4 3 Reacciones cido-base 129

cidosLos cidos son sustancias que se ionizan en disoluciones acuosas para formar iones hidrgeno, por lo que incrementan la concentracin de iones H+(ac). De-bido a que el tomo de hidrgeno consiste en un protn y un electrn, el H + es simplemente un protn. Por lo tanto, los cidos son conocidos frecuentemente como donadores de protones. Los modelos moleculares de tres cidos comunes, HC1, HNO3 y CH3COOH, aparecen al margen.

As como los cationes estn rodeados y unidos por molculas de agua (vea la figura 4.3[a]), el protn tambin es solvatado por molculas de agua. En la seccin16.2 explicaremos con detalle la naturaleza del protn en agua. Cuando escribamos ecuaciones qumicas que involucren al protn en agua, lo representaremos simple-mente como H +(ac).

Las molculas de diferentes cidos pueden ionizarse para formar distintos n-meros de iones H+. Tanto el HC1 como el HNO3 son cidos monoprticos, los cuales producen un H+ por molcula de cido. El cido sulfrico, H2SO4, es un cido tiprtico, uno que produce dos H+ por molcula de cido. La ionizacin del H2SO4, y otros cidos diprticos, ocurre en dos pasos:

H2S 0 4(flc) -----* H+(ac) + H S 0 4-(flc) [4.9]

H S 0 4~(flc) H > c ) + S 0 42_(ac) [4.10]

Aunque el H2SO4 es un electrolito fuerte, slo la primera ionizacin es completa. Por lo tanto, las disoluciones acuosas de cido sulfrico contienen una mezcla de H+(ac), H S04 "(c) y SO42- (ac).

La molcula CH3COOH (cido actico) que hemos mencionado frecuentemente es el principal componente del vinagre. El cido actico tiene cuatro hidrgenos, pero slo uno de ellos es capaz de ionizarse en el agua. Slo el hidrgeno que est unido al oxgeno del grupo COOH se ionizar en el agua; los otros hidrgenos estn uni-dos al carbono y no rompen sus enlaces CH en el agua. En el captulo 16 explicare-mos los cidos con mucho ms detalle.

I N S E L O W P O C O

La frmula estructural del ddo ctrico, un componente principal de los frutos dtri- 03s, aparece a continuacin:

H

H C COOH

H O C COOH

IH C COOH

H

Cuntos H+(ac) pueden generarse a partir de cada molcula de ddo dtrico, cuando ste se disuelve en agua?

BasesLas bases son sustancias que aceptan (reaccionan con) iones H +. Las bases produ-cen iones hidrxido (OH- ) cuando se disuelven en agua. Los compuestos de hidr- xidos inicos, como el Na OH, KOH y Ca(OH)2, se encuentran entre las bases ms comunes. Cuando se disuelven en agua, se disocian en sus iones componentes, e introducen iones O H en la disolucin.

Los compuestos que no contienen iones OH tambin pueden ser bases. Por ejemplo, el amoniaco (NH3) es una base comn. Cuando se aade al agua, ste acep-ta un ion H+ de la molcula de agua y entonces produce un ion OH (Figura 4.6):

NH3(flc) + H20 (/) ; = NH4+(ac) + OH~(ac) [4.11]

El amoniaco es un electrolito dbil, ya que slo una pequea fraccin del NH 3 (aproximadamente 1%) forma iones NH4+ y OH .

HC1

CH3COOH

m 9H2 O H "

j i s *n h 3 n h 4+

A Figura 4.6 Transferencia del Ion hidrgeno. Una molcula d e H20 acta com o donadora d e protones (cido), y el

N H 3 com o un aceptor d e protones (base).

Slo una fraccin del N H 3 reacciona con

H2O ; el N H 3 es un electrolito dbil.

HNO3

130 CAPTULO 4 Reacciones acuosas y estequiometra de disoluciones

TABLA 4 .2 cidos y bases fuertes comunes

cidos fuertes Bases fuertes

Clorhdrico, HC1 Hidrxidos de metales del grupo 1A (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH)

Bromhdrico, HBr Hidrxidos de metales pesados del grupo 2A [CaOH)^ Sr(OH)2, Ba(OH)J

Yodhdrico, HI Clrico, HC103 Perclrico, HCIO4 Ntrico, HNO3 Sulfrico, H2S 0 4

cidos y bases fuertes y dbilesLos cidos y bases que son electrolitos fuertes (completamente ionizados en diso-lucin) se conocen como cidos fu ertes y bases fuertes. Aquellos que son elec-trolitos dbiles (parcialmente ionizados) se conocen como cidos d b iles y bases d b iles. Los cidos fuertes son ms reactivos que los cidos dbiles, cuando la reac-tividad depende slo de la concentracin de H +{ac). Sin embargo, la reactividad de un cido puede depender del anin as como del H+(oc). Por ejemplo, el cido fluorhdrico (HF) es un cido dbil (slo se ioniza parcialmente en disolucin acuo-sa), pero es muy reactivo y ataca vigorosamente a muchas sustancias, incluido el vidrio. Esta reactividad se debe a la accin combinada del H +(ac) y al F (ac).

