Ácidos & Bases

Desde hace miles de años se sabe que el vinagre, el jugo de limón y muchos otros alimentos tienen un sabor ácido. Sin embargo, no fue hasta hace unos cuantos cientos de años que se descubrió por qué estas cosas tenían un sabor ácido. El término ácido, en realidad, proviene del término Latino acere, que quiere decir ácido. Aunque hay muchas diferentes definiciones de los ácidos y las bases, en esta lección introduciremos los fundamentos de la química de los ácidos y las bases.

En el siglo XVII, el escritor irlandés y químico amateur Robert Boyle primero denominó las substancias como ácidos o bases (llamó a las bases alcalis) de acuerdo a las siguientes características:

Los Ácidos tienen un sabor ácido, corroen el metal, cambian el litmus tornasol (una tinta extraída de los líquenes) a rojo, y se vuelven menos ácidos cuando se mezclan con las bases.

Las Bases son resbaladizas, cambian el litmus a azul, y se vuelven menos básicas cuando se mezclan con ácidos.

Aunque Boyle y otros trataron de explicar por qué los ácidos y las bases se comportan de tal manera, la primera definición razonable de los ácidos y las bases no sería propuesta hasta 200 años después.

A finales de 1800, el científico sueco Svante Arrhenius propuso que el agua puede disolver muchos compuestos separándolos en sus iones individuales. Arrhenius sugirió que los ácidos son compuestos que contienen hidrógeno y pueden disolverse en el agua para soltar iones de hidrógeno a la solución. Por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl) se disuelve en el agua de la siguiente manera:

HCl

H2O -->

H+(aq)

+

Cl-(aq)

Arrhenius definió las bases como substancias que se disuelven en el agua para soltar iones de hidróxido (OH^-) a la solución. Por ejemplo, una base típica de acuerdo a la definición de Arrhenius es el hidróxido de sodio (NaOH):

NaOH

H2O -->

Na+(aq)

+

OH-(aq)

La definición de los ácidos y las bases de Arrhenius explica un sinnúmero de cosas. La teoría de Arrhenius explica el por qué todos los ácidos tienen propiedades similares (y de la misma manera por qué todas las bases son similares). Por que todos los ácidos sueltan H⁺ ia la solución (y todas las bases sueltan OH^-). La definición de Arrhenius también explica la observación de Boyle que los ácidos y las bases se neutralizan entre ellos. Esta idea, que una base puede debilitar un ácido, y vice versa, es llamada neutralización.

La Neutralización

Tal como puede ver arriba, los ácidos sueltan H⁺ en la solución y las bases sueltan OH^-. Si fuésemos a mezclar un ácido y una base, el ión H⁺ se combinaría con el ión OH^- ion para crear la molécula H₂O, o simplemente agua:

H+(aq)

+

OH-(aq)

-->

H2O

La reacción neutralizante de un ácido con una base siempre producirá agua y sal, tal como se muestra abajo:

Ácido		Base		Agua		Sal
HCl	+	NaOH	-->	H2O	+	NaCl
HBr	+	KOH	-->	H2O	+	KBr

Aunque Arrhenius ayudó a explicar los fundamentos de la química sobre ácidos y bases, lastimosamente sus teorías tenían límites. Por ejemplo, la definición de Arrhenius no explica por qué algunas substancias como la levadura común (NaHCO₃) puede actuar como una base, a pesar de que no contenga iones de hidrógeno.

En 1923, el científico danés Johannes Brønsted y el inglés Thomas Lowry publicaron diferentes aunque similares trabajos que redefinieron la teoría de Arrhenius. En las palabras de Brønsted's words, "... los ácidos y las basesson substancias que tiene la capacidad de dividirse o tomar iones de hidrógeno respectivamente." La definición de Brønsted-Lowry ampliar el concepto de Arrhenius sobre los ácidos y las bases.

La definición de Brønsted-Lowry sobre los ácidos es muy similar a la de Arrhenius, cualquier substancia que pueda donar un ión de hidrógeno, es un ácido (en la definición de Brønsted, los ácidos son comúnmente referidos como donantes de protones porque un ión- hidrógeno H⁺ menos su electron - es simplemente un protón).

