Conceptos Clave de Ácidos y Bases: Teorías, Fortaleza y Constantes de Equilibrio

Teoría de Arrhenius: Fundamentos y Limitaciones

Un electrolito es una sustancia que en disolución acuosa conduce la electricidad. Arrhenius estableció que cuando un electrolito se disolvía en agua, se disociaba en dos partes cargadas eléctricamente con cargas opuestas (positiva: catión, negativa: anión). Esta teoría es válida para cualquier sustancia que en disolución acuosa condujera la electricidad. Como los ácidos y las bases conducen la electricidad, estas ideas se aplicaron a estas sustancias. Un ácido es toda sustancia que se disocia formando protones (H⁺), y una base es toda sustancia que en disolución acuosa se disocia y forma aniones hidroxilo (OH⁻). Esta teoría presenta limitaciones: se restringe el concepto a disoluciones acuosas y presenta dificultades para interpretar las propiedades del amoníaco (NH₃).

Teoría de Brønsted-Lowry: Pares Conjugados y Transferencia Protónica

Los ácidos y las bases no actúan de forma aislada, sino dentro de lo conocido como reacciones ácido-base. Un ácido es toda sustancia que en disolución es capaz de ceder protones, y una base toda aquella que en disolución capta protones. Brønsted y Lowry introducen el concepto de pares ácido-base conjugados.

Según Brønsted y Lowry, los ácidos y las bases no existen de forma aislada; si un ácido cede protones, debe haber otra sustancia capaz de aceptarlos.

Fortaleza Relativa de Ácidos y Bases: Medición y Ejemplos

Un ácido será fuerte cuando tenga una gran tendencia a ceder protones, y una base será fuerte cuanto mayor sea su tendencia a aceptar protones. Resulta difícil de cuantificar, ya que varía según la sustancia a la que se enfrente el ácido o la base. Para establecer una escala de fortaleza de los ácidos y bases, aunque sea solo a nivel cualitativo, es necesario comparar el ácido o la base con respecto a una misma sustancia de referencia: el agua. De forma cuantitativa, la fortaleza de un ácido se puede establecer como el porcentaje de ionización que presenta esta sustancia frente al agua.

Grado de Ionización y Disociación

También se puede medir la fortaleza de un ácido como un grado de ionización expresado en tanto por uno. La ionización de un ácido se puede considerar como la disociación de una molécula en dos partes: un anión y un protón hidratado. Por lo tanto, el grado de disociación es:

Se dice que un ácido es fuerte cuando se encuentra totalmente ionizado en disolución acuosa diluida, es decir, su grado de disociación es igual a 1.

El prototipo de base fuerte es el ión hidroxilo. Los hidróxidos de los metales alcalinos y alcalinotérreos (como la sosa cáustica o la potasa) también se comportan como bases fuertes, aunque su mecanismo no sea directamente la captación de protones. Estas especies son electrolitos; al disolverse en agua, se ionizan totalmente produciendo altas concentraciones de iones OH⁻, los cuales sí tienen tendencia a captar protones. En general, la mayoría de ácidos y bases al disolverse en agua no se ionizan por completo, ya que al alcanzarse el estado de equilibrio, coexisten las especies reaccionantes con los productos de la reacción.

Constantes de Disociación (Ka y Kb) para Ácidos y Bases Débiles

Cuando un ácido débil se encuentra en disolución acuosa, se disocia en sus iones según el equilibrio. De acuerdo con la Ley de Acción de Masas, en el equilibrio existe la siguiente constante:

En las disoluciones acuosas diluidas, la concentración de agua es prácticamente constante. El producto de una constante por otra es una constante, y a este producto se le llama constante de disociación de un ácido (Ka).

Podemos aplicar el mismo razonamiento para una base:

A la hora de establecer la fortaleza de un ácido o de una base, se tienen en cuenta los valores de Ka y Kb. Cuanto mayor sea la Ka, más fuerte será el ácido; cuanto mayor sea la Kb, más fuerte será la base y, por lo tanto, más débiles serán sus bases y ácidos conjugados, respectivamente.

Producto Iónico del Agua (Kw): Autoionización y Equilibrio

Está comprobado que el agua pura conduce débilmente la electricidad; por lo tanto, se trata de un electrolito.

En agua pura, la concentración de iones hidronio (H₃O⁺) es igual a la concentración de iones hidroxilo (OH⁻), ya que por cada molécula de agua que se ioniza se forma un ion de cada tipo. Para que se cumpla la reacción, debe ocurrir que: