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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 gástricos, 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 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.

Método científico

En el centro de la biología y otras ciencias, como la química, la física, la geología y la psicología, se encuentra un enfoque de solución de problemas llamado método científico. Los científicos hacen diferentes preguntas para encontrar respuestas que sean lógicas y apoyadas por pruebas.

Ya sea que se realice un proyecto de feria de ciencias, una actividad científica en el aula, una investigación independiente o cualquier otra investigación acreditada de manera práctica, los pasos del método científico servirán de ayuda para enfocar la pregunta científica, así como también, para trabajar con las observaciones y datos para responderla tan bien como sea posible.

El método científico da un enfoque lógico a la solución de problemas.

Pasos del método científico

El método científico es una forma sistemática de aprender sobre el mundo que nos rodea y responder a las preguntas. El número de pasos varía de una descripción a otra, principalmente cuando los datos y análisis se separan.

  1. Propósito/pregunta: se hacen preguntas sobre las observaciones.
  1. Investigación: se recopila información y se realiza la investigación de los antecedentes. Se deben escribir las fuentes para poder citar las referencias.
  1. Hipótesis: se forma la hipótesis que es un tipo de suposición educada sobre lo que se espera; se crea una descripción tentativa de lo que se ha observado y luego se hacen predicciones basadas en esa hipótesis.
  1. Experimentación: se prueba la hipótesis y las predicciones mediante la realización de un experimento que se puede reproducir. El experimento se debe repetir varias veces para asegurar de que los primeros resultados no fueron un accidente.
La reproducibilidad de los experimentos publicados es el fundamento de la ciencia, si no hay reproducibilidad no hay ciencia.
  1. Análisis de los datos: se registran las observaciones y se analiza el significado de los datos. A menudo se crea una tabla o gráfico de los mismos. Los científicos encuentran frecuentemente que sus predicciones no fueron exactas y su hipótesis no fue apoyada, y en tales casos comunicarán los resultados de su experimento y después volverán a construir una nueva hipótesis y predicción, basadas en la información que aprendieron durante su experimento. Incluso si encuentran que su hipótesis fue apoyada, es posible que deseen probarlo de nuevo de una manera diferente.
  1. Conclusión: en esta parte se acepta o rechaza la hipótesis y se modifica si es necesario. Se comunican los resultados

A pesar de que el método científico se muestra como una serie de pasos, se debe tener en cuenta que la nueva información o el pensamiento crítico del científico podría hacer que vuelvan a repetir los pasos en cualquier momento durante el proceso, con la finalidad de crear un respaldo.

Un proceso como el método científico que implica respaldo y repetición se llama proceso iterativo.

Algunas bases fundamentales del método científico

  • La hipótesis debe ser comprobable y falsificable. Lo último significa que debe haber una posible respuesta negativa a la hipótesis.
  • La investigación debe incluir razonamiento deductivo y razonamiento inductivo.
  • Un experimento debe incluir una variable independiente (que no cambia) y una variable dependiente (que sí cambia). Al cambiar o controlar la variable independiente se registra el efecto que tiene en la variable dependiente.
  • Un experimento debe incluir un grupo experimental y un grupo de control. El grupo control es el que compara el grupo experimental.

Teorías y leyes científicas

El método científico y la ciencia en general pueden ser algo complejas. Una teoría casi nunca se demuestra, aun cuando muchas de éstas se convierten en leyes científicas. Un ejemplo serían las leyes de conservación de la energía, que es la primera ley de la termodinámica, la cual afirma que la energía no puede ser creada ni destruida, solo cambiada en forma.

¿Sabías qué...?
En el caso de las ciencias humanas y sociales, los fenómenos no solo no se pueden repetir controlada y artificialmente, sino que son irrepetibles, como es el caso de la historia.

Una ley solo describe un fenómeno observado, pero no explica por qué el fenómeno existe o lo que lo causa. En la ciencia, las leyes son un punto de partida, donde los científicos pueden hacer las preguntas: ¿por qué? y ¿cómo?

Las leyes generalmente se consideran sin excepción, aunque algunas leyes han sido modificadas con el tiempo después de que otras pruebas encontraron discrepancias.

Esto no significa que las teorías no sean significativas. Para que una hipótesis se convierta en una teoría, las pruebas rigurosas deben ocurrir, típicamente a través de disciplinas múltiples por grupos separados de científicos. Decir que algo es “solo una teoría” es un término que no tiene relación con la ciencia.

En ciencia, una teoría es considerada como el marco para observaciones y hechos.

Hipótesis científica

Es el bloque de construcción inicial en el método científico. Una hipótesis también incluye una explicación de por qué la suposición puede ser correcta. Para que una hipótesis se denomine hipótesis científica tiene que ser apoyada o refutada a través de una experimentación u observación cuidadosamente elaborada.