Reacción ácido-base
Una reacción ácido-base o reacción de neutralizacion es una reacción química que ocurre entre un ácido y una base
. Existen varios conceptos que proporcionan definiciones alternativas
para los mecanismos de reacción involucrados en estas reacciones, y su
aplicación en problemas en disolución
relacionados con ellas. A pesar de las diferencias en las definiciones,
su importancia se pone de manifiesto como los diferentes métodos de
análisis cuando se aplica a reacciones ácido-base de especies gaseosas o
líquidas, o cuando el carácter ácido o básico puede ser algo menos
evidente. El primero de estos conceptos científicos de ácidos y bases
fue proporcionado por el químico francés Antoine Lavoisier, alrededor de 1776.
Teorías ácido-base comunes
Definición de Arrhenius
Tal como se definió en el momento del descubrimiento, las reacciones ácido-base se caracterizan por los ácidos de Arrhenius, que se disocian en solución acuosa formando iones hidrógeno (H+), reconocidos posteriormente como ion hidronio (H3O+),5 y las bases de Arrhenius que forman aniones hidróxilo (OH−). Más recientemente, las recomendaciones de la IUPAC sugieren ahora el término más nuevo de "oxonio" ,6 en lugar de el también aceptado y más antiguo de "hidronio"7 para ilustrar los mecanismos de reacción, tales como los de las definiciones de Bronsted-Lowry y sistemas solventes, más claramente que con la definición de Arrhenius que actúa como un simple esquema general del carácter ácido-base.5 La definición de Arrhenius se puede resumir como "los ácidos de Arrhenius forman iones hidrógeno en solución acuosa, mientras que las bases de Arrhenius forman iones hidróxilo".
La tradicional definición acuosa de ácido-base del concepto de Arrhenius se describe como la formación de agua a partir de iones hidrógeno e hidróxilo, o bien como la formación de iones hidrógeno e hidróxilo procedentes de la disociación de un ácido y una base en solución acuosa:
- H+ (aq) + OH− (aq) H2O
(En los tiempos modernos, el uso de H+ se considera como una abreviatura de H3O+, ya que actualmente se conoce que el protón aislado H+ no existe como especie libre en solución acuosa.)
Esto conduce a la definición de que, en las reacciones ácido-base de Arrhenius, se forma una sal y agua a partir de la reacción entre un ácido y una base.5 En otras palabras, es una reacción de neutralización.
- ácido+ + base− → sal + agua
- 2 NaOH + H2SO4 → 2 H2O + Na2SO4
Definición de Brønsted-Lowry
Artículo principal: Teoría ácido-base de Brønsted-Lowry.
La definición de Brønsted-Lowry, formulada independientemente por sus dos autores Johannes Nicolaus Brønsted y Martin Lowry en 1923, se basa en la idea de la protonación de las bases a través de la desprotonación de los ácidos, es decir, la capacidad de los ácidos de "donar" iones hidrógeno (H+) a las bases, quienes a su vez, los "aceptan".8
A diferencia de la definición de Arrhenius, la definición de
Brønsted-Lowry no se refiere a la formación de sal y agua, sino a la
formación de ácidos conjugados y bases conjugadas, producidas por la transferencia de un protón del ácido a la base.5 8En esta definición, un "ácido es un compuesto que puede donar un protón, y una base es un compuesto que puede recibir un protón". En consecuencia, una reacción ácido-base es la eliminación de un ion hidrógeno del ácido y su adición a la base.9 Esto no se refiere a la eliminación de un protón del núcleo de un átomo, lo que requeriría niveles de energía no alcanzables a través de la simple disociación de los ácidos, sino a la eliminación de un ion hidrógeno (H+).
La eliminación de un protón (ion hidrógeno) de un ácido produce su base conjugada, que es el ácido con un ion hidrógeno eliminado, y la recepción de un protón por una base produce su ácido conjugado, que es la base con un ion hidrógeno añadido.
Por ejemplo, la eliminación de H+ del ácido clorhídrico (HCl) produce el anión cloruro (Cl−), base conjugada del ácido::
- HCl → H+ + Cl−
- H+ + OH− → H2O
- H+ + NH3 → NH4+
- CH3COOH + NH3 → NH4+ + CH3COO−
- 2 H2O H3O+ + OH−
Entonces, la fórmula general para las reacciones ácido-base, de acuerdo a la definición de Brønsted-Lowry, es:
- AH + B → BH+ + A−
Definición de Lewis
Artículo principal: Ácidos y bases de Lewis.
La definición de Lewis de las reacciones ácido-base, propuesta por Gilbert N. Lewis en 192310 es además, una generalización que comprende la definición de Brønsted-Lowry y las definiciones de sistema solvente.11
En lugar de definir las reacciones ácido-base en términos de protones o
de otras sustancias enlazadas, la propuesta de Lewis define a una base
(conocida como base de Lewis) al compuesto que puede donar un par electrónico, y un ácido (un ácido de Lewis) como un compuesto que puede recibir dicho par electrónico.11Por ejemplo, si consideramos la clásica reacción acuosa ácido-base:
- HCl (aq) + NaOH (aq) → H2O (l) + NaCl (aq)
Al tratar las reacciones ácido-base en términos de pares de electrones en vez de sustancias específicas, la definición de Lewis se puede aplicar a reacciones que no entran dentro de ninguna de las otras definiciones de reacciones ácido-base. Por ejemplo, un catión plata se comporta como un ácido con respecto al amoníaco, que se comporta como una base, en la siguiente reacción:
- Ag+ + 2 :NH3 → [H3N:Ag:NH3]+
En reacciones entre ácidos de Lewis y bases de Lewis, ocurre la formación de un aducto11 cuando el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de una molécula, tal como el NH3, con pares de electrones solitarios disponibles dona pares de electrones libres al orbital molecular más bajo no ocupado (LUMO) de una molécula deficiente en electrones, a través de un enlace covalente coordinado; en tal reacción, la molécula interactuante HOMO actúa como una base, y la molécula interactuante LUMO actúa como un ácido.11 En moléculas altamente polares, como el trifluoruro de boro (BF3),11 el elemento más electronegativo atrae los electrones hacia sus propios orbitales, proporcionando una cierta carga positiva sobre el elemento menos electronegativo y una diferencia en su estructura electrónica debido a las posiciones de sus electrones en orbitales axiales o ecuatoriales, produciendo efectos repulsivos de las interacciones "par solitario-par enlazante" entre los átomos enlazados en exceso con aquellos provistos de interacciones par enlazante-par enlazante.11 Los aductos que involucran iones metálicos se conocen como compuestos de coordinación.
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