Ácidos y bases en la vida y la industria
Lo que vas a aprender
- Explicar la neutralización de un ácido con un hidróxido como la unión de los iones H⁺ y OH⁻ para formar agua, reconocer la del amoníaco, que forma solo una sal, y comprobar que sus ecuaciones están balanceadas.
- Explicar la función del ácido del estómago en la digestión y la del CO₂ de la respiración en la acidez de la sangre.
- Describir el uso de ácidos y bases en la fabricación de fertilizantes, en el cuidado de los suelos y en la limpieza.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Los ácidos y las bases no se quedan en el laboratorio. En este momento tu estómago guarda un ácido fuerte, y cada vez que exhalas sacas de tu cuerpo un gas que, disuelto en la sangre, la volvería más ácida. Los cultivos de papa, café o arroz crecen con fertilizantes que se fabrican con ácidos y bases, y el jabón con que te lavas las manos nació de una base.
En esta lección vas a ver qué hacen los ácidos y las bases en cada uno de esos procesos, y vas a usar una idea que los une a casi todos: la neutralización.
Antes de empezar recuerda que un ácido de Arrhenius libera H⁺ en agua, que una base libera OH⁻ y que una ecuación con iones se balancea en átomos y en carga.
Explicación
La neutralización
Cuando un ácido y una base que es un hidróxido se encuentran en agua, el H⁺ del ácido y el OH⁻ de la base se unen y forman agua: H⁺ + OH⁻ → H₂O. Los otros iones, el negativo del ácido y el positivo de la base, quedan formando una sal. Con el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio:
$$\mathrm{HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O}$$
La sal que se forma aquí es el cloruro de sodio, la sal de cocina. Pero en química «sal» es cualquier compuesto que se forma así, y la mayoría no se comen. Si se mezclan en la cantidad justa, el ácido y la base se neutralizan: la solución queda sin las propiedades de los dos. Cuánto hay que mezclar de cada uno lo calcularás en grados más adelantados; aquí importa la idea.
La digestión en el estómago
Las paredes del estómago producen el jugo gástrico, que contiene ácido clorhídrico, HCl, el mismo de los laboratorios. Ese ácido cumple varias funciones en la digestión:
- deshace la forma de las proteínas de los alimentos, para que se puedan partir en pedazos;
- activa una enzima del estómago que corta esas proteínas;
- destruye muchos de los microbios que llegan con la comida.
El estómago no se daña a sí mismo porque su pared está cubierta por una capa de moco que la protege del ácido. Cuando el alimento pasa al intestino, el páncreas vierte iones bicarbonato, HCO₃⁻, que neutralizan el ácido: H⁺ + HCO₃⁻ → H₂O + CO₂. Así, el intestino trabaja en un medio que ya no es ácido.
La respiración y la acidez de la sangre
Tus células usan el oxígeno para sacar energía de los alimentos y producen dióxido de carbono, CO₂, como desecho. Ese CO₂ viaja por la sangre hasta los pulmones. En el camino, una parte reacciona con el agua y forma ácido carbónico:
$$\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3}$$
y el ácido carbónico libera iones H⁺: H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻. El bicarbonato que queda todavía puede ceder su hidrógeno, HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻, aunque en la sangre casi no lo hace; y también puede aceptar un protón, que es lo que hace en el intestino, donde actúa como base.
Si el CO₂ se acumulara, la sangre se volvería más ácida. Al exhalar, los pulmones sacan el CO₂ del cuerpo, y con eso ayudan a que la acidez de la sangre se mantenga casi constante, que es lo que necesitan las células.
Los fertilizantes y los suelos
Las plantas necesitan nitrógeno, y muchos fertilizantes se lo dan en forma de sales de amonio. Se fabrican en la industria con una neutralización: una base, el amoníaco, NH₃, reacciona con un ácido. Con el ácido nítrico se forma el nitrato de amonio, NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃, y con el ácido sulfúrico, el sulfato de amonio. Con el ácido fosfórico se fabrican fertilizantes que además dan fósforo. En estas neutralizaciones no se forma agua: el NH₃ no trae OH⁻, sino que acepta directamente el protón del ácido y queda la sal de amonio.