Sin embargo, la definición de Brønsted de las bases es bastante diferente de la definición de Arrhenius. La base de Brønsted es definida como cualquier substancia que puede aceptar un ión de hidrógeno. Esencialmente, la base es el opuesto de un ácido. El NaOH y el KOH, tal como vimos arriba, segruirían siendo consideradas bases porque pueden aceptar un H⁺ de un ácido para formar agua. Sin embargo, la definición de Brønsted-Lowry también explica por que las substancias que no contienen OH- pueden actuar como bases. La levadura (NaHCO₃), por ejemplo, actua como una base al aceptar un ión de hidrógeno de un ácido tal como se ilustra siguientemente:

Acid		Base				Salt
HCl	+	NaHCO3	-->	H2CO3	+	NaCl

En este ejemplo, el acido carbónico formado (H₂CO₃) pasa por descomposición rápida a agua y dióxido de carbono gaseoso, y también las burbujas de solución como el gas CO₂ se liberan.

pH

En la definición de Brønsted-Lowry, ambos los ácidos y las bases están relacionados con la concentración del ión de hidrógeno presente. Los ácidos aumentan la concentración de iones de hidrógeno, mientras que las bases disminuyen en la concentración de iones de hidrógeno (al aceptarlos). Por consiguiente, la acidez o la alcalinidad de algo puede ser medida por su concentración de iones de hidrógeno.

En 1909, el bioquímico danés Sören Sörensen inventó la escala pH para medir la acidez. La escala pH está descrita en la fórmula:

pH = -log [H+] Nota: la concentración es comúmente abreviada usando logaritmo, por consiguiente H+] = concentración de ión de hidrógeno. Cuando se mide el pH, [H+] es una unidad de moles H+ por litro de solución

Por ejemplo, una solución con [H⁺] = 1 x 10^-7 moles/litro tiene un pH = 7 (una manera más simple de pensar en el pH es que es igual al exponente del H+ de la concentración, ignorando el signo de menos). La escala pH va de 0 a 14. Las substancias con un pH entre S 0 o menos de 7 son ácidos (pH y [H⁺] están inversamente relacionados, menor pH significa mayor [H⁺]). Las substancias con un pH mayor a 7 y hasta 14 son bases (mayor pH significa menor [H⁺]). Exactamente en el medio, en pH = 7, están las substancias neutra s, por ejemplo, el agua pura. La relación entre [H⁺] y pH está mostrada en la tabla de abajo, junto algunos comunes ejemplos de ácidos y base de la vida cotidiana.

	[H+]	pH	Ejemplo
Ácidos	1 X 100	0	HCl
	1 x 10-1	1	Äcido estomacal
	1 x 10-2	2	Jugo de limón
	1 x 10-3	3	Vinagre
	1 x 10-4	4	Soda
	1 x 10-5	5	Agua de lluvia
	1 x 10-6	6	Leche
Neutral	1 x 10-7	7	Agua pura
Bases	1 x 10-8	8	Claras de huevo
	1 x 10-9	9	Levadura
	1 x 10-10	10	Tums®antiácidos
	1 x 10-11	11	Amoníaco
	1 x 10-12	12	Caliza Mineral - Ca(OH)2
	1 x 10-13	13	Drano®
	1 x 10-14	14	NaOH

El término ácido es asociado con líquidos altamente peligrosos y corrosivos, razón que no es cierta del todo, ya que existen ácidos en una infinidad de frutas y verduras que no son propiamente corrosivos o en medicamentos para el dolor de cabeza, como el ácido acetilsalicílico. Los términos base y álcali probablemente no resulten familiares, sin embargo, están presentes en productos de limpieza con amonia, en la sosa utilizada para remover cochambre, aun en remedios contra las agruras o acidez como el bicarbonato de sodio, en las sales derivadas de la uva y los geles de aluminio o magnesio.

Los ácidos son sustancias que en disolución acuosa forman iones hidronio H3O. Las bases son sustancias que en disolución acuosa forman iones hidroxilo OH- .

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), químico francés, fue el primero en estudiar los ácidos y las bases. Observó que los ácidos se formaban disolviendo en agua el producto obtenido al quemar elementos no metálicos en atmósfera de oxígeno (óxidos no metálicos). Posteriormente, Humphrey Davy (1778-1829), químico inglés, demostraría que el ácido clorhídrico carecía de oxígeno.

Por la misma época, Gay-Lussac (1778-1850), físico y químico francés, comprobó que el ácido cianhídrico tampoco contenía oxígeno. Davy y Gay-Lussac sugirieron que las propiedades de los ácidos se debían a su contenido en hidrógeno y no en oxígeno. Diversas teorías han tratado de precisar los conceptos de ácido y base con mayor fundamento. Según Arrhenius, Brönsted-Lowry y Lewis, ácidos y bases pueden considerarse químicamente opuestos, ya que al reaccionar entre ellos se neutralizan entre sí, cambiando las propiedades iniciales características en ambos. De hecho, la química de estas reacciones entre ácidos y bases se conoce como reacción de neutralización y es de las más antiguas que se han identificado.

Propiedades de los ácidos :

• tienen un sabor ácido dan un color característico a los indicadores (ver más abajo).
• reaccionan con los metales liberando hidrógeno.
• reaccionan con las bases en proceso denominado neutralización en el que ambos pierden sus características.

