Ácidos y bases

Desde la antigüedad se clasifican sustancias en base a su sabor o a la sensación que generan en la piel, este es el caso de los ácidos y las bases. Ambas forman soluciones de electrólitos y son capaces cambiar el color de ciertas compuestos. Con el propósito de dar una explicación al comportamiento físico y químico de los ácidos y bases se han propuesto diversas teorías llamadas teorías ácido-base.

Ácido Base
Concepto según la teoría de Arrhenius

Sustancia que en solución acuosa incrementa la concentración de iones hidrógeno H+.

 

HNO_{3} (ac) \rightarrow {\color{Red} H^{+}} (ac) + NO_{3}^{-}(ac)

 

Sustancia que en solución acuosa incrementa la concentración de iones hidroxilo OH-.

 

NaOH (ac) \rightarrow Na^{+}(ac) + {\color{Blue} OH^{-}}(ac)

 

Concepto según la teoría Brønsted-Lowry Especie capaz de ceder iones H+.

 

{\color{Red} CH_{3}COOH} (ac) + H_{2}O \rightleftharpoons CH_{3}COO^{-} (ac) + {\color{Red} H_{3}O^{+}} (ac)

 

Especie capaz de aceptar iones H+.

 

CH_{3}COOH (ac) + {\color{Blue} H_{2}O} \rightleftharpoons {\color{Blue} CH_{3}COO^{-}} (ac) + H_{3}O^{+} (ac)

 

Concepto según la teoría de Lewis Sustancia capaz de aceptar un par de electrones.

 

{\color{Red} BF_{3} }+ NH_{3} \rightarrow BF_{3}NH_{3}

 

Sustancia capaz de donar o ceder un par de electrones.

 

BF_{3}+ {\color{Blue} NH_{3}} \rightarrow BF_{3}NH_{3}

 

Rango de pH 0 a 6 8 a 14
Sabor Agrio. Amargo.
Viraje de color en papel tornasol Cambia a color rojo el papel azul. Cambia a color azul el papel rojo.
Neutraliza Bases. Ácidos.
Viraje de color en fenolftaleína Cambia de rojo a incoloro. Cambia de incoloro a rosado.
Reactividad Reacciona con metales, como el magnesio, zinc o hierro. No reacciona con metales. Reacciona con los ácidos.
Conductividad eléctrica Conductor eléctrico en solución acuosa. Conductor eléctrico en solución acuosa.
Al tacto Son punzantes, queman la piel. Son jabonosos.
Ejemplos
  • Ácido sulfúrico (H2SO4), presente en las baterías.
  • Ácido clorhídrico (HCl), presente en el estómago.
  • Ácido fosfórico (H3PO3), presente en algunas bebidas gaseosas.
  • Ácido nítrico (HNO3), presente en los fertilizantes niitrogenados.
  • Ácido acético (CH3COOH), componente principal del vinagre.
  • Hidróxido de sodio (NaOH), presente en limpiadores de tuberías de desagües.
  • Hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), presente en la leche magnesia.
  • Hidróxido de calcio (Ca(OH)2), también llamada cal, con múltiples usos industriales y en construcción.
  • Hidróxido de aluminio (Al(OH)3), presente en los antiácidos.
  • Amoniaco (NH3), presente en fertilizantes y limpiadores.

 

Compuestos químicos

Detengámonos un segundo y observemos a nuestro alrededor. Todo lo que nos rodea es materia: la revista, la mesa, el agua, el aire, etc. Si estudiamos más a fondo podremos determinar cuáles son sustancias puras, es decir cuáles están formadas por un elemento, cuáles son compuestos y cuáles son mezclas.

La materia la podemos encontrar en la naturaleza en forma de sustancia pura y de mezcla. Las sustancias puras son aquéllas cuya naturaleza y composición no varían sea cual sea su estado. Se dividen en dos grandes grupos: elementos y compuestos.

Los elementos químicos son una sustancia que por ningún procedimiento, ni físico ni químico, pueden separarse o descomponerse en otras sustancias más sencillas. Cada elemento químico está constituido por átomos y se los puede clasificar en metales y no metales. En la tabla periódica se encuentran ordenados de acuerdo a las propiedades que poseen cada uno de ellos. Ejemplos de elementos químicos son: hidrógeno, nitrógeno, carbono, magnesio, hierro, oxígeno, etc.

Bueno, ya sabemos qué es un elemento químico; ahora nos resta definir el concepto compuesto químico. ¿Se pueden imaginar de qué se trata?

Un compuesto químico es una sustancia que resulta de la unión de dos o más elementos químicos. El ejemplo tradicional es el agua (H2O) que tiene dos átomos de hidrogeno y uno de oxígeno. Esto significa que en un compuesto hay átomos de diferentes elementos unidos mediante fuerzas que denominamos enlaces químicos.

A diferencia de los elementos, los compuestos se pueden separar por procedimientos químicos. En el caso del agua, podemos separar el hidrógeno del oxígeno. ¿Cómo? Por medio de la electrólisis.

La electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en la disolución. De este modo se pueden separar los elementos: hidrógeno y oxígeno.

Por último, las mezclas son la combinación de dos o más sustancias que no establecen enlaces químicos entre sus componentes. Se clasifican en homogéneas, sus componentes no se pueden distinguir a simple vista y en heterogéneas donde sus componente si se ven a simple vista.

Abreviatura de algunos elementos químicos.

PRINCIPALES COMPUESTOS

Los óxidos, sales, ácidos y bases son los principales compuestos que resultan de diferentes reacciones químicas, las cuales se producen por la tendencia de los elementos a enlazarse unos con otros en infinitas variantes.

• Óxidos

Óxido, es un término que procede de un vocablo griego y significa “ácido”. Se trata de un compuesto binario del oxígeno con otro elemento. El oxígeno se puede combinar directamente con todos los elementos, excepto con los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón), los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y ástato.) y algunos de los metales menos activos, como el cobre y el mercurio.

