico sueco, propone la teoría de la disociación electrolítica. Esta teoría

permite formular la teoría de las relaciones ácido-base. Considerando la disolución en agua.

H+

OH-

TEORIA DE LA DISOCIACION ELECTROLITICA

Arrhenius estableció la teoría de la disociación electrolítica para los electrolitos y se basa en lo siguiente:

• Los electrolitos en disolución o fundidos se disocian parcialmente en iones con cargas eléctricas, de tal forma que las cargas positivas totales sean iguales a las cargas negativas totales.

• Los iones son átomos o grupos de átomos con carga eléctrica positiva para los metales y carga eléctrica negativa para los no metales o radicales no metálicos. Estos radicales permanecen sin modificaciones para compuestos químicamente análogos.

• Los iones actúan independientemente unos de otros y de las moléculas no disociadas y son diferentes en sus propiedades físicas y químicas.

• La disociación electrolítica es un proceso reversible, es decir, los iones pueden reagruparse para formar nuevamente la molécula. A mayor dilución de la disolución el reagrupamiento de los iones se hace más difícil, porque están más alejados. En disoluciones muy diluidas, prácticamente todas las moléculas se han disociado y esto explica el hecho de que el factor i tome valores enteros positivos en estas disoluciones

Arrhenius, propuso definiciones de acuerdo a los iones que las especies liberan en disolución acuosa:

– Acidos son sustancias que dan iones hidrógeno, H+

– Bases son sustancias que dan iones hidroxilo, OH-

– Sales son sustancias que dan iones distintos de los anteriores.

• Distingue las sales ácidas, cuando la sal da un catión un anión y además H+ (p.ej. NaHCO3 carbonato hidrógeno de sodio, o bicarbonato sódico)

• Y, las sales básicas, cuando da un catión un anión y además da OH-, (p.ej. Cu (OH)Cl hidroxi cloruro de cobre (II).)

• La neutralización la define como la combinación de H+ y OH- para generar agua.

• 1923, Johannes N. Brönsted químico danés y Thomas M. Lowry químico inglés, propusieron en forma independiente definiciones más generales de ácidos y bases, ampliando los conceptos existentes. Considerando para ello sustancias disueltas en disolventes diferentes al agua.

• Según Brönsted y Lowry :– Acidos son especies dadoras de protones, éstos pueden pasar seguidamente a moléculas de agua, formándose H3O+

– Bases son especies que reciben protones del agua u otra sustancia en disolución.

• Las definiciones de Bronsted y Lowry son válidas sin importar el disolvente que se utilice para preparar la disolución de un ácido ó base. De acuerdo con este concepto, tanto los iones como las moléculas sin carga pueden ser ácidos ó bases.

Las reacciones pueden describirse en términos de pares conjugados.

El ácido y su base conjugada constituyen un sistema conjugado. Ácido y base se diferencian en un protón. Puede representarse:

ácido base conjugada + protón

El protón no tiene existencia libre y debe pasar a otra base. En consecuencia se establece un equilibrio en un doble sistema conjugado:

Ácido 1 + base 2 ácido 2 + base 1

Una misma sustancia puede actuar como ácido y como base, por ejemplo el H2O.

El agua juega el papel de base en las disoluciones acuosas de ácidos.

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O+ (ácido) (base) (base conjugada) (ácido conjugado)

En las disoluciones acuosas de bases, la base es la que acepta un protón, el agua actúa como ácido cediendo un protón.

NH3 + H2O NH4+ + OH-

(base) (ácido) (ácido conjugado) (base conjugada)

La reacción de transferencia de un protón de un ácido a una base se conoce como protólisis.

1923, G. N. Lewis químico norteamericano, amplia el concepto de ácido y base a reacciones en las que no hay transferencia de protones.Introduciendo con esto el concepto: mecanismos de reacción en química orgánica.

Para Lewis,– Acido es una sustancia que puede aceptar un par de electrones. Es lo que hemos llamado electrófilo.– Base es una sustancia que puede donar, o compartir, un par de electrones. Es lo que hemos llamado nucleófilo.

BF3 + F- ( BF4 )-

(ácido) (base)

Ag+ + 2 CN- [Ag (CN)2 ]-

(ácido) (base)

• El ácido debe tener su octeto incompleto, y la base debe tener un par de electrones sin compartir.

• La unión del ácido y la base corresponde a la formación de un enlace coordinado o dativo. Muchas reacciones orgánicas se explican por este comportamiento ácido (electrófilo) o básico (nucleófilo).

• En disolución acuosa o en disolventes hidrogenados como el amoniaco líquido, o los alcoholes, no es necesario recurrir a esta teoría, y se emplea la teoría de Brönsted y Lowry.

EQUILIBRIOS ACIDO BASE EN DISOLUCIÓN ACUOSA

Para el equilibrio químico que se produce en la disociación de un ácido, en disolución acuosa, se puede escribir la siguiente ecuación química general:

AH + H2O A- + H3O+

La constante de equilibrio recibe el nombre de constante de acidez, Ka

[A-] [H3O+]Ka = ------------------

[AH]

En ella está incluida la concentración del agua líquida pura, que es constante.

El valor de Ka nos informa de la fuerza del ácido

• Los ácidos fuertes son los que están completamente disociados, se trata de un proceso irreversible, y por tanto no hay equilibrio. El valor de Ka es un valor muy grande.

HCl H+(ac) + Cl-(ac)

Ka del orden de 1050

• En disolución acuosa se comportan como ácidos fuertes: ácido clorhídrico (HCl), ácido bromhídrico (HBr), ácido yodhídrico (HI), ácido perclórico (HClO4), ácido nítrico (HNO3), ácido sulfúrico (H2SO4 en su primera disociación).

Cuando la disociación es parcial, el proceso de disociación es reversible, y se alcanza un equilibrio dinámico en el que se puede calcular la constante de acidez a partir de los datos de concentración de las especies química que participan en el equilibrio.

El valor numérico de Ka nos informa de la fuerza del ácido. Los ácidos moderadamente débiles presentan Ka del orden de 10–2 o 10–3, los ácidos débiles presentan Ka del orden de 10–5, los ácidos muy débiles pueden presentar Ka del orden de 10–10

Son ácidos débiles:

• - Acido acético CH3 COOH Ka = 1,8 . 10-5

• - Acido benzoico C6H5COOH Ka = 6,3 . 10-5

• - Acido fórmico HCOOH Ka = 2,1 . 10-4

• - Acido fosfórico H3PO4 Ka1= 7,11. 10-3

Para el equilibrio químico que se produce en la disociación de una base, que contiene grupos hidroxilos, en disolución acuosa se puede escribir la siguiente ecuación química general:

BOH + H2O B+ + HO- + H2O

El agua interviene sólo como disolvente.

La constante de equilibrio recibe el nombre de constante de basicidad, Kb

[B+] [HO-] Kb = -----------------

[BOH]

Si la base no contiene grupos OH, puede escribirse la siguiente ecuación química:

B + H2O BH+ + HO-

El agua interviene proporcionando los protones a la base.

En Kb está incluida la concentración del agua líquida pura, que es constante.

El valor de Kb nos informa de la fuerza de la base.

Las base fuertes son las que están completamente disociadas, se trata de un proceso irreversible, y por tanto no hay equilibrio, y la Kb no existe.

En disolución acuosa se comportan como bases fuertes: los hidróxidos alcalinos y alcalinotérreos : hidróxidos de litio, sodio, potasio, calcio, estroncio y bario.