El suelo también tiene acidez. En algunas regiones los suelos son demasiado ácidos para ciertos cultivos, y los agricultores les agregan cal, una base, para neutralizar parte de esa acidez. La más usada es la cal agrícola, que es carbonato de calcio, CaCO₃; también se usan la cal viva y la apagada. La cal viva, CaO, con el agua del suelo forma cal apagada: CaO + H₂O → Ca(OH)₂. Cuánta cal se necesita depende del suelo y se calcula con química de grados más adelantados.
La limpieza: el jabón
El jabón se fabrica calentando una grasa o un aceite con una base fuerte, como el hidróxido de sodio o el de potasio. Esa reacción se llama saponificación, y se hace en la industria o con el docente, nunca en casa, porque esas bases queman la piel. El jabón que resulta es básico, con un pH de alrededor de 10.
La molécula de jabón tiene dos partes: una cola larga que se mezcla con la grasa y una cabeza con carga que se mezcla con el agua. Al frotar, las colas rodean las gotas de grasa y las cabezas quedan hacia afuera; el agua se lleva esas gotas envueltas, y con ellas la mugre.
Los ácidos también limpian: el vinagre disuelve el sarro, la costra blanca de carbonato de calcio, CaCO₃, que deja el agua en las ollas y las llaves.
La seguridad con los productos de limpieza
Los productos de aseo de la casa son ácidos o bases, a veces fuertes. Nunca se mezclan entre sí. El blanqueador, mezclado con un ácido como el vinagre o algunos limpiadores de baño, libera gases tóxicos; con el amoníaco, también. Cada producto se usa solo, como dice su etiqueta, en un lugar ventilado.
Ejemplo resuelto
La neutralización del ácido clorhídrico
Comprueba que la neutralización HCl + NaOH → NaCl + H₂O está balanceada y escribe la reacción entre iones que la explica.
Ver la solución paso a paso
Contamos los hidrógenos: uno del HCl y uno del NaOH a la izquierda, dos en el H₂O a la derecha.
$$\text{átomos de H en }\mathrm{HCl} + \text{átomos de H en }\mathrm{NaOH} = \text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}O}$$
El sodio, el cloro y el oxígeno aparecen una vez a cada lado. La ecuación completa está balanceada:
$$\mathrm{HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_{2}O}$$
Lo que en realidad reacciona son los iones: el H⁺ del ácido y el OH⁻ de la base forman agua. Esa ecuación también está balanceada en átomos y en carga:
$$\mathrm{H⁺ + OH⁻ \rightarrow H_{2}O}$$
La carga de la izquierda es +1 y −1, que suman cero, como la del agua. El Na⁺ y el Cl⁻ no cambian: quedan en la solución como cloruro de sodio, la sal.
Respuesta: HCl + NaOH → NaCl + H₂O está balanceada; lo que reacciona es H⁺ + OH⁻ → H₂O.
Toca «Reaccionar» y sigue las bolas: el hidrógeno del ácido y el OH de la base se unen en una molécula de agua, y el sodio y el cloro quedan juntos como sal. Hay los mismos átomos antes y después: la ecuación está balanceada.
Ejemplo resuelto
Un fertilizante por neutralización
El sulfato de amonio se fabrica con amoníaco y ácido sulfúrico. Encuentra el coeficiente que balancea NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄.
Ver la solución paso a paso
A la derecha, el subíndice 2 fuera del paréntesis da dos nitrógenos:
$$\text{átomos de N en }\mathrm{(NH_{4})_{2}SO_{4}} = 2$$
Cada NH₃ trae un solo nitrógeno, así que hacen falta dos moléculas de amoníaco:
$$\frac{\text{átomos de N en }\mathrm{(NH_{4})_{2}SO_{4}}}{\text{átomos de N en }\mathrm{NH_{3}}}$$
El coeficiente del NH₃ es $2$.
Revisamos los hidrógenos: seis de los dos NH₃ y dos del H₂SO₄, contra los ocho del sulfato de amonio.
$$2 \cdot \text{átomos de H en }\mathrm{NH_{3}} + \text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}SO_{4}} = \text{átomos de H en }\mathrm{(NH_{4})_{2}SO_{4}}$$
El azufre y los oxígenos ya estaban iguales. La ecuación queda balanceada:
$$\mathrm{2NH_{3} + H_{2}SO_{4} \rightarrow (NH_{4})_{2}SO_{4}}$$
Cada NH₃ aceptó un protón del ácido y se volvió NH₄⁺: es una neutralización en el sentido de Brønsted–Lowry.
