Química 11.º

Ácidos y bases

45 min · DBA

Lo que vas a aprender
  • Clasificar una sustancia como ácido o base según Arrhenius y según Brønsted–Lowry.
  • Identificar los dos pares ácido–base conjugados de una reacción de transferencia de protones.
  • Calcular los moles de H⁺ o de OH⁻ que libera un ácido o una base fuerte.
  • Distinguir entre un ácido fuerte y un ácido concentrado.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

El jugo de limón y el vinagre son ácidos; el jabón de barra y el bicarbonato disuelto son básicos. Lo notas en la cocina sin hacer ninguna cuenta: lo ácido tiene un sabor agrio y lo básico se siente resbaloso en los dedos. Pero un químico no puede probar ni tocar lo que tiene en el laboratorio, y además necesita saber cuánto ácido hay y qué tan fácil entrega su carácter ácido.

En esta lección vas a aprender dos maneras de decir qué es un ácido y qué es una base, a reconocer las parejas que forman en una reacción y a distinguir dos ideas que se confunden todo el tiempo: que un ácido sea fuerte y que esté concentrado.

Antes de empezar recuerda qué es un ion (un átomo o grupo de átomos con carga) y cómo se comprueba que una ecuación química está balanceada.

Explicación

La idea de Arrhenius

A finales del siglo XIX, Svante Arrhenius propuso una definición basada en lo que pasa cuando una sustancia se disuelve en agua:

  • un ácido es una sustancia que en agua produce iones hidrógeno, $\mathrm{H^{+}}$;
  • una base es una sustancia que en agua produce iones hidróxido, $\mathrm{OH^{-}}$.

El ácido clorhídrico es un ácido de Arrhenius porque en agua se separa así: $\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{H^{+}} + \mathrm{Cl^{-}}$. El hidróxido de sodio es una base de Arrhenius: $\mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{Na^{+}} + \mathrm{OH^{-}}$.

Con esta idea se entiende la neutralización: el $\mathrm{H^{+}}$ del ácido y el $\mathrm{OH^{-}}$ de la base se unen para formar agua, y los otros iones quedan formando una sal. Por ejemplo, HCl + NaOH → NaCl + H₂O.

La definición de Arrhenius funciona muy bien con los ácidos y los hidróxidos de siempre, pero se queda corta. El amoníaco, NH₃, no tiene ningún grupo OH y, sin embargo, su solución en agua es básica. Para explicarlo hace falta una idea más amplia.

La idea de Brønsted y Lowry

Años después, Johannes Brønsted y Thomas Lowry, cada uno por su lado, propusieron mirar la reacción como un intercambio de protones. Un ion $\mathrm{H^{+}}$ es un átomo de hidrógeno que perdió su único electrón: es solo un protón. Entonces:

  • un ácido es la especie que cede un protón;
  • una base es la especie que acepta un protón.

Mira lo que pasa cuando el amoníaco se disuelve en agua:

$$\mathrm{NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^{+} + OH^{-}}$$

Una molécula de agua le pasa un protón al amoníaco. El NH₃ lo acepta, así que es la base; el agua lo cede, así que actúa como ácido. De ahí salen los iones $\mathrm{OH^{-}}$ que hacen básica la solución, aunque el amoníaco no los traía.

En esta definición, la reacción también puede ir hacia atrás (por eso la doble flecha): el ion amonio puede devolver el protón y el ion hidróxido puede recibirlo. Por eso cada ácido tiene su base conjugada y cada base su ácido conjugado.

Los pares conjugados

Un par conjugado es un ácido y la especie que queda cuando ese ácido pierde su protón. Las dos fórmulas se diferencian en un solo $\mathrm{H^{+}}$ y, por eso, la carga cambia en una unidad. En la reacción del amoníaco hay dos pares:

  • $\mathrm{NH_4^{+}}$ (ácido) y $\mathrm{NH_3}$ (su base conjugada);
  • $\mathrm{H_2O}$ (ácido) y $\mathrm{OH^{-}}$ (su base conjugada).

Fíjate en el agua: con el amoníaco cede un protón, pero con el ácido clorhídrico lo acepta y se convierte en ion hidronio, $\mathrm{HCl} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{H_3O^{+}} + \mathrm{Cl^{-}}$. Una especie que puede comportarse como ácido o como base, según con quién reaccione, se llama anfótera. Cuando escribimos $\mathrm{H^{+}}$ en una solución, en realidad ese protón está unido al agua como $\mathrm{H_3O^{+}}$; las dos escrituras se usan para lo mismo.