ACIDOS FUERTES	ACIDOS DEBILES
HCIO4 ácido perclorico	H2C O3 ácido carbónico
HCI ácido clorhídrico	H2S ácido fsulfhídrico
H2SO4 ácido sulfúrico	HC3–COOH ácido acético (compuesto orgánico)
HNO3 ácido nítrico	HBrO ácido hipobromoso

Propiedades de las bases :

• tienen un sabor amargo.
• dan un color característico a los indicadores (distinto al de los ácidos).
• tienen un tacto jabonoso.

Bases fuertes	Bases débiles
NaOH hidróxido de sodio (sosa cáustica)	NH4OH hidróxido de amonio
KOH hidróxido de potasio (potasa)	NH2OH hidroxilamina
LiOH hidróxido de litio	Ca(OH)2 hidróxido de calcio (cal apagada)

ACIDOS Y BASES EN LA COCINA

Los ácidos y las Bases tienen un papel fundamental no sólo en la preparación de los alimentos sino en su conservación.

Nuestras abuelitas aprendieron que poner un poco de bicarbonato o tequesquite del Nahualt tetl "piedra" y quizquitl "brotante" en el agua empleada para cocer los vegetales hacía que estos no perdieran su color verde. Lo que seguramente no sabían es que durante el cocimiento se libera el ácido contenido en las células del vegetal y cambia el color de la clorofila, pero con el bicarbonato presente en el agua el ácido se neutraliza y los vegetales conservan su color.

Otra forma de mantener el color verde brillante de los vegetales es cocerlos en olla de cobre o de aluminio, porque durante la cocción se forman el hidróxido de cobre II Cu(OH)2 o el hidróxido de aluminio III Al(OH)3 según sea el caso se neutraliza el ácido responsable de la pérdida del Mg de la clorofila.

Si agregas unas gotas de limón o vinagre a un vaso de leche, observarás el mismo fenómeno pero en menor tiempo. La leche además de coagularse por medio de un ácido, también lo hace por calor los flanes y las natillas son ejemplo de ello. En general un medio ácido alarga alarga la vida de los alimentos, razón por la cual se fermentan intencionalmente el yogur, el vinagre y el queso.

En el polvo para hornear que incluyen las recetas de panes y pasteles contienen las sustancias químicas que producen el dióxido de carbono CO2: Bicarbonato de sodio NaHCO3, fostato ácido de calcio CaHPO4 y el sulfato doble de sodio y aluminio [NaAl(SO4)2].

El dióxido de carbono que se desprende se distribuye por toda la masa o pasta en pequeñas burbujas que se expanden durante el horneado, dándole la ligereza al producto final.

Cuando se utiliza levadura (un microorganismo vivo) el proceso es más lento y diferente, la levadura metaboliza los azúcares que contiene la masa y se produce alcohol etílico y dióxido de carbono. El alcohol etílico se evapora durante el proceso de horneado y el dióxido de carbono se distribuye durante el amasado, se expande y provoca que la masa suba. Los egipcios fueron los primeros en descubrir que dejando fermentar la masa se producen gases que hacian al pan más ligero.

ACIDO O BASE	DONDE SE ENCUENTRA
ácido acético	vinagre
ácido acetil salicílico	aspirina
ácido ascórbico	vitamina C
ácido cítrico	zumo de cítricos
ácido clorhídrico	sal fumante para limpieza, jugos gástricos
ácido sulfúrico	baterías de coches
amoníaco (base)	limpiadores caseros
hidróxido de magnesio (base)	leche de magnesia (laxante y antiácido)

SALES

Cuando se neutralizan dos soluciones, una básica con otra ácida, quedan en disolución iones positivos originarios de la base y negativos provenientes del ácido. Cada ion estará rodeado de moléculas de agua (solvatado), lo que evitará que se una un ion negativo con uno positivo. Si se evapora el agua, llegará el momento en que los iones se unan formando cristales de una sal. Una sal es un compuesto formado a partir del ion negativo de un ácido y del ion positivo de una base. Según S. Arrhenius, una neutralización se efectúa entre un ácido y una base para formar una sal y agua.

Una sal es un compuesto cristalino formado a partir del ion negativo de un ácido y del ion positivo de una base. No necesariamente de una neutralización vamos a obtener sales neutras, también sales ácidas y básicas se pueden producir.

Sales neutras se forman cuando todos los iones hidrógeno (H+) del ácido son sustituidos por un metal.

ejemplos:

KNO3 nitrato de potasio

Na2SO4 sulfato de sodio

K2CO3 carbonato de potasio

Sales ácidas se forman por la sustitución parcial de los iones hidrógeno (H+) de un ácido por un catión metálico, ejemplos:

NaHSO4