REACCIONES ÁCIDO-BASE TEORIA Y EJERCICIOS RESUELTOS

4.3 Reacciones ácido-base
Muchos ácidos y bases son sustancias industriales y caseras (Figura 4.5 »), y algunos
son componentes importantes de los fluidos biológicos. Por ejemplo, el ácido
clorhídrico no sólo es un compuesto industrial importante, sino también el principal
constituyente del jugo gástrico del estómago. Además, los ácidos y bases son electrólitos
comunes.
Ácidos
Los ácidos son sustancias que se ionizan en disolución acuosa para formar iones hidrógeno
y así aumentar la concentración de iones H (ac). Dado que un átomo de
hidrógeno consiste en un protón y un electrón, H no es más que un protón. Por
ello, es común llamar a los ácidos donadores de protones. Al margen se muestran modelos
moleculares de tres ácidos comunes, HCl, HNO3 y HC2H3O2.
Las moléculas de diferentes ácidos pueden ionizarse para formar diferentes números
de iones H . Tanto el HCl como el HNO3 son ácidos monopróticos, que producen
un H por molécula de ácido. El ácido sulfúrico, H2SO4, es un ejemplo de ácido
122 Capítulo 4 Reacciones acuosas y estequiometría de disoluciones
Ejercicios con el CD-ROM
Introducción a ácidos acuosos,
Introducción a bases acuosas
(Introduction to Aqueous Acids,
Introduction to Aqueous Bases)
H
2

OOH
NH
3
NH
Á Figura 4.6 Una molécula de H
4
O
actúa como donador de protones
(ácido) y el NH
actúa como aceptor
de protones (base). Sólo una fracción
del NH
reacciona con H

O; el NH
es
un electrólito débil.
diprótico, que produce dos iones H
TABLA 4.2 Ácidos y bases fuertes comunes
Ácidos fuertes Bases fuertes
Clorhídrico, HCl Hidróxidos de metales del grupo 1A (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH)
Bromhídrico, HBr Hidróxidos de metales pesados del grupo 2A [Ca(OH)
2
, Sr(OH)
]
Yodhídrico, HI
Clórico,
Perclórico,
Nítrico,
Sulfúrico,
por molécula de ácido. La ionización del H
y otros ácidos dipróticos se da en dos pasos:
[4.9]
[4.10]
Aunque el H
2
SO
es un electrólito fuerte, sólo la primera ionización es total. Así,
las disoluciones acuosas de ácido sulfúrico contienen una mezcla de H
4
(ac),
HSO
4

Bases
(ac) y SO4
2
(ac).
Las bases son sustancias que aceptan (reaccionan con) iones H

. Las bases producen
iones hidróxido (OH

) cuando se disuelven en agua. Los hidróxidos iónicos como
NaOH, KOH y Ca(OH)
se cuentan entre las bases más comunes. Cuando éstas se disuelven
en agua, se disocian en sus iones componentes, introduciendo
iones OH
2
en
la disolución.
También pueden ser bases los compuestos que no contienen iones OH
. El amoniaco
(NH
), por ejemplo, es una base común; cuando se agrega al agua, acepta un
ion H

3
de la molécula de agua y así produce un ion OH
Dado que sólo una pequeña fracción del NH
y OH
, el amoniaco es un electrólito débil.
Ácidos y bases fuertes y débiles

(Figura 4.6 «):
[4.11]
(cerca de 1%) forma iones NH
Los ácidos y bases que son electrólitos fuertes (que se ionizan totalmente en disolución)
se denominan ácidos
fuertes
y bases fuertes. Los que son electrólitos débiles
(parcialmente ionizados) se denominan ácidos débiles y bases débiles. Los ácidos
fuertes son más reactivos que los débiles cuando la reactividad depende únicamente
de la concentración de
-
(ac) Δ H
2
O(l) Δ NH
(ac). Sin embargo, la reactividad de un ácido puede depender
del anión, además de H

