Capítulo X

ÁCIDOS, BASES Y SALES; NEUTRALIZACIÓN

~Ácidos, bases y sales.~ Las tres clases de compuestos conocidas respectivamente como ácidos, bases y sales incluyen la gran mayoría de los compuestos con los que tendremos que tratar. Por lo tanto, es importante que consideremos cada una de estas clases de manera sistemática. Los miembros individuales pertenecientes a cada clase serán tratados en detalle en los lugares apropiados, pero en este capítulo se describirán algunos representantes de cada clase, haciendo especial referencia a las propiedades comunes conforme a las cuales se clasifican.

~Los ácidos conocidos.~ El ácido clorhídrico es un gas compuesto de hidrógeno y cloro, y tiene la fórmula HCl. La sustancia es muy soluble en agua, y es esta solución la que comúnmente se llama ácido clorhídrico. El ácido nítrico es un líquido compuesto de hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, con la fórmula HNO{3}. Tal como se vende comercialmente, está mezclado con aproximadamente un 32% de agua. El ácido sulfúrico, cuya composición está representada por la fórmula H{2}SO{4}, es un líquido aceitoso casi dos veces más pesado que el agua, y comúnmente se le llama aceite de vitriolo.

~Características de los ácidos.~ (1) Todos los ácidos contienen hidrógeno. (2) Cuando se disuelven en agua, las moléculas del ácido se disocian en dos tipos de iones. Uno de ellos es siempre hidrógeno y es el catión (+), mientras que el otro consiste en el resto de la molécula y es el anión (-). (3) La solución tiene un sabor agrio. (4) Tiene la capacidad de cambiar el color de ciertas sustancias llamadas indicadores. Así, el tornasol azul se vuelve rojo y la naranja de metilo amarilla se vuelve roja. Dado que todos los ácidos producen cationes de hidrógeno, mientras que los aniones de cada uno son diferentes, las propiedades que todos los ácidos tienen en común cuando están en solución, como el sabor y la acción sobre los indicadores, deben atribuirse a los iones de hidrógeno.

DEFINICIÓN: Un ácido es una sustancia que produce iones de hidrógeno cuando se disuelve en agua u otros líquidos disociantes.

~Ácidos no disociados.~ Cuando los ácidos están completamente libres de agua, o se disuelven en líquidos como el benceno que no tienen la capacidad de disociarlos en iones, no deben presentar propiedades ácidas reales. Se ha comprobado que esto es así. Bajo estas circunstancias no afectan el color de los indicadores ni presentan ninguna de las propiedades características de los ácidos.

Las bases conocidas. Las bases más usadas en el laboratorio son el hidróxido de sodio (NaOH), el hidróxido de potasio (KOH) y el hidróxido de calcio (Ca(OH){2}). Estas son sólidos blancos, solubles en agua, el último de ellos poco soluble. Algunas bases son muy poco solubles en agua. Las que son muy solubles y tienen propiedades básicas muy marcadas a veces se llaman álcalis.

~Características de las bases.~ (1) Todas las bases contienen hidrógeno y oxígeno. (2) Cuando se disuelven en agua, las moléculas de la base se disocian en dos tipos de iones. Uno de ellos está siempre compuesto de oxígeno e hidrógeno y es el anión. Tiene la fórmula OH y se llama ion hidroxilo. El resto de la molécula, que usualmente consiste en un solo átomo, es el catión. (3) La solución de una base tiene una sensación jabonosa y un sabor salobre. (4) Revierte el cambio de color producido en los indicadores por los ácidos, volviendo el tornasol rojo azul y la naranja de metilo roja amarilla. Dado que todas las bases producen aniones hidroxilo, mientras que los cationes de cada una son diferentes, las propiedades que todas las bases tienen en común cuando están en solución deben deberse a los iones hidroxilo.

DEFINICIÓN: Una base es una sustancia que produce iones hidroxilo cuando se disuelve en agua u otros líquidos disociantes.

~Bases no disociadas.~ Las bases, en ausencia de agua o cuando se disuelven en líquidos que no las disocian, no deben presentar ninguna de las propiedades características de esta clase de sustancias. Se ha comprobado que esto es así. Por ejemplo, bajo estas circunstancias no afectan a los indicadores.