Fuerte no es lo mismo que concentrado

Un ácido fuerte es el que en agua se ioniza por completo: casi todas sus moléculas ceden su protón. El HCl, el HNO₃ y el H₂SO₄ (en su primer protón) son ácidos fuertes. Un ácido débil se ioniza solo en parte: la mayoría de sus moléculas siguen enteras y solo unas pocas ceden su protón. El ácido acético del vinagre, CH₃COOH, es débil:

$$\mathrm{CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^{-} + H_3O^{+}}$$

Con las bases pasa lo mismo: el NaOH y el KOH son bases fuertes porque se disocian por completo; el amoníaco es una base débil.

La fuerza dice qué fracción de las moléculas se ioniza. La concentración dice cuánto ácido se disolvió en cada litro. Son dos cosas independientes: puedes tener un ácido fuerte muy diluido o un ácido débil muy concentrado. Al diluir HCl con agua, la solución tiene menos ácido por litro, pero el HCl sigue siendo fuerte: lo poco que hay sigue ionizado por completo.

Un detalle de las fórmulas: el ácido acético tiene cuatro hidrógenos, pero solo uno, el del grupo –COOH, es el que cede. Contar los H de una fórmula no dice cuántos protones entrega el ácido.

Ejemplo resuelto

Los pares conjugados del amoníaco en agua

En la reacción NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻, identifica el ácido, la base y los dos pares conjugados.

Ver la solución paso a paso
  1. Primero comprobamos que la ecuación está balanceada: los mismos átomos y la misma carga a los dos lados.

    $$\mathrm{NH_{3} + H_{2}O ⇌ NH_{4}⁺ + OH⁻}$$

  2. El ion amonio, NH₄⁺, tiene 4 hidrógenos, uno más que los 3 del amoníaco. El NH₃ ganó un protón: es la base, y el NH₄⁺ es su ácido conjugado.

    $$4 = \text{átomos de H en }\mathrm{NH_{3}} + 1$$

  3. El ion hidróxido, OH⁻, tiene 1 hidrógeno, uno menos que los 2 del agua. El H₂O perdió un protón: actúa como ácido, y el OH⁻ es su base conjugada.

    $$1 = \text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}O} - 1$$

  4. Conclusión: el agua es el ácido y el amoníaco la base. Los pares son NH₄⁺/NH₃ y H₂O/OH⁻; en cada par, el ácido es el que tiene el protón de más.

Respuesta: Ácido, H₂O; base, NH₃. Pares conjugados: NH₄⁺/NH₃ y H₂O/OH⁻ (cada par se diferencia en un H⁺).

Ejemplo resuelto

Los iones que libera una base fuerte

El hidróxido de calcio, Ca(OH)₂, es una base fuerte. ¿Cuántos moles de OH⁻ y cuántos de Ca²⁺ quedan en la solución al disolver por completo 0,2 mol de Ca(OH)₂?

Ver la solución paso a paso
  1. Una base fuerte se disocia por completo. El subíndice 2 de (OH)₂ dice que cada unidad da 2 iones OH⁻ (en la cuenta los contamos por sus oxígenos, uno en cada OH):

    $$\text{átomos de O en }\mathrm{Ca(OH)_{2}} = 2$$

  2. Multiplicamos los moles de base por los OH⁻ que da cada unidad:

    $$0{,}2 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{Ca(OH)_{2}}$$

  3. Quedan $0{,}4$ mol de OH⁻.

  4. Cada unidad tiene un solo calcio, así que los moles de Ca²⁺ son los mismos de la base:

    $$0{,}2 \cdot \text{átomos de Ca en }\mathrm{Ca(OH)_{2}}$$

  5. Quedan $0{,}2$ mol de Ca²⁺.

Respuesta: Quedan 0,4 mol de OH⁻ y 0,2 mol de Ca²⁺.

Ejemplo resuelto

Un ácido fuerte y uno débil con la misma concentración

Tienes dos soluciones de 1 L, cada una con 0,1 mol de ácido: una de HCl y otra de ácido acético. Supón (dato inventado para la cuenta) que en la de ácido acético solo 1 de cada 100 moléculas cede su protón. ¿Cuántos moles de H⁺ hay en cada solución?

Ver la solución paso a paso
  1. El HCl es fuerte: se ioniza por completo, y cada molécula da un H⁺.

    $$0{,}1 \cdot 1$$

  2. En la de HCl hay $0{,}1$ mol de H⁺.

  3. En la de ácido acético solo se ioniza 1 de cada 100 moléculas:

    $$\frac{0{,}1 \cdot 1}{100}$$

  4. Hay $0{,}001$ mol de H⁺.

  5. Las dos soluciones tienen la misma cantidad de ácido, pero la de HCl tiene cien veces más H⁺:

    $$\frac{0{,}1}{0{,}001} = 100$$

  6. Y una solución de HCl cien veces más diluida, con 0,001 mol en 1 L, tendría tantos H⁺ como la de acético: un ácido fuerte diluido puede igualar a uno débil concentrado.

    $$0{,}001 \cdot 1 = \frac{0{,}1 \cdot 1}{100}$$

Respuesta: En la de HCl hay 0,1 mol de H⁺ y en la de ácido acético 0,001 mol de H⁺.