(ac). Por ejemplo, el ácido fluorhídrico (HF) es un
ácido débil (sólo está ionizado parcialmente en disolución acuosa), pero es muy reactivo
y ataca vigorosamente
muchas sustancias, incluido el vidrio. Esta reactividad
se
debe
a la acción combinada de H

(ac) y F
+
+

(ac) + HSO
(ac) + SO
4
+
(ac) + OH
(ac).
En la tabla 4.2
¥ se presentan los ácidos y bases fuertes comunes. Recomenda-
mos memorizar estos compuestos. Al examinar la tabla, tome nota en primer lugar
de que algunos de los ácidos más comunes, como HCl, HNO
3
y H
, son fuertes.
Segundo, tres de los ácidos fuertes son resultado de la combinación de un átomo de
2
hidrógeno y uno de halógeno. Sin embargo, el HF es un ácido débil. Tercero, la lista
de ácidos fuertes es muy corta; la mayor parte de los ácidos son débiles. Cuarto, las
únicas bases fuertes comunes son los hidróxidos de Li
(a) (b) (c)
Á Figura 4.8 (a) La leche de magnesia es una suspensión de hidróxido de magnesio,
Mg(OH)2(s), en agua. (b) El hidróxido de magnesio se disuelve al agregarse ácido
clorhídrico, HCl(ac). (c) La disolución transparente final contiene MgCl2(ac) soluble, como
indica la ecuación 4.15.
Puesto que HCl, NaOH y NaCl son electrólitos fuertes solubles, la ecuación iónica
completa correspondiente a la ecuación 4.12 es
[4.13]
Por tanto, la ecuación iónica neta es
[4.14]
La ecuación 4.14 resume la característica fundamental de la reacción de neutralización
entre cualquier ácido fuerte y cualquier base fuerte. Iones H (ac) y OH (ac) se
combinan para formar H2O.
La figura 4.8 Ámuestra la reacción entre ácido clorhídrico y otra base, Mg(OH)2, que
es insoluble en agua. Vemos cómo una suspensión blanca lechosa de Mg(OH)2,
llamada leche de magnesia, se disuelve durante la reacción de neutralización:
Ecuación molecular: [4.15]
Ecuación iónica neta: [4.16]
Cabe señalar que los iones OH (que en esta ocasión están en un reactivo sólido) y
los iones H se combinan para formar H2O. Dado que los iones intercambian compañeros,
las reacciones de neutralización entre ácidos e hidróxidos metálicos también
son reacciones de metátesis.
EJERCICIO TIPO 4.7
(a) Escriba una ecuación química completa balanceada para la reacción entre disoluciones acuosas
de ácido acético (HC2H3O2) e hidróxido de bario [Ba(OH)2]. (b) Escriba la ecuación iónica
neta para esta reacción.
Solución
Análisis: Nos dan las fórmulas químicas de un ácido y una base y nos piden escribir una ecuación
química balanceada y luego una ecuación iónica neta para su reacción de neutralización.
Estrategia: Como indica la ecuación 4.12 y la frase en cursivas que le sigue, las reacciones de neutralización
forman dos productos, H2O y una sal. Examinaremos el catión de la base y el anión
del ácido para determinar la composición de la sal.
Mg(OH)2(s) + 2H+(ac)¡ Mg2+(ac) + 2H2O(l)
Mg(OH)2(s) + 2HCl(ac)¡ MgCl2(ac) + 2H2O(l)
H+(ac) + OH-(ac)¡ H2O(l)
H+(ac) + Cl-(ac) + Na+(ac) + OH-(ac)¡ H2O(l) + Na+(ac) + Cl-(ac)
El ácido carbónico es inestable; si está presente en disolución en suficiente concentración,
se descompone para formar CO2, que escapa de la disolución como gas.
[4.20]
La descomposición de H2CO3 produce burbujas de CO2 gaseoso, como se muestra
en la figura 4.9 ». La reacción total se resume en las ecuaciones siguientes:
Ecuación molecular:
[4.21]
Ecuación iónica neta:
[4.22]
Tanto NaHCO3 como Na2CO3 se usan como neutralizadores de ácido en derrames
de ácidos. La sal bicarbonato o carbonato se agrega hasta que cesa la efervescencia
causada por la formación de CO2(g). Aveces se utiliza bicarbonato de sodio como
antiácido para calmar el malestar estomacal. En este caso, el HCO3
reacciona con
el ácido estomacal para formar CO2(g). La efervescencia que se produce cuando se
ponen en agua tabletas Alka-Seltzer® se debe a la reacción de bicarbonato de sodio
con ácido cítrico.
H+(ac) + HCO3
-(ac)¡ H2O(l) + CO2(g)
HCl(ac) + NaHCO3(ac)¡ NaCl(ac) + H2O(l) + CO2(g)
H2CO3(ac)¡ H2O(l) + CO2(g)
La química en acción Antiácidos
Á Figura 4.10 Los antiácidos y los inhibidores de ácido son
medicamentos comunes que se venden sin receta. Tagamet
HB® y Pepcid AC® son inhibidores de ácido; los demás
productos son antiácidos.
Nombre comercial Agentes neutralizadores de ácido
y
Leche de magnesia
y
y
Tums® CaCO3
Rolaids® NaAl(OH)2CO3
Mylanta® Mg(OH)2 Al(OH)3
Maalox® Mg(OH)2 Al(OH)3
Mg(OH)2
Di-Gel® Mg(OH)2 CaCO3
Amphojel® Al(OH)3
Alka-Seltzer® NaHCO3
TABLA 4.4 Algunos antiácidos comunes
El estómago secreta ácidos para ayudar a digerir los alimentos. Estos
ácidos, que incluyen ácido clorhídrico, contienen aproximadamente
0.1 mol de H por litro de disolución. El estómago y el tracto
digestivo normalmente están protegidos de los efectos corrosivos
del ácido estomacal por un recubrimiento de mucosa. Sin embargo,
pueden aparecer agujeros en este recubrimiento que permiten al ácido
atacar a los tejidos subyacentes y causar un daño doloroso. Estos
agujeros, llamados úlceras, pueden tener su origen en una secreción
excesiva de ácidos o en una debilidad del recubrimiento digestivo.
Por otro lado, descubrimientos recientes indican que muchas úlceras
son causadas por infecciones bacterianas. Entre 10 y 20% de los estadounidenses
padecen úlceras en algún momento de su vida, y muchos
otros experimentan indigestión o acidez estomacal (pirosis)
cuando los ácidos digestivos entran en el esófago.
Podemos atacar el problema de un exceso de ácido estomacal de
dos maneras sencillas: (1) eliminando el ácido en exceso o (2) reduciendo
la producción de ácido. Las sustancias que eliminan el exceso
de ácido se llaman antiácidos, mientras que las que reducen la
producción de ácido se denominan inhibidores de ácido. En la figura
4.10 « se muestran varios medicamentos comunes de ambos tipos
que se venden sin receta médica.
Los antiácidos son bases simples que neutralizan los ácidos digestivos.
Su capacidad para neutralizar los ácidos se debe a los iones
hidróxido, carbonato o bicarbonato que contienen. En la tabla 4.4 ¥
se dan los ingredientes activos de algunos antiácidos.
La generación más reciente de medicamentos contra las úlceras,
como Tagamet® y Zantac®, son inhibidores de ácido. Actúan sobre
las células productoras de ácido en el recubrimiento del estómago.
Ya se venden sin receta formulaciones que controlan el ácido de
esta forma.
Á Figura 4.9 Los carbonatos
reaccionan con ácidos para formar
dióxido de carbono gaseoso. Aquí
NaHCO3 (sólido blanco) reacciona con
ácido clorhídrico; las burbujas
contienen CO2.