Los óxidos no metálicos se forman cuando se combina un no metal con el oxígeno. Por ejemplo: CO2 (dióxido de carbono), SO3 (trióxido de azufre), CO (monóxido de carbono), SO2 (dióxido de azufre). Este tipo de compuestos tienen punto de fusión y ebullición muy bajo. Se les conoce también como óxidos ácidos.

Por el contrario, los óxidos metálicos resultan de la combinación del oxígeno con un elemento metálico. Por ejemplo: Fe2O3 (óxido de hierro), Li2O (óxido de litio), Ag2O (óxido de plata), CaO (óxido de calcio).

Las herramientas de hierro o acero se oxidan cuando están expuestas al oxígeno y al agua durante un periodo de tiempo.

• Sales

Son compuestos químicos formados por cationes (iones con carga positiva) enlazados a aniones (iones con carga negativa).

Por ejemplo, la sal de mesa, también llamada sal común o simplemente sal; químicamente se denomina cloruro de sodio y su fórmula es NaCl. Es el producto de la base hidróxido sódico (NaOH) y ácido clorhídrico, (HCl).
La sal se halla ampliamente distribuida en la naturaleza. Se encuentra diluida en el agua de los océanos, ríos y lagos. Se la puede encontrar formando capas en pantanos y en el fondo de lagos secos, sobre todo en zonas extremadamente áridas.

Las principales propiedades de las sales típicas son: punto de fusión alto, baja dureza, y baja compresibilidad. Fundidos o disueltos en agua son conductores de electricidad.

El modo más simple de obtener sal en zonas próximas a los mares es por evaporación del agua salada, sin embargo, este método es costoso. Generalmente se extrae de depósitos subterráneos mediante técnicas de minería o a través de pozos excavados en dichos depósitos. Estas concentraciones de sal se forman debajo de la tierra cuando las capas de sal externa fueron enterradas por otros sedimentos.

Extracción de sal en La Palma, Islas Canarias.

• Ácidos y bases

La palabra ácido proviene del latín y significa agrio. Por ejemplo, el vinagre debe su sabor al ácido acético. Los ácidos son sustancias que liberan cationes hidrógeno y su fórmula lleva siempre al menos un átomo de hidrógeno. En tanto, la sosa, el amoniaco o la cal tienen unas propiedades contrarias a los ácidos y reciben el nombre de bases o álcalis.
Los científicos a lo largo de la historia han dado diversas definiciones:

Savane Arrhenius (1880): “Los ácidos y bases son sustancias que pueden donar protones (H+) o iones hidróxido (OH), respectivamente”. Arrhenius, definió a los ácidos como “electrolitos que contienen hidrógeno y que, disueltos en agua, producen una concentración de iones hidrógeno o protones, mayor que la existente en el agua pura” y a las bases como “una sustancia que disuelta en agua producía un exceso de iones hidróxido, OH (también llamados aniones hidroxilo)”. Luego se comprobó que estas definiciones eran incompletas.

Johannes Brönsted y Thomas Lowry (1923): “Sustancia ácida es aquella que puede donar protones (H+) y base aquella que puede aceptar protones (H+)”. En esta definición aún se contempla la presencia de hidrógeno en el ácido, pero ya no se necesita un medio acuoso.

Gilbert Lewis: “Un ácido es una sustancia que puede aceptar un par de electrones y una base es aquella que puede donar ese par”. El amoníaco es una base de Lewis típica y el trifluoruro de boro un ácido de Lewis típico. La reacción de un ácido con una base de Lewis da como resultado un compuesto de adición. De esta forma se incluyen sustancias que se comportan como ácidos pero no cumplen la definición de Brönsted y Lowry, y suelen ser denominadas ácidos de Lewis.

La reacción entre un ácido y una base se denomina neutralización. En otras palabras podemos decir que una reacción de neutralización es aquella en la que un ácido y una base en solución acuosa, interactúan para producir agua y una sal.

Durante la neutralización, los iones H y OH reaccionan entre sí para producir agua, al tiempo que los iones restantes, es decir, los pares conjugados del ácido y la base, generan la sal. Sin embargo, por lo general estos iones continúan disociados en solución acuosa, por lo que la sal, como tal, no se forma sino hasta que el agua es retirada, por ejemplo, por evaporación.

La concentración de un ácido o base se puede determinar mediante una valoración que se mide en pH.

Propiedades de los ácidos Propiedades de las bases
Tienen sabor ácido como el caso del ácido cítrico de una naranja.
Neutralizan la acción de las bases.
Dan color de rojo el tornasol.
Producen quemaduras en la piel.
Son buenos conductores de electricidad en disoluciones acuosas.
Son corrosivos.
Reaccionan con metales activos formando una sal e hidrógeno.
Reacciona con bases para formar una sal mas agua.
Disuelven sustancias.
Tienen sabor amargo o cáustico.

Neutralizan la acción de los ácidos.
Dan color azul a ciertos colorantes vegetales.
Son jabonosas al tacto.
Son buenas conductoras de electricidad en disoluciones acuosas.
Son corrosivos.
Reacciona con los óxidos no metálicos para formar sal y agua.
Reaccionan con los ácidos formando una sal y agua.
Disuelven grasas y el azufre.

¿Qué es el pH?

Significa potencial de hidrógeno, es un indicador de la acidez de una sustancia. Está determinado por el número de iones libres de hidrógeno (H+) en una sustancia. La escala va de 0 a 14 unidades, correspondiendo el valor de 7 a la neutralidad. Las sustancias ácidas tienen un pH menor a 7 y las básicas o alcalinas, mayor a 7.

La concentración de iones hidrógeno es importante parámetro tanto de las aguas naturales como de las aguas residuales. De acuerdo al pH que posea dependerá la posibilidad de vida biológica en ese medio, un pH muy ácido o muy alcalino puede ser indicio de una contaminación industrial.

Las bases se emplean en la fabricación de jabones a partir de grasas y aceites.

Ahora que ya sabes el concepto de ácido ¿Sabías que hay lluvias ácidas?

Como ya mencionamos anteriormente los ácidos son capaces de ceder átomos de hidrógeno. Existen lluvias que tienen estas características. ¿Cómo se generan?