La tabla 4.2 lista los cidos y bases fuertes ms comunes; es conveniente que los memorice. Cuando revise esta tabla, observe que algunos de los cidos ms comunes, como el HC1, HNO3 y H2 SO4 , son fuertes. (En el caso del H2S0 4, como vimos antes, slo el primer protn se ioniza completamente). Tres de los cidos fuertes son compuestos hidrogenados de la familia de los halgenos. (Sin embargo, el HF, es un cido dbil). La lista de cidos fuertes es muy corta; la mayora de los cidos son dbiles. Las nicas bases fuertes comunes son los hidrxidos de Li+, Na+, K+, Rb+ y Cs+ (los metales alcalinos, grupo 1A) y los hidrxidos de Ca2+, Sr2+ y Ba2+ (los alcalinotrreos pesados, grupo 2A). stos son los hidrxidos me-tlicos solubles ms comunes. La mayora de los dems hidrxidos metlicos son insolubles en agua. La base dbil ms comn es el NH3 , el cual reacciona con el agua para formar iones OH - (Ecuacin 4.11).

P I N S E L O U N P O C O

Cul de los siguientes es un ddo fuerte: H2S0 3 , HBr, CH3COOH?

Wm EJERCICIO RESUELTO 4 .5 Comparacin de cidos fuertes

Los siguientes diagramas representan disoluciones acuosas de tres cidos (HX, HY y HZ), en los que, por claridad, se omiten las molculas de agua. Ordnelos del ms fuerte al ms dbil.

HX HY HZ

9 f e

9

T +

& i

4 3 Reacciones cido-base 131

SOLUCINAnlisis: Se nos pide ordenar los tres cidos del ms fuerte al ms dbil, basndonos en los dibujos esquemticos dess disoluciones.

Estrategia: Podemos analizar los dibujos para determinar los nmeros relativos de es-pecies moleculares no cargadas que estn presentes. El ddo ms fuerte es el que tiene ms iones H+, y menos molculas no disociadas en la disolucin. El ddo ms dbil es el que tiene ms cantidad de molculas no disodadas.

Resolucin: El orden es HY > HZ > HX. HY es un ddo fuerte porque est totalmente ionizado (no hay molculas de HY en disoludn), mientras que HX y HZ son ddos d-biles, cuyas disoluciones consisten en una mezcla de molculas y iones. Debido a que HZ contiene ms iones H+ y menos molculas que HX, es un ddo ms fuerte.

H EJERCICIO DE PRCTICA

Imagine un diagrama que muestra 10 iones Na+ y 10 OH. Si esta disoludn se mezclara con la que aparece en la pgina anterior para HY, qu aspecto tendra el diagrama que representa la disoludn, despus de cualquier reacdn posible? (los iones H+ reacdo- narn con los iones OH para formar HzO).Respuesta: El diagrama final mostrara 10 iones Na+, 2 iones OH- , 8 iones Y y 8 mo-lculas de H20 .

Cmo identificar electrolitos fuertes y dbilesSi recordamos los cidos y las bases fuertes comunes (Tabla 4.2), y recordamos que el NH 3 es una base dbil, podemos hacer predicciones razonables acerca del com-

portamiento electroltico de un gran nmero de sustancias solubles en agua. La tabla 4 .3 resume nuestras observaciones acerca de los electrolitos. Para clasifi-

car una sustancia soluble como un electrolito fuerte, dbil o no electrolito, simple-

mente debemos recorrer la tabla de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha. Primero nos preguntamos si la sustancia es inica o molecular. Si es inica, es un electrolito fuerte. La segunda columna de la tabla 4.3 nos indica que todos los compuestos inicos son electrolitos fuertes. Si la sustancia que deseamos clasificar es molecular, nos preguntamos si es un cido o una base. (Tiene un H al principio de la frmula qumica, o contiene un grupo COOH?). Si se trata de un cido, con-fiamos en la lista memorizada de la tabla 4.2 para determinar si es un electrolito fuerte o dbil: todos los cidos fuertes son electrolitos fuertes, y todos los cidos dbiles son electrolitos dbiles. Si un cido no aparece en la tabla 4.2, es probable que sea un cido dbil y que, por lo tanto, sea un electrolito dbil. Por ejemplo, el H3PO4 , H2 SO3 y HC7 H5 O2 , no aparecen en la tabla 4.2, y son cidos dbiles. Si la sustancia que queremos clasificar es una base, nuevamente consultamos la ta-

bla 4.2 para determinar si se trata de una listada en las bases fuertes. El NH3 es la nica base molecular que consideramos en este captulo, y la tabla 4.3 nos indica que es un electrolito dbil. (Existen compuestos llamados aminas que se relacio-nan con el NH 3 , y que tambin son bases moleculares, pero no las considerare-

mos hasta el captulo 16). Por ltimo, cualquier sustancia molecular que encon-tremos en este captulo, que no sea un cido o NH 3 , probablemente ser un no electrolito.

TABLA 4.3 Resumen del comportamiento electroltico de compuestos inicos y moleculares solubles comunes

Electrolito fuerte Electrolito dbil No electrolito

Inico Todos Ninguno Ninguno

Molecular ddos fuertes (vea la tabla 4.2) ddos dbilesBases dbiles Todos los dems

compuestos