Ácidos, bases y electrolitos: teorías de Arrhenius, Brønsted-Lowry y Lewis

El jugo de limón, el vinagre y el ácido del estómago son ácidos; el jabón, el bicarbonato y el limpiador de hornos son bases. Los ácidos y las bases están en la cocina, en el cuerpo y en la industria, y la mayoría de sus reacciones ocurren en agua.

Propiedades de los ácidos y las bases

Importante: nunca pruebes ni toques una sustancia para saber si es ácida o básica; para eso se usan los indicadores.

Teoría de Arrhenius (1884)

• Ácido: sustancia que en agua libera iones hidrógeno, $\ce{H+}$.
• Base: sustancia que en agua libera iones hidróxido, $\ce{OH-}$.

$$\ce{HCl -> H+ + Cl-} \qquad\qquad \ce{NaOH -> Na+ + OH-}$$

En realidad, el $\ce{H+}$ no existe libre en el agua: se une a una molécula de agua y forma el ion hidronio, $\ce{H3O+}$. Por eso $[\ce{H+}]$ y $[\ce{H3O+}]$ se usan como sinónimos.

Esta teoría tiene un límite: no explica por qué el amoniaco ($\ce{NH3}$), que no tiene grupos OH, se comporta como base.

Teoría de Brønsted-Lowry (1923)

• Ácido: sustancia que dona un protón ($\ce{H+}$).
• Base: sustancia que acepta un protón.

Cuando un ácido dona su protón, se convierte en su base conjugada; cuando una base acepta un protón, se convierte en su ácido conjugado.

$$\underset{\text{ácido}_1}{\ce{HCl}} + \underset{\text{base}_2}{\ce{H2O}} \ce{<=>} \underset{\text{ácido}_2}{\ce{H3O+}} + \underset{\text{base}_1}{\ce{Cl-}}$$

$$\underset{\text{base}_1}{\ce{NH3}} + \underset{\text{ácido}_2}{\ce{H2O}} \ce{<=>} \underset{\text{ácido}_1}{\ce{NH4+}} + \underset{\text{base}_2}{\ce{OH-}}$$

Observa que el agua actúa como base en la primera reacción y como ácido en la segunda. Las sustancias que pueden comportarse de las dos formas se llaman anfóteras (o anfipróticas).

Teoría de Lewis (1923)

Es la más general, porque se basa en los electrones:

• Ácido: sustancia que acepta un par de electrones. Ejemplos: $\ce{BF3}$, $\ce{BCl3}$, $\ce{AlCl3}$, $\ce{H+}$.
• Base: sustancia que cede un par de electrones. Ejemplos: $\ce{NH3}$, $\ce{OH-}$, $\ce{H2O}$.

$$\ce{BF3 + NH3 -> F3B-NH3}$$

El nitrógeno del amoniaco aporta los dos electrones del enlace: es un enlace covalente coordinado.

Ácidos y bases fuertes y débiles

La fuerza de un ácido o una base depende de qué tanto se disocia en agua, y se puede comparar midiendo la conductividad eléctrica de su disolución.

Cuanto más fuerte es un ácido, más débil es su base conjugada, y al revés. El $\ce{Cl-}$, base conjugada del $\ce{HCl}$, prácticamente no tiene carácter básico.

No confundas fuerza con concentración: un ácido fuerte puede estar muy diluido y uno débil, muy concentrado. El pH depende de ambas cosas.

Neutralización

Un ácido y una base reaccionan y forman una sal y agua:

$$\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}$$

$$\ce{H2SO4 + 2KOH -> K2SO4 + 2H2O}$$

En el fondo, la reacción es $\ce{H+ + OH- -> H2O}$. Los antiácidos funcionan así: el hidróxido de magnesio o el bicarbonato neutralizan el exceso de ácido del estómago.

Sales ácidas y básicas

• Sales ácidas: el metal sustituye solo parte de los hidrógenos del ácido. Ejemplo: $\ce{NaHCO3}$, bicarbonato de sodio (carbonato ácido de sodio).
• Sales básicas: conservan grupos $\ce{OH-}$ de la base. Ejemplo: $\ce{Al(OH)SO4}$, sulfato básico de aluminio.

Electrolitos

Un electrolito es una sustancia que, disuelta en agua (o fundida), produce iones y conduce la electricidad.

• Disociación: separación de los iones que ya existían en un compuesto iónico al disolverse. $\ce{NaCl -> Na+ + Cl-}$
• Ionización: formación de iones a partir de un compuesto molecular que reacciona con el agua. $\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}$

La electrólisis es el proceso inverso: usar la corriente eléctrica para provocar una reacción química, por ejemplo descomponer el agua o recubrir metales (galvanoplastia).

Los electrolitos son vitales: los iones de sodio, potasio y calcio de los líquidos del cuerpo transmiten los impulsos nerviosos. Por eso, ante una deshidratación, se toman sueros con electrolitos.

Comprueba lo aprendido

1. En la reacción HNO₃ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + NO₃⁻, ¿cuál es la base conjugada del HNO₃?Ver respuestaOcultar respuesta

El $\ce{NO3-}$: es lo que queda del ácido después de donar su protón.

2. Según Lewis, ¿el BF₃ es ácido o base?Ver respuestaOcultar respuesta

Es un ácido: acepta un par de electrones (al boro le faltan electrones para completar su octeto).

3. ¿Por qué el agua destilada casi no conduce la electricidad?Ver respuestaOcultar respuesta

Porque casi no tiene iones: es prácticamente un no electrolito. El agua de la llave conduce porque lleva sales disueltas.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos sobre el agua

Referencias

• Chang, R. y Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill.
• Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J. y Woodward, P. M. (2014). Química, la ciencia central (12.ª ed.). Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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