Cómo reconocerlos en una fórmula

Unas pistas que sirven casi siempre en el bachillerato:

  • Los ácidos que vas a usar se escriben con el H adelante: HCl, HNO₃, H₂SO₄. Los ácidos orgánicos son la excepción, porque llevan el H ácido al final, en el grupo –COOH, como el CH₃COOH.
  • Los hidróxidos de los metales (NaOH, KOH, Ca(OH)₂) son bases de Arrhenius.
  • El amoníaco y las sustancias parecidas a él son bases de Brønsted–Lowry: no traen $\mathrm{OH^{-}}$, pero aceptan un protón del agua.
  • Que una fórmula tenga hidrógenos no la vuelve ácida (el NH₃ tiene tres y es base), y que termine en OH tampoco la vuelve básica (el CH₃COOH es ácido).

Práctica

El hidróxido de bario, Ba(OH)₂, es una base fuerte. ¿Cuántos moles de OH⁻ libera al disolverse por completo 0,3 mol de Ba(OH)₂?

Una solución contiene 0,25 mol de HCl, que es un ácido fuerte. ¿Cuántos moles de H⁺ hay en ella?

¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene la base conjugada del H₂SO₄?

¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene el ácido conjugado del H₂O?

¿Verdadero o falso? El HNO₃ y el NO₃⁻ se diferencian en un solo átomo de hidrógeno, así que forman un par ácido–base conjugado.

¿Verdadero o falso? La neutralización $\mathrm{HNO_{3} + KOH \rightarrow KNO_{3} + H_{2}O}$ está balanceada.

¿Verdadero o falso? La ecuación $\mathrm{H_{2}SO_{4} + NaOH \rightarrow Na_{2}SO_{4} + H_{2}O}$ está balanceada.

Al neutralizarse por completo con una base, cada H₂SO₄ entrega sus dos hidrógenos. ¿Cuántos moles de H⁺ entregan 0,2 mol de H₂SO₄?

La fórmula molecular del ácido acético es C₂H₄O₂. ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene cada molécula?

Una solución de 1 L tiene 0,5 mol de un ácido débil y, en ella, solo 1 de cada 100 moléculas cede su protón (dato inventado). ¿Cuántos moles de H⁺ hay?

En la reacción CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺, ¿qué papel cumple el agua según Brønsted–Lowry?

Se diluye una solución de HCl agregándole mucha agua. ¿Cuál afirmación es correcta?

Reto

¿Ácido o base?

Lleva cada sustancia a su canasta según Arrhenius o Brønsted–Lowry. En los hidróxidos, quien acepta el protón es el ion OH⁻ que liberan. Cuidado: tener hidrógenos o terminar en OH no basta para decidir.

Reto

Une cada ácido con su base conjugada.

La base conjugada es lo que queda cuando el ácido cede un protón: un H menos y una carga negativa más.

Reto

Cuenta los protones.

Una base fuerte da tantos OH⁻ como grupos OH tiene su fórmula; un par conjugado se diferencia en un H.

Cierre

En resumen

  • Según Arrhenius, un ácido produce H⁺ en agua y una base produce OH⁻; al neutralizarse forman sal y agua.

  • Según Brønsted–Lowry, un ácido cede un protón y una base lo acepta; así se explica que el NH₃ sea una base.

  • Un ácido y su base conjugada se diferencian en un solo H⁺; en cada reacción de transferencia de protones hay dos pares conjugados.

  • El agua es anfótera, porque puede ceder o aceptar un protón según con quién reaccione.

  • Fuerte quiere decir que se ioniza por completo; concentrado quiere decir que hay mucho por litro. Son ideas distintas.

Vocabulario

Ácido de Arrhenius

Sustancia que al disolverse en agua aumenta la cantidad de iones H⁺ de la solución.

Base de Arrhenius

Sustancia que al disolverse en agua aumenta la cantidad de iones OH⁻ de la solución.

Ácido de Brønsted–Lowry

Especie que cede un protón (un ion H⁺) a otra especie.

Base de Brønsted–Lowry

Especie que acepta un protón de otra especie.

Par conjugado

Un ácido y la base que queda cuando ese ácido pierde un protón; las dos fórmulas se diferencian en un solo H⁺.

Ácido fuerte

Ácido que en agua se ioniza por completo: prácticamente todas sus moléculas ceden su protón.

Ácido débil

Ácido que en agua se ioniza solo en parte: la mayoría de sus moléculas siguen enteras.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Escribir la reacción del HNO₃ con el agua y la del ion carbonato (CO₃²⁻) con el agua, señalar en cada una el ácido, la base y los dos pares conjugados, y explicar por qué el agua cumple papeles distintos.