Cuando se quema nafta, aceite, carbón y hasta el tabaco de un cigarrillo, se producen gases como el dióxido de nitrógeno y el trióxido de azufre que tienen la capacidad de reaccionar con las moléculas de agua presentes en la atmósfera y formar ácido muy corrosivos como el sulfúrico, nítrico y nitroso. Cuando el viento, la lluvia o el granizo arrastran los ácidos éstos llegan al suelo. En esta instancia reaccionan con los materiales y los seres vivos afectándolos negativamente.

La lluvia que se produce en lugares sin contaminación tiene un valor de pH de entre 5 y 6. En cambio cuando el aire se vuelve más contaminado con los óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre, la acidez puede aumentar a un valor pH de 3.

Cuando aumenta el nivel de acidez de las aguas de ríos y lagos se generan grandes cambios en la vida acuática. Algunas especies de plantas y animales logran adaptarse a las nuevas condiciones de mayor acidez y otras no.

Ácidos y bases

En la vida cotidiana cuando se habla de los términos ácidos y bases, estos se utilizan para designar si una sustancia tiene un sabor ácido o un sabor agrio, respectivamente. Sin embargo, en el estudio de la química, diferentes científicos han desarrollado teorías a través de los años para describir el comportamiento de estas sustancias, dada la extraordinaria importancia que tienen, tanto en procesos vitales como en operaciones industriales.

PROPIEDADES DE LOS ÁCIDOS Y DE LAS BASES, PRIMEROS ESTUDIOS Y TEORÍAS

Si bien los ácidos y las bases se caracterizan por reaccionar entre sí neutralizando sus propiedades, en diferentes ensayos químicos presentan las siguientes propiedades:

Ácido: los ácidos reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno. Si se les suministra una solución de tornasol (originalmente de color violeta oscuro) se colorean de rojo. Son conductores de electricidad, son electrolíticos. Al reaccionar con una base producen sales. Son corrosivos.

Base: las bases son resbaladizas al tacto (jabonosas). Si se les suministra una solución de tornasol se colorean de azul. Son electrolíticos por tanto son conductores de electricidad. Al reaccionar con un ácido producen sales. Son corrosivos.

El primer químico que estudió el comportamiento de los ácidos y bases fue el francés Antoine-Laurent de Lavoisier, cuando observó que los ácidos se formaban al disolver agua con las sustancias adquiridas de la quema de elementos no metálicos en una atmósfera oxigénica. Por ello Lavoisier designó a los ácidos con el nombre del gas oxígeno, por su nombre griego que significa generador de ácidos.

Más tarde, el químico británico Humphry Davy demostró que el ácido clorhídrico no tiene oxígeno, por lo que luego de otros estudios se llegó a la conclusión de que los ácidos debían sus propiedades a su contenido de hidrógeno y a su capacidad de sustituir dicho contenido por un metal.

TEORÍA DE ARRHENIUS

Las definiciones del químico sueco Svante August Arrhenius, desarrolladas durante el período de 1880-1890, constituyeron los primeros conceptos modernos de ácidos y bases. Arrhenius formuló su teoría de la disociación iónica, según la cual la actividad química y la conductividad eléctrica de las soluciones de los ácidos son el resultado de su disociación reversible de iones, uno de los cuales es el H+, en otras palabras, un ácido, según Arrhenius, es toda sustancia que al ionizarse en agua produce iones hidrógeno como único tipo de catión.

Para el caso de las bases se asumió que en solución acuosa producían un ión oxhidrilo (OH-), de modo que el protón producía las propiedades ácidas y el ión oxhidrilo era el causante de las propiedades básicas. Se comprendía entonces el hecho de que un ácido reaccionara con una base para producir el agua y la sal correspondiente. Los iones H+ y OH- se combinaban para formar agua, dando lugar a la reacción llamada neutralización.

¿Sabías qué...?
El ácido sulfúrico es el compuesto químico que más se produce en el mundo.

Ejemplos:

Ácidos :

H2SO4             H+    + HSO4

H2SO4            2H+    + SO4=

Bases:

KOH                K+          + OH

Ca (OH)2          Ca++        + 2OH

Sin embargo, la teoría de Arrhenius condujo a ciertas dificultades: como la naturaleza del protón en la solución, y el hecho de que otras sustancias que no tenían iones oxhidrilo, también actuaban como bases. Por ejemplo, al ser la molécula de agua un dipolo, permite la hidratación de iones, pero si los iones son hidratados, quiere decir que el protón debe estar unido al solvente ¿cómo se explica, entonces, que la disociación ácida genere protones libres? Es que el amoníaco líquido puro se comporta como una base en presencia de ácido clorhídrico, a pesar de que no posee un ión oxhidrilo.

De esta forma la teoría queda restringida, ya que se limita a interpretar el comportamiento de los electrolitos (ácidos y bases) en soluciones acuosas.

TEORÍA DE BRÖNSTED-LOWRY

Dado a los problemas que presentaba la teoría de Arrhenius, en 1923 el químico danés Johannes Brönsted y el químico inglés Thomas Lowry, propusieron una teoría más general, la cual señala que un ácido es toda sustancia capaz de ceder protones y la base es aquella sustancia susceptible de aceptarlos. Dicha teoría indica que solo se puede hablar de un ácido si existe una base y solo se puede hablar de una base si hay un ácido.

La teoría de Brönsted-Lowry abarca cualquier medio para que se dé la reacción ácido-base y no solo el medio acuoso. Al liberarse protones a través del ácido, se forma una nueva especie llamada base conjugada del ácido, la cual capta dichos protones de nuevo, y de igual manera, cuando la base capta protones se forma el ácido conjugado, que trata de cederlos.

A1 (ácido) + B2 (base) B1 (base conjugada) + A2 (ácido conjugado)

Ejemplos

En medio acuoso:

HCl (ácido) + H2O (base) Cl (base conjugada) + H3O+ (ácido conjugado)

H2O (ácido) + NH3 (base) OH (base conjugada) + NH4+ (ácido conjugado)

En otro medio:

HCl (ácido) + NH3 (base) Cl (base conjugada) + NH4+ (ácido conjugado)

La fuerza de un ácido está relacionada a su capacidad de donar protones, y la fuerza de una base se debe a su capacidad de aceptar protones. Esta fuerza es una medida cuantitativa llamada constante de disociación ácida, es decir, la constante de equilibrio de la reacción, por lo que en la reacción reversible de equilibrio químico, la base 2 y la base 1 compiten por captar un protón estableciendo un equilibrio en función a la fuerza de los ácidos y las bases.