~Neutralización.~ Cuando un ácido y una base se mezclan en solución en la proporción adecuada, desaparecen las propiedades características de cada uno. La solución no tiene sabor ni agrio ni salobre; no afecta a los indicadores. Por lo tanto, no puede haber ni iones de hidrógeno ni de hidroxilo presentes en la solución. El estudio de reacciones de este tipo ha demostrado que los iones de hidrógeno del ácido se combinan con los iones de hidroxilo de la base para formar moléculas de agua, siendo el agua una sustancia que no está apreciablemente disociada en iones. Esta acción de un ácido sobre una base se llama neutralización. Las siguientes ecuaciones expresan la neutralización de los tres ácidos por tres bases, formándose agua en cada caso.

Na+, OH- + H+, Cl- = Na+, Cl- + H{2}O.

K+, OH- + H+, NO{3}- = K+, NO{3}- + H{2}O.

Ca++, (OH){2}— + H{2}++, SO{4}— = Ca++, SO{4}— + 2H{2}O.

DEFINICIÓN: La neutralización consiste en la unión del ion hidrógeno de un ácido con el ion hidroxilo de una base para formar agua.

~Sales.~ Se notará que en la neutralización el anión del ácido y el catión de la base no cambian. Si, sin embargo, el agua se elimina por evaporación, estos dos iones se unen lentamente, y cuando el agua se satura con la sustancia así producida, ésta se separa en forma de un sólido llamado sal.

DEFINICIÓN: Una sal es una sustancia formada por la unión del anión de un ácido con el catión de una base.

~Características de las sales.~ (1) Según la definición de sal, se verá que no hay ningún elemento o grupo de elementos que caracterice a las sales. (2) Las sales como clase no tienen un sabor peculiar. (3) En ausencia de otras sustancias no tienen acción sobre los indicadores. (4) Cuando se disuelven en agua forman dos tipos de iones.

~Calor de neutralización.~ Si la neutralización se debe a la unión de iones hidrógeno con iones hidroxilo, y nada más, se deduce que cuando se forma una cantidad dada de agua en la neutralización, el calor liberado debe ser siempre el mismo, sin importar de qué ácido y base provengan los dos tipos de iones. Experimentos cuidadosos han demostrado que esto es así, siempre que no ocurran otras reacciones al mismo tiempo. Cuando se forman 18 g de agua en la neutralización, se liberan 13,700 cal. de calor. Esto se representa en las ecuaciones

Na+, OH- + H+, Cl- = Na+, Cl- + H{2}O + 13,700 cal.

K+, OH- + H+, NO{3}- = K+, NO{3}- + H{2}O + 13,700 cal.

Ca++, (OH){2}— + H{2}++, SO{4}— = Ca++, SO{4}— + 2H{2}O + 2 x 13,700 cal.

~La neutralización como acto cuantitativo.~ Dado que la neutralización es un acto químico definido, cada ácido requerirá un peso perfectamente definido de cada base para su neutralización. Por ejemplo, un peso dado de ácido sulfúrico siempre requerirá un peso definido de hidróxido de sodio, de acuerdo con la ecuación

H{2}, SO{4} + 2Na, OH = Na{2}, SO{4} + 2H{2}O.

~Determinación de la proporción en la neutralización.~ Las cantidades de ácido y base requeridas en la neutralización pueden determinarse de la siguiente manera. Se preparan soluciones diluidas de ambas sustancias, colocando el ácido sulfúrico en una de las buretas (Fig. 34) y el hidróxido de sodio en la otra. Los niveles de ambos líquidos se ajustan a las marcas cero de las buretas mediante las llaves de paso. Se extrae un volumen medido del ácido en un vaso de precipitados, se añaden unas gotas de solución de tornasol, y el hidróxido de sodio se agrega gota a gota hasta que el tornasol rojo apenas se vuelve azul. Se anota el volumen de hidróxido de sodio consumido. Si se conocen las concentraciones de ambas soluciones, es fácil calcular qué peso de hidróxido de sodio se requiere para neutralizar un peso dado de ácido sulfúrico. Evaporando la solución neutralizada hasta sequedad, se puede determinar directamente el peso del sulfato de sodio formado. Los experimentos muestran que los pesos siempre concuerdan con la ecuación del párrafo anterior.

~Grado de disociación.~ Naturalmente surgirá la pregunta: Cuando un ácido, una base o una sal se disuelve en agua, ¿todas las moléculas se disocian en iones, o sólo una parte de ellas? Los experimentos mediante los cuales se puede responder a esta pregunta no pueden describirse aquí. Sin embargo, se ha comprobado que sólo una fracción de las moléculas se disocia. El porcentaje que se disocia en un caso dado depende de varias condiciones, siendo las principales: (1) La concentración de la solución. En soluciones concentradas sólo ocurre un porcentaje muy pequeño de disociación. A medida que la solución se diluye el porcentaje aumenta, y en soluciones muy diluidas puede ser muy alto, aunque nunca es completo en ninguna solución ordinaria. (2) La naturaleza del compuesto disuelto. A igual concentración, las sustancias difieren mucho entre sí en el porcentaje de disociación. La gran mayoría de las sales están disociadas aproximadamente en igual grado. Los ácidos y las bases, por el contrario, muestran grandes diferencias. Algunos se disocian libremente, mientras que otros se disocian sólo en una pequeña proporción.