Respuesta: El coeficiente es 2: 2NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄.
Ejemplo resuelto
El CO₂ de la respiración en la sangre
Escribe las dos ecuaciones por las que el CO₂ disuelto aumenta los iones H⁺ de la sangre y comprueba que están balanceadas.
Ver la solución paso a paso
Primero, el CO₂ reacciona con el agua y forma ácido carbónico:
$$\mathrm{CO_{2} + H_{2}O \rightarrow H_{2}CO_{3}}$$
El ácido carbónico tiene tres oxígenos: dos del CO₂ y uno del agua.
$$\text{átomos de O en }\mathrm{H_{2}CO_{3}} = \text{átomos de O en }\mathrm{CO_{2}} + \text{átomos de O en }\mathrm{H_{2}O}$$
Después, el ácido carbónico cede un protón y queda el ion bicarbonato. La ecuación está balanceada en átomos y en carga:
$$\mathrm{H_{2}CO_{3} \rightarrow H⁺ + HCO_{3}⁻}$$
Conclusión. Más CO₂ en la sangre es más ácido carbónico y, por eso, más H⁺. Al exhalar, el cuerpo saca CO₂ y la acidez no sube.
Respuesta: CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ y H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻: las dos están balanceadas.
Práctica
¿Verdadero o falso? La neutralización $\mathrm{HNO_{3} + KOH \rightarrow KNO_{3} + H_{2}O}$ está balanceada.
A cada lado hay dos hidrógenos, un nitrógeno, cuatro oxígenos y un potasio. La sal que se forma es el nitrato de potasio, que también se usa como fertilizante.
¿Verdadero o falso? La ecuación del nitrato de amonio, $\mathrm{NH_{3} + HNO_{3} \rightarrow NH_{4}NO_{3}}$, está balanceada.
A cada lado hay dos nitrógenos, cuatro hidrógenos y tres oxígenos. El amoníaco acepta el protón del ácido nítrico.
El fosfato diamónico, un fertilizante que da nitrógeno y fósforo, se forma con amoníaco y ácido fosfórico. ¿Qué coeficiente lleva el NH₃ para balancear NH₃ + H₃PO₄ → (NH₄)₂HPO₄?
El fosfato diamónico tiene dos nitrógenos y cada NH₃ trae uno: 2NH₃ + H₃PO₄ → (NH₄)₂HPO₄. Dos de los tres protones del ácido van a los dos amoníacos; el tercero se queda en el ion HPO₄²⁻.
En la neutralización $\mathrm{H_{2}SO_{4} + 2NaOH \rightarrow Na_{2}SO_{4} + 2H_{2}O}$, ¿cuántas moléculas de agua se forman por cada unidad de H₂SO₄?
El ácido sulfúrico libera dos H⁺, y cada uno se une con un OH⁻ para formar una molécula de agua.
¿Verdadero o falso? En el intestino, el bicarbonato neutraliza el ácido del estómago según $\mathrm{H⁺ + HCO_{3}⁻ \rightarrow H_{2}O + CO_{2}}$, y esa ecuación está balanceada en átomos y en carga.
A cada lado hay dos hidrógenos, un carbono y tres oxígenos, y la carga total es cero: la del H⁺ y la del HCO₃⁻ se cancelan.
¿Verdadero o falso? La ecuación del vinagre con el sarro, $\mathrm{CaCO_{3} + CH_{3}COOH \rightarrow Ca(CH_{3}COO)_{2} + H_{2}O + CO_{2}}$, está balanceada.
El acetato de calcio lleva dos grupos acetato, así que hacen falta dos moléculas de ácido acético: CaCO₃ + 2CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂.
¿Verdadero o falso? La reacción de la cal viva con el agua del suelo, $\mathrm{CaO + H_{2}O \rightarrow Ca(OH)_{2}}$, está balanceada.
A cada lado hay un calcio, dos oxígenos y dos hidrógenos. La cal apagada que se forma es una base, y por eso baja la acidez del suelo.
El CO₂ de la respiración forma ácido carbónico según $\mathrm{CO_{2} + H_{2}O \rightarrow H_{2}CO_{3}}$. ¿Cuántos iones H⁺ puede ceder, en total, cada molécula de ácido carbónico?
El H₂CO₃ tiene dos hidrógenos que puede ceder, uno después del otro. En la sangre, lo que más ocurre es que cede el primero y queda el bicarbonato, HCO₃⁻.
¿Cuál de estas es una función del ácido clorhídrico del jugo gástrico?
El ácido del estómago prepara las proteínas para que se digieran, activa la enzima que las corta y destruye muchos microbios. El CO₂ sale por los pulmones, no por el estómago.
¿Por qué exhalar el CO₂ ayuda a que la sangre no se vuelva más ácida?
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ y H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻: cuanto más CO₂, más H⁺. Al exhalar, los pulmones sacan el CO₂ y la acidez no sube.
Reto
¿Ácido o base?
Lleva cada sustancia de la lección a su canasta según lo que hace: si libera o cede H⁺, es un ácido; si libera OH⁻ o acepta H⁺, es una base.
Reto
Completa las neutralizaciones.
Cuenta los átomos de las fórmulas: el subíndice fuera de un paréntesis multiplica todo lo de adentro.
Cierre
En resumen
En la neutralización de un ácido con un hidróxido, el H⁺ y el OH⁻ forman agua y los otros iones quedan como una sal (HCl + NaOH → NaCl + H₂O); con el amoníaco se forma solo la sal.
El ácido clorhídrico del estómago prepara las proteínas para la digestión y destruye microbios; en el intestino, el bicarbonato lo neutraliza.
El CO₂ de la respiración forma ácido carbónico en la sangre; al exhalarlo, la acidez de la sangre no sube.
Muchos fertilizantes son sales de amonio que se fabrican neutralizando amoníaco con un ácido; la cal neutraliza parte de la acidez de los suelos.
El jabón se fabrica con grasa y una base fuerte; los productos de limpieza nunca se mezclan, y el blanqueador con ácidos libera gases tóxicos.
Vocabulario
- Neutralización
Reacción entre un ácido y una base que forma una sal; cuando la base es un hidróxido, el H⁺ y el OH⁻ forman además agua.
- Sal
Compuesto formado por el ion positivo de una base y el ion negativo de un ácido, como el NaCl.
- Jugo gástrico
Líquido que produce el estómago; contiene ácido clorhídrico y sustancias que ayudan a digerir.
- Ácido carbónico
Ácido, H₂CO₃, que se forma cuando el CO₂ se disuelve en agua.
- Fertilizante
Sustancia que se agrega al suelo para darles a las plantas los nutrientes que necesitan, como el nitrógeno.
- Saponificación
Reacción de una grasa o un aceite con una base fuerte, en la que se forma jabón.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte en qué lugares del cuerpo, del campo y de la casa creen que hay ácidos o bases, y anote las respuestas para volver a ellas al final.
- Explicación · 20 min — La neutralización y los cuatro procesos: estómago, respiración, fertilizantes y suelos, jabón y limpieza; los tres ejemplos en el tablero, contando átomos y cargas.
- Práctica · 15 min — Preguntas individuales; las canastas y los huecos en parejas.
- Cierre · 5 min — Vuelva a la lista del inicio y pida que cada estudiante explique por escrito la función de un ácido o una base en uno de los procesos.
Preguntas para el salón
- Si el estómago tiene un ácido fuerte, ¿por qué no se daña su propia pared?
- ¿Qué le pasaría a la acidez de la sangre si una persona respirara aire con mucho CO₂?
- ¿Por qué una sal de amonio puede servir como fertilizante?
Errores típicos
- Creer que «sal» es solo la sal de cocina. Escriba dos neutralizaciones con sales distintas (NaCl y NH₄NO₃) y pida identificar de dónde sale cada ion.
- Creer que neutralizar es «destruir» el ácido y la base sin que quede nada. Pida escribir los productos: siempre queda una sal; con un hidróxido se forma además agua, y con el amoníaco, no (NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃).
- Pensar que mezclar dos productos de limpieza limpia mejor. Insista en que el blanqueador con un ácido o con amoníaco libera gases tóxicos y en que cada producto se usa solo, como dice su etiqueta.
Tarea sugerida
Escribir y balancear la neutralización del ácido nítrico con el hidróxido de calcio, decir qué sal se forma, y explicar en un párrafo la función de un ácido o una base en la digestión, en la respiración, en la agricultura y en la limpieza.