Un ácido fuerte como el ácido clorhídrico, HCl, tiene una gran tendencia a perder un protón, entonces su base conjugada, el ión cloruro Cl- , tiene una tendencia muy pequeña a adquirir un protón, por tanto, es una base débil. Se concluye que la base conjugada de un ácido fuerte es débil, mientras que la base conjugada de un ácido débil es fuerte. Se da la misma conclusión para las bases fuertes.

Como se observa, las definiciones de Brönsted-Lowry amplían los términos de ácido y base al incluir otras sustancias aparte de los iones H+ y OH. Se debe tomar en cuenta que los iones hidronio se escriben “H+” únicamente por comodidad de notación, ya que estos no existen en solución acuosa sino bajo la forma H3O+.

Constante de ionización del agua

Como se observa en los ejemplos anteriores, el agua es una molécula que se comporta como ácido y como base en función al compuesto con el cual reacciona, si es un ácido fuerte o una base fuerte. Por dicho comportamiento es llamada molécula anfótera. A su vez, el agua pura es un electrolito débil que se autoioniza (autoprotólisis) escasamente, disociándose en iones hidronio y oxhidrilo de la siguiente forma:

H2O + H2O      H3O+ + OH

• La reacción de disociación en equilibrio químico ha demostrado experimentalmente que este se encuentra más desplazado hacia la izquierda, es decir, en agua pura el porcentaje de iones hidronio y oxhidrilo es bastante bajo, prevaleciendo las moléculas de agua. La ley del equilibrio químico para el agua pura es:

• Al ser constante la cantidad de moléculas de agua en la reacción de disociación, esta se convierte en otra constante, la cual puede pasar al numerador del primer miembro:

• El producto entre dos constantes es otra constante, que se denominará Kw (del inglés water: agua), por lo que:

• El agua pura a 25 °C posee una misma concentración de iones hidronio e iones oxhidrilo de 1.10-7 mol/L, ya que por cada molécula de agua que se disocia se forma un ión hidronio y un ión oxhidrilo. Al sustituir las concentraciones en la fórmula, queda:

• La igualdad en las concentraciones de los iones hidronio y oxhidrilo se debe a la neutralidad del agua pura, por tanto, si la concentración de iones hidronio es mayor a 1.10-7 mol/L, la de iones oxhidrilo es menor, siendo el agua o solución estudiada, ácida; en el caso contrario, que la concentración de iones oxhidrilo sea mayor a 1.10-7 mol/L, la concentración de iones hidronio será menor, siendo básica la solución acuosa.

¿Sabías qué...?
El cloruro de hidrógeno tiene numerosos usos, por ejemplo, sirve para galvanizar metales y curtir cueros.

TEORÍA DE LEWIS

En el mismo año que Brönsted-Lowry propusieron sus definiciones, el fisicoquímico estadounidense Gilbert Newton Lewis planteó otra definición, la cual se basó en una observación de la reacción de formación de agua, en donde dedujo que los iones OH son dadores de electrones y los iones H3O+ aceptores.

La transferencia de electrones le permitió proponer que un ácido es cualquier sustancia que pueda aceptar o compartir un par de electrones, y una base es cualquier sustancia que pueda compartir o donar un par de electrones. Los ácidos y bases según Lewis se pueden clasificar en:

• Ácido: todos los iones positivos son ácidos, en función a su tendencia a combinarse con un par de electrones. Son ácidos todas las moléculas en donde un átomo central tiene un octeto incompleto, o uno o más enlaces múltiples.

• Base: todos los iones negativos son bases en función a su tendencia a donar con un par de electrones. Son bases todas las moléculas en donde un átomo tiene uno o dos pares de electrones no compartidos, o un enlace doble.

Ejemplo:

HCl + NH3         NH4Cl

POTENCIAL IÓNICO DE ACIDEZ o pH

Como se indicó anteriormente, al disolver un ácido en agua neutra aumenta la concentración de iones hidronio H3O+ (es decir que [H3O+] ˃ 10-7), convirtiéndose la solución en ácida al disminuir la concentración de iones oxhidrilo; mientras que al disolver una base en agua neutra aumenta la concentración de iones oxhidrilo OH (es decir que [OH] ˃ 10-7), convirtiéndose la solución en básica al disminuir la concentración de iones hidronio. Como en ambos casos las concentraciones de los iones están relacionadas, la Kw se mantiene constante.

En 1990 el químico danés Soren Peter Lauritz Sorensen, con el objetivo de representar las concentraciones de iones de manera más sencilla que mediante potencias de exponentes negativos, sugirió que se operara con el logaritmo negativo de dicha concentración, al cual denominó pH o potencial de la concentración de iones hidronio, expresión numéricamente igual al logaritmo del inverso o logaritmo negativo de la concentración de iones hidronio, representados en mol/L. Igualmente, para el caso de las bases, el pH es igual al logaritmo del inverso o logaritmo negativo de la concentración de iones oxhidrilo, representados en mol/L.

pH= – log [H3O+]= – log [10-7]

pH= – log [OH-]= – log [10-7]

Por ello se puede deducir que para los tipos de soluciones:

Solución Características pH, pOH
Neutra [H3O+]= [OH-] 10-7 = 10-7 7
Ácida H3O+]>[OH-] [H3O+]>10-7 y [OH-] ˂ 10-7 pH ˂ 7 , pOH ˃ 7
Básica [H3O+] ˂ 10-7 y [OH-] ˃10-7] pH ˂ 7 , pOH ˃ 7

En la escala de valores, el pH va desde 0 a 14, es decir, desde las soluciones más ácidas hasta las más básicas. El pH puede ser medido a través de dos métodos conocidos, el potenciométrico y el colorimétrico.