Fuerza de los ácidos y las bases. Dado que las propiedades ácidas y básicas se deben a los iones hidrógeno e hidroxilo respectivamente, el ácido o la base que produzca el mayor porcentaje de estos iones a una concentración dada debe considerarse como el representante más fuerte de su clase. Los ácidos y bases descritos en los párrafos anteriores son todos bastante fuertes. En soluciones al 10% están disociados aproximadamente en un 50%, y este es también aproximadamente el grado de disociación de la mayoría de las sales a esta misma concentración.

Neutralización parcial. 1. Sales básicas. La acción química entre un ácido y una base no siempre es tan completa como se ha representado en los párrafos anteriores. Por ejemplo, si el hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂) y el ácido clorhídrico (HCl) se mezclan en la proporción de igual número de moléculas de cada uno, solo habrá la mitad de iones hidrógeno necesarios para los iones hidroxilo presentes.

Mg(OH)₂ + H₂Cl = MgOHCl + H₂O.

Al final de la reacción quedan iones de magnesio, hidroxilo y cloro, que bajo las condiciones adecuadas se unen para formar moléculas del compuesto Mg(OH)Cl. Este compuesto, al disolverse, puede formar iones hidroxilo y por lo tanto posee propiedades básicas; también puede formar los iones de una sal (Mg y Cl), y tiene propiedades características de las sales. A las sustancias de este tipo se les llama sales básicas.

DEFINICIÓN: Una sal básica es una sustancia que puede dar los iones tanto de una base como de una sal al disolverse en agua.

2. Sales ácidas. De manera similar, cuando el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio se mezclan en la proporción de igual número de moléculas de cada uno, es posible tener una reacción expresada por la ecuación

NaOH + H₂SO₄ = NaHSO₄ + H₂O.

Los iones que quedan después de que se han consumido todos los iones hidroxilo son los de un ácido (H) y los de una sal (Na y SO₄). Estos se unen para formar la sustancia NaHSO₄, y a medida que la solución se satura con esta sustancia por evaporación, se separa en forma de cristales. En solución, esta sustancia puede dar iones hidrógeno y, por lo tanto, posee propiedades ácidas; también puede dar los iones característicos de una sal. Por lo tanto, se la llama sal ácida.

DEFINICIÓN: Una sal ácida es aquella que puede dar los iones de un ácido y de una sal cuando está en solución.

3. Sales normales. Las sales que son productos de una neutralización completa, como Na₂SO₄, y que en solución no pueden dar ni iones hidrógeno ni hidroxilo, sino solo los iones de una sal, se llaman sales normales para distinguirlas de las sales ácidas y básicas.

Métodos de expresar reacciones entre compuestos en solución. Las ecuaciones químicas que representan reacciones entre sustancias en solución pueden mostrar los detalles de la reacción, o simplemente indicar los productos finales formados. En este último caso, no se indica la formación de iones. Así, si queremos llamar la atención sobre los detalles de la reacción entre el hidróxido de sodio y el ácido clorhídrico en solución, la ecuación se escribe de la siguiente manera:

Na⁺, OH⁻ + H⁺, Cl⁻ = Na⁺, Cl⁻ + H₂O.

Por otro lado, si simplemente queremos representar los productos finales formados, se usa la siguiente:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O.

Por lo tanto, se emplearán ambos métodos:

Radicales. Se ha enfatizado que el grupo hidroxilo (OH) siempre forma el anión de una base, mientras que el grupo NO₃ forma el anión del ácido nítrico y del nitrato de sodio; el grupo SO₄, el anión del ácido sulfúrico y del sulfato de calcio. Un grupo de elementos que de esta manera constituye parte de una molécula, actuando como una unidad en un cambio químico, o formando iones en solución, se llama radical. Algunos de estos radicales han recibido nombres especiales, los cuales indican los elementos presentes en el radical. Así tenemos el radical hidroxilo (OH) y el radical nitrato (NO₃).

DEFINICIÓN: Un radical es un grupo de elementos que forma parte de una molécula y actúa como una unidad en las reacciones químicas.