El potenciómetro mide el potencial eléctrico generado por los iones hidronio en la solución a través de una membrana de vidrio, la cual posee una determinada concentración de iones hidronio y es por ello que antes de usar el aparato es necesario calibrarlo.

El método colorimétrico se refiere a las diferentes sustancias utilizadas como indicadores de pH. Estos indicadores son ácidos y bases muy débiles que muestran diferentes colores en estado iónico y en estado molecular. Ejemplos: el tornasol, la fenolftaleína, violeta de metilo, entre otros.

El pH tiene gran importancia en los procesos vitales, ya que para que se dé el funcionamiento adecuado de muchas enzimas, en necesario mantener un pH neutro en el interior de las células. También es importante en las operaciones industriales, por ejemplo en la elaboración y preservación de alimentos.

Concepto de Arrehnius

Arrhenius propuso definiciones precisas de ácido, base y sal basadas en su teoría de la disociación electrolítica.

Para Arrhenius, un ácido es cualquier sustancia que en disolución acuosa da iones H+ (o, para ser más precisos y puesto que estos iones se hidrolizan, iones H3O+), es decir que contiene hidrógeno reemplazable por un metal o por un radical positivo para formar sales; una base es cualquier sustancia que en disolución da iones hidroxilo OH- , es decir que contiene uno más grupos hidroxilo reemplazables por radicales ácidos negativos para formar sales; y una sal es un compuesto que se ioniza dando aniones distintos al ion OH- y cationes distintos al ion H3O+.

Arrehnius se encargó de darle difiniciones a los ácidos, las bases y las sales.

Una sal ácida (NaHSO4, KHCO3, etc.) es la que, además de dar cationes de uno o más metales (sales dobles), da iones H3O+; análogamente, una sal básica (ClSbO, Cl(OH)Ca, etc.) es aquella que, además de los aniones que corresponden a su radical ácido, da aniones OH-. Por oposición a las sales ácidas y a las básicas, las sales normales se denominan sales neutras.

Steve August Arrehnius (1859-1927) fue un reconocido científico sueco.

Concepto de Bronsted y Lowry

Los iones H3O+ y OH-, cuya presencia caracteriza respectivamente las disoluciones acuosas de ácidos y de bases, se forman en realidad a partir de moléculas de agua que, respectivamente, incorporan o pierden un ion H+ o, lo que es lo mismo, un protón. Con otros disolventes distintos del agua, los ácidos y las bases se comportarían del mismo modo, es decir cediendo o aceptando protones, pero los iones formados serían distintos en cada caso.

Razonando a partir de estas y similares consideraciones, en 1923, Brönsted y Lowry propusieron, independientemente uno de otro, las siguientes definiciones de ácido y de base: Ácido es toda sustancia que puede ceder protones, y base toda sustancia que puede ganar protones. Es decir, un ácido es propiamente un dador de protones, mientras que una base es un aceptor de protones. Pero, puesto que el proceso de perder o ganar un protón es reversible, el ácido, al perder un protón, se transforma en una base y, a su vez, ésta, al ganarlo, se transforma en un ácido. Así, pues, un ácido y su base correspondiente forman un sistema conjugado.

Ácido Protón + Base

Como un protón no puede tener una existencia libre en disolución, debe incorporarse a otra sustancia que se comporta así como base. Los equilibrios se establecen pues en sistemas conjugados dobles del tipo:

Ácido1 + Base2 Ácido2 + Base1

En los que, cuanto más fuerte es un ácido, más débil es su base conjugada y, cuanto más fuerte es una base, más débil es su ácido conjugado. Ejemplos:

HCl + NH3 NH4 + + Cl-

H2SO4 + H2O H3O+ + HSO4 –

HSO4 – + H2O H3O+ + SO4 –

Es importante saber que se considera un ácido a toda sustancia que puede ceder protones, y base a toda sustancia que puede ganar protones.

Según la teoría de Brönsted y Lowry, un ácido y una base pueden ser tanto compuestos moleculares como iones, y una misma sustancia molecular o iónica puede actuar en un caso como ácido y en otro como base. Por ejemplo, el agua actúa como base frente al cloruro de hidrógeno y como ácido frente al amoníaco. En disoluciones no acuosas se forman iones distintos de los iones H3O+ y OH-, pero el proceso es esencialmente el mismo; así, disueltos en amoníaco, NH3, sustancia que como disolvente tiene un comportamiento muy similar al del agua, los ácidos dan lugar a la formación de iones amonio, NH4 +, y las bases a la formación de iones amida, NH2.

Thomas Martin Lowry (1874-1936)
Johannes Nicolaus Bronsted (1879-1947)

Concepto de Lewis

La principal dificultad de las definiciones de ácido y base de Brönsted y Lowry es que sólo pueden aplicarse a reacciones que implican la transferencia de un protón, por lo que para que una sustancia pueda actuar como un ácido en el sentido de la definición de Brönsted-Lowry debe contener en su molécula un átomo de hidrógeno ionizable.

Sin embargo, hay muchas reacciones en las que una sustancia que de acuerdo con la teoría de Brönsted-Lowry no sería un ácido se comporta realmente como tal en el sentido más clásico del término (el de formador de sales). Así, por ejemplo, en ausencia de disolvente y, por lo tanto, sin que exista transferencia de protones, el dióxido de carbono, CO2, reacciona con un óxido básico como el óxido de calcio, CaO, para formar una sal:

CaO + CO2 CaCO3

El problema estriba esencialmente en el injustificado papel especial que la teoría de Brönsted-Lowry otorga al protón. Para superar esta dificultad, Lewis propuso en 1923 un innovador concepto de ácido y base. El nuevo punto de vista no tuvo apenas eco en el mundo científico hasta que el propio Lewis volvió a presentar sus ideas más ampliamente desarrolladas en 1938. De acuerdo con esta teoría, un ácido es toda sustancia (molecular o iónica) que puede aceptar un par de electrones, y una base toda sustancia que puede ceder un par de electrones. En otras palabras, un ácido debe tener su octeto de electrones incompleto y una base debe poseer un par de electrones solitarios. Entonces, la unión de un ácido y una base corresponde a la formación de un enlace covalente dativo o coordinado.