Nombres de ácidos, bases y sales. Dado que los ácidos, las bases y las sales están tan íntimamente relacionados entre sí, es muy ventajoso dar nombres a las tres clases de acuerdo con un sistema fijo. El sistema universalmente adoptado es el siguiente:

Nomenclatura de las bases. Todas las bases se llaman hidróxidos. Se distinguen entre sí anteponiendo el nombre del elemento que está combinado con el grupo hidroxilo. Ejemplos: hidróxido de sodio (NaOH); hidróxido de calcio (Ca(OH)₂); hidróxido de cobre (Cu(OH)₂).

Nomenclatura de los ácidos. El método para nombrar los ácidos depende de si el ácido consta de dos elementos o de tres.

1. Ácidos binarios. Los ácidos que contienen solo un elemento además del hidrógeno se llaman ácidos binarios. Se les da nombres que consisten en el prefijo hidro-, el nombre del segundo elemento presente y la terminación -ico. Ejemplos: ácido clorhídrico (HCl); ácido sulfhídrico (H₂S).

2. Ácidos ternarios. Además de los dos elementos presentes en los ácidos binarios, la gran mayoría de los ácidos también contiene oxígeno. Por lo tanto, constan de tres elementos y se llaman ácidos ternarios. Por lo general, los mismos tres elementos pueden unirse en diferentes proporciones para formar varios ácidos diferentes. El más conocido de ellos recibe un nombre que termina en el sufijo -ico, mientras que el que tiene menos oxígeno recibe un nombre similar, pero que termina en el sufijo -oso. Ejemplos: ácido nítrico (HNO₃); ácido nitroso (HNO₂). En los casos en que se conocen más de dos ácidos, se emplean prefijos además de los dos sufijos -ico y -oso. Así, el prefijo per- indica un ácido aún más rico en oxígeno; el prefijo hipo- indica uno con menos oxígeno.

Nomenclatura de las sales. Una sal derivada de un ácido binario recibe un nombre que consiste en los nombres de los dos elementos que la componen, con la terminación -uro. Ejemplo: cloruro de sodio (NaCl). Todos los demás compuestos binarios se nombran de la misma manera.

Una sal de un ácido ternario se nombra de acuerdo con el ácido del que se deriva. Un ácido ternario con la terminación -ico da una sal cuyo nombre termina en -ato, mientras que un ácido con terminación -oso da una sal cuyo nombre termina en -ito. La siguiente tabla hará clara la aplicación de estos principios:

ÁCIDOS SÍMBOLO SALES SÍMBOLO

Clorhídrico HCl Cloruro de sodio NaCl Hipocloroso HClO Hipoclorito de sodio NaClO Cloroso HClO₂ Clorito de sodio NaClO₂ Clórico HClO₃ Clorato de sodio NaClO₃ Perclórico HClO₄ Perclorato de sodio NaClO₄

EJERCICIOS

1. 25 cc de una solución que contiene 40 g de hidróxido de sodio por litro neutralizó 25 cc de una solución de ácido clorhídrico. ¿Cuál era la concentración de la solución ácida?

2. Después de neutralizar una solución de hidróxido de sodio con ácido nítrico, quedaron, tras la evaporación, 100 g de nitrato de sodio. ¿Cuánto de cada sustancia se había utilizado?

3. Una solución contiene 18 g de ácido clorhídrico por cada 100 cc. Se requirieron 25 cc de esta solución para neutralizar 30 cc de una solución de hidróxido de sodio. ¿Cuál era la concentración de la solución de hidróxido de sodio en partes por ciento?

4. Cuando el ácido sulfúrico perfectamente seco se trata con hidróxido de sodio perfectamente seco, no ocurre ningún cambio químico. Explique.

5. Cuando se añade ácido sulfúrico concentrado y frío al zinc, no ocurre ningún cambio. Recuerde la acción del ácido sulfúrico diluido sobre el mismo metal. ¿Cómo explica la diferencia?

6. Una solución de ácido clorhídrico en benceno no conduce la corriente eléctrica. Cuando esta solución se trata con zinc, ¿se desprenderá hidrógeno? Explique.

7. (a) Escriba la ecuación para la preparación de hidrógeno a partir de zinc y ácido sulfúrico diluido. (b) Reescriba la misma ecuación desde el punto de vista de la teoría de la disociación electrolítica. (c) Reste el ion SO₄ común de ambos miembros de la ecuación. (d) A partir de la ecuación resultante, explique en qué consiste la preparación de hidrógeno cuando se examina desde el punto de vista de esta teoría.

8. De la misma manera que en el ejercicio anterior, explique en qué consiste la acción del sodio sobre el agua para producir hidrógeno.