El concepto de Lewis propuso corregir los errores de la teoría de Bronsted y Lowry.

El concepto de base propuesto por Lewis coincide esencialmente con el de Brönsted-Lowry, ya que para que una sustancia pueda aceptar un protón (es decir, comportarse como base en el sentido de Brönsted-Lowry) debe poseer un par de electrones no compartidos. Por ejemplo, la molécula de agua, H2O, y el ion cloruro, Cl-, que pueden aceptar un protón, tienen las siguientes estructuras electrónicas:

O sea, que poseen un par de electrones no compartidos que pueden emplear para aceptar un protón, formando, respectivamente, el ion H3O+ y la molécula HCl:

Evidentemente, tanto el agua como el ion cloruro pueden comportarse como bases de Lewis cediendo un par de electrones no compartidos a un ácido. Vemos, pues, que, respecto al concepto de base de la teoría de Brönsted-Lowry, el concepto propuesto por Lewis no amplía de forma significativa el número de compuestos que pueden ser considerados como bases.

Sin embargo, el caso es radicalmente distinto para el concepto de ácido. Para empezar, hay sustancias que son ácidos de acuerdo con la definición de Brönsted-Lowry y que no lo son en el sentido de Lewis. Por ejemplo, para Lewis el HCl no es realmente un ácido sino la combinación de un ácido (H+) y una base (Cl-); ya vimos que el ion Cl- es una base tanto según la definición de Brönsted-Lowry como de Lewis y ahora justificaremos que el ion H+ es un ácido en el sentido de Lewis mediante la reacción:

H+ + H2O H3O+

En la que el H+ acepta un par de electrones de la molécula de agua para formar un ion H3O+, comportándose, por lo tanto, como un ácido. También deben ser considerados como ácidos en el sentido de Lewis los cationes metálicos, que aceptan pares de electrones al hidratarse o solvatarse. Y, volviendo a la reacción que escribimos más arriba entre el dióxido de carbono y el óxido de calcio:

CaO + CO2 CaCO3

También aquí debemos considerar que el CO2 es un ácido en el sentido de Lewis, ya que en esta reacción el átomo de carbono del CO2 acepta en covalencia dativa un par de electrones cedidos por el átomo de oxígeno del CaO:

El modelo de Lewis se utiliza en química orgánica para explicar el comportamiento catalítico de algunos compuestos que son ácidos de Lewis, pero, en general, cuando se estudian reacciones que tienen lugar en disolución acuosa o simplemente que implican una transferencia de protones, la generalización propuesta por Lewis resulta innecesaria y los químicos razonan en estos casos a partir de los conceptos de Arrhenius o de Brönsted-Lowry.

Gilbert Newton Lewis (1875-1946) fue un reconocido fisicoquímico estadounidense.

Mutación

Las mutaciones provocan cambios en el ADN, los cuales pueden provocar desórdenes genéticos devastadores o adaptaciones beneficiosas, razón por la cual es de suma importancia estudiarlas.

¿Qué son las mutaciones?

Las mutaciones son cambios en las secuencias del ADN o ARN y son una de las causas principales de la diversidad biológica. Se producen en muchos niveles diferentes, desde un bloque del ADN hasta un segmento de algún cromosoma, y tienen consecuencias diferentes en cada organismo.

A pesar de que existen varios tipos de cambios moleculares, la mutación se refiere típicamente a los cambios en los ácidos nucleicos.
A pesar de que existen varios tipos de cambios moleculares, la mutación se refiere típicamente a los cambios en los ácidos nucleicos.

En los sistemas biológicos capaces de reproducirse, los cambios pueden ser o no heredables. Por ejemplo, algunas mutaciones afectan a un solo individuo, el que la porta, mientras que otras a todos los descendientes del organismo portador y por lo tanto a futuras generaciones.

Mutaciones hereditarias vs. mutaciones somáticas o adquiridas

Las mutaciones hereditarias son aquellas que pasan de padres a hijos, generalmente están presentes en toda la vida de la persona y ocupan prácticamente todas las células de su cuerpo. Estas mutaciones también se conocen como mutaciones de línea germinal, porque se pueden hallarse en las células germinales del padre o de la madre, es decir, en el óvulo o los espermatozoides.

Las mutaciones hereditarias se producen en las células sexuales.
Las mutaciones hereditarias se producen en las células sexuales.

Por otro lado, las mutaciones adquiridas o somáticas pueden producirse en algún momento de la vida de la persona, pero sólo estarán presentes en ciertas células del cuerpo. Estas no son pasadas a las siguientes generaciones porque no se producen en las células germinales, ocurren en las somáticas.

Las mutaciones adquiridas se pueden generar por factores ambientales o errores durante la división celular de las células somáticas.

Tipos de mutaciones

Existen muchas formas diferentes en las que el ADN puede cambiar, lo que da como resultado diversos tipos de mutaciones, las cuales se diferencias entre sí de acuerdo al lugar donde se producen, dividiéndose en:

  • Mutaciones génicas o moleculares.
  • Mutaciones cromosómicas.
  • Mutaciones genómicas.

Mutaciones genéticas

Son aquellas que ocurren cuando se producen cambios en la secuencia de nucleótidos del ARN, lo que puede traer como consecuencia que se formen las proteínas incorrectas. Dentro de este tipo se encuentran:

  • Sustituciones: son aquellas en las que hay un intercambio entre dos bases nitrogenadas, ejemplo, un cambio entre una timina (T) y una citosina (C). Dicha sustitución podría cambiar el codón y generar un aminoácido diferente, lo que provocará a su vez un cambio en la proteína producida.

CTGGAG

CTGGTG

La anemia falciforme es causada por una mutación de sustitución, en esta el codón GAG muta a GTG, y conduce al cambio del aminoácido glutamato a valina.

En algunos casos las sustituciones pueden no afectar la estructura de la proteína, a éstas se las conoce como mutaciones silenciosas.

Mutaciones cromosómicas

Son aquellas que afectan a los cromosomas mediante las supresiones o duplicaciones de algún segmento del cromosoma. Dentro de este tipo se encuentran:

  • Inserciones: son aquellas mutaciones en las que pares de bases extra se insertan en el ADN. Este número de bases puede variar entre uno y miles. La enfermedad de Huntington y el síndrome de X frágil son ejemplos de este tipo de mutaciones.
Mutación de tipo inversión.
Mutación de tipo inversión.
  • Deleciones: son aquellas en las que se suprime o se pierde una sección del ADN. El número de bases suprimidas puede variar de uno a miles.

El síndrome de deleción 22q11.2 es un ejemplo de mutación por deleción, en éste se suprimen algunos pares de bases del cromosoma 22, lo que trae como consecuencias, trastornos autoinmunes y defectos cardíacos.

Mutación de tipo deleción.
Mutación de tipo deleción.
  • Translocaciones: son aquellas mutaciones en las que una porción del ADN es pasada de un cromosoma a otro no homólogo. Algunos tipos de leucemia son provocados por translocaciones.
Mutación de tipo translocación.
Mutación de tipo translocación.

Mutaciones genómicas

También conocidas como mutaciones numéricas, son aquellas que afectan el número total de cromosomas de un individuo. Dentro de este tipo se pueden destacar:

  • Poliploidía: es aquella condición en la que un organismo diploide adquiere uno o más juegos de cromosomas adicionales. La poliploidía se produce como consecuencia de la no separación o separación incompleta de los cromosomas durante la mitosis o meiosis.
  • Aneuploidía: en este caso la mutación se produce en uno o varios cromosomas pero no afecta el juego completo, como en el caso de la poliploidía. La aneuploidía genera un número anormal de algún cromosoma. De acuerdo a esto, las aneuploidias pueden ser de tipo, monosomías, trisomías y tetrasomías, entre otras, de acuerdo al número de cromosomas que se dupliquen.
El síndrome de Down se produce porque hay 3 cromosomas del tipo 21, por eso también se conoce como trisomía 21.
El síndrome de Down se produce porque hay 3 cromosomas del tipo 21, por eso también se conoce como trisomía 21.
  • Haploidía: son aquellas en las que se produce una disminución en el juego total de cromosomas de un individuo.

Efectos de las mutaciones

Los efectos de las mutaciones pueden ser beneficiosos, perjudiciales o neutrales, todo depende del contexto y de la ubicación donde ocurra la misma.

La mayoría de las mutaciones no neutrales son deletéreas, es decir, afectan la capacidad de un individuo sin causarle la muerte. Generalmente, cuanto mayor es el número de bases afectadas por una mutación, mayor será el efecto de la misma sobre el individuo.

Las mutaciones pueden variar en efecto, algunas pueden tener efectos enormes, mientras que otras, tienen efectos pequeños que pueden generar cambios evolutivos.

La mayoría de las veces en las que ocurre una mutación, se logra invertir por los procesos de reparación del ADN, los cuales están en constante trabajo para evitar cualquier error. Sin embargo, algunos cambios pueden permanecer y son los potencialmente generaran una enfermedad.

Reacción ácido-base

Una reacción-ácido base se puede observar en la vida cotidiana, como es el caso de los antiácidos que son usados para tratar la acidez en algunas personas. Su principio es sencillo, comúnmente son compuestos básicos que sirven para neutralizar la acidez de los jugos gástrico, por esta razón las reacciones ácido-base son conocidas también como reacciones de neutralización.

Conceptos básicos

  • Reacción química

Proceso en el cual una o varias sustancias (denominadas reactivos o reactantes) sufren una transformación en su estructura molecular y en los enlaces, de manera que originan otras sustancias diferentes o productos.

  • Ácido

Compuesto químico que al disolverse en agua origina un incremento en la concentración de los iones de hidrógeno.

El fisicoquímico Gilbert N. Lewis, por su parte, lo define de manera más amplia como aquella especie química capaz de aceptar un par de electrones de otra especie.

Los ácidos tienen un sabor es agrio, un ejemplo es el jugo de limón que contiene ácido cítrico, de hecho, la palabra ácido proviene del término latino acidus que significa “ágrio”.

El vinagre es un tipo de ácido usado en la cocina y se denomina ácido acético.
  • Base

A lo largo de la historia se han realizado numerosos esfuerzos para definir a estos compuestos. Una de las definiciones más recientes es la de Lewis, que lo describe como aquella sustancia capaz de donar un par de electrones.

Las bases son resbalosas al tacto y su sabor es amargo, un ejemplo se observa en el jabón que es un tipo de base.

Las bases son solubles en el agua.

Reacciones ácido-base

De la misma forma en la que se han planteado diferentes definiciones para los ácidos y para las bases con el paso del tiempo, también han surgido descripciones alternativas para las reacciones de ácido-base. Uno de los primeros en estudiar a este tipo de reacciones fue el químico sueco Svante Arrhenius, quién sostenía que eran reacciones en las que los ácidos formaban cationes de hidrógeno H+ (que luego se demostró que no existen de forma aislada sino en la forma de H3O+ o ión hidronio) y las bases formaban aniones OH.

Definición según Svante Arrhenius

Es aquella reacción química producida entre un ácido y una base para formar una sal y agua.

Cumple la siguiente forma: Ácido+ + base-→ sal + agua

Por ejemplo: HCl + NaOH → NaCl +H2O

Aunque la definición de Arrhenius era sencilla, tenía sus limitaciones, por ejemplo se cumplía solamente en una solución acuosa. Por esta razón, los científicos Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry plantearon una definición en función de la capacidad que tienen las bases de aceptar protones y los ácidos de cederlos, desde este punto de vista se consideran tanto al concepto planteado por Arrehnius como a las reacciones de ácido-base en soluciones no acuosas.

El planteamiento Brønsted-Lowry no se limita a un medio acuso pero se enfoca únicamente a los ácidos que contienen hidrógeno.
Definición según Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry

Reacción química en la que la que se elimina un catión hidrógeno del ácido el cual se adiciona posteriormente a la base.

Como fórmula general se tiene: AH + B → base conjugada + ácido conjugado

Dónde:

AH = ácido B = base

Base conjugada: ión o molécula que resulta del ácido y cede el protón.

Ácido conjugado: ión o molécula resultante de la base que gana el protón.

Por ejemplo: CH3COOH(ácido) + H2O(base)→ CH3COO(base conjugada) + H3O+(ácido conjugado)

 

El agua (H2O) es una sustancia anfótera, es decir, puede comportarse como ácido o como base según el caso.

Posteriormente, el fisicoquímico estadounidense Gilbert N. Lewis no se fundamentó ni en la ionización en un medio acuoso planteada por Arrhenius ni en la transferencia de protones de Brønsted-Lowry, sino que por su parte analizó la transferencia de electrones que se produce en las reacciones de ácido-base. En este sentido, se define a la base como el compuesto capaz de donar un par electrónico y al ácido como el compuesto capaz de recibirlo. A través de este planteamiento se pudieron incluir sustancias que anteriormente no se consideraban en las definiciones anteriores.

Todas las sustancias catalogadas como ácidos en el planteamiento Brønsted-Lowry también son ácidos para Lewis ya que aceptan el par electrónico.
Definición según Lewis

Reacción química que se produce como producto de la donación del par electrónico de la base al ácido. El resultado es un enlace covalente entre los dos compuestos.

Tiene por fórmula general: A + :B → A—B+

Dónde:

A = ácido de Lewis

B = base de Lewis

A-—B+ = compuesto resultante

Por ejemplo: AlCl3 (ácido) + :NH3 (base)→ [Al(NH3)Cl3]

Según la definición de Lewis, la molécula de amoníaco cede su par de electrones sobrante al ácido para producir con este un enlace covalente.

El pH

Permite indicar el grado de acidez o basicidad de soluciones acuosas, sus siglas provienen del fránces pouvoir hydrogène que significa “poder del hidrógeno” debido a que mide la concentración de iones de hidrógeno en dichas disoluciones.

Las sustancias con pH menor a 7 se consideran ácidas, por el contrario de las que tienen un pH superior a 7 que son consideradas como alcalinas.

Las disoluciones se consideran neutras cuando su pH es igual a 7 como es el caso del agua.

Propiedades y nomenclatura de ésteres

Los ésteres son compuestos orgánicos oxigenados que contienen un carbonilo unido a un grupo alcoxido y un grupo alquilo o arilo. Éstos se obtienen a partir de ácidos carboxílicos, por lo cual se conocen como derivados de los mismos.

Los ésteres (R-COOR) son compuestos estructuralmente relacionados a los ácidos carboxílicos (R-COOH), ya que la formación del éster requiere la sustitución del grupo –OH del ácido por un grupo –OR´.

Esterificación

La esterificación es una reacción a partir de la cual se pueden obtener ésteres. Para ellos se hace reaccionar un acido carboxílico con un alcohol para formar el éster más agua, generalmente se emplea un acido fuerte como catalizador.

PROPIEDADES DE LOS ÉSTERES

Los ésteres de baja masa molecular se caracterizan por ser líquidos con aromas agradables, conforme la masa molecular aumenta, lo esteres tienden a ser sólidos a temperatura ambiente e inodoros.

La solubilidad de los esteres en agua disminuye conforme aumenta la cadena carbonada.

Por otro lado, sus puntos de ebullición suelen ser más bajos que el del ácido del cual deriva cada uno debido a que la presencia de un grupo alquilo o arilo en lugar del hidrógeno dificulta la formación de enlaces de hidrógeno.

Aroma a ésteres

Una de las características de los esteres está relacionado a su aroma, el cual es responsable del olor de algunas frutas y flores. Por ello se utilizan en la industria de las fragancias y perfumes.

El plátano debe su aroma al etanoato de pentilo.
El pentoanato de pentilo es el responsable del olor a manzana.
El albaricoque es un aroma asociado al butanoato de pentilo.
El olor a frambuesa se debe al octanoato de heptilo.

NOMENCLATURA DE ÉSTERES

Además de las regla generales de nomenclatura, la IUPAC determinó una serie de reglas específicas para los ésteres, las cuales se detallan a continuación.

¡Recuerda!

Las normas generales de nomenclatura orgánica son:

  1. Seleccionar la cadena principal, ésta siempre es la más larga y la que contiene el grupo funcional de mayor prioridad.
  2. Enumerar la cadena principal, para lo cual se asigna la numeración más baja posible al grupo funcional principal y a los sustituyentes e insaturaciones presentes en la estructura.
  3. Identificar y nombrar los sustituyentes presentes.
  4. Los sustituyentes se nombran en orden alfabético, en casos donde los sustituyentes se encuentran repetidos se utilizan prefijos de cantidad que no son considerados al momento de ordenar, por ejemplo: di = 2, tri = 3, tetra = 4, penta = 5, hexa = 6 y así sucesivamente.

 

  1. Los ésteres se nombran como sales del ácido carboxílico del cual provienen. Para ello se sustituye la terminación –oico por el sufijo –oato, luego se coloca el nombre del sustituyente alquilo o arilo unido al átomo de oxígeno, dichos nombres deben estar separados por la palabra “de”.

– Ejemplo:

  1. En compuestos donde el grupo éster se encuentra como sustituyente, por ejemplo en ácidos carboxílicos y anhídridos ácidos, se emplea el nombre del alcoxido correspondiente seguido de la palabra carbonil.
  • Ejemplo:

 

Algunos medicamentos son ésteres, por ejemplo la aspirina.
  1. En aquellos compuestos donde el grupo éster está unido a un ciclo se considera como cadena principal al ciclo, cuyo nombre va seguido de la terminación –carboxilato de alquilo, donde el nombre del alquilo dependerá del número de carbonos.
  • Ejemplo:

 

¿Sabías qué...?
Los ésteres cíclicos reciben el nombre de lactonas

 

Valerolactona

Ejemplo:

Nombre el siguiente compuesto:

Paso 1: reconocer el ácido del cual proviene el éster, luego se elimina la palabra ácido y se sustituye el sufijo –ico por -ato.

Paso 2: reconocer y nombrar el grupo alquilo unido al oxigeno.

Paso 3: escribir el nombre completo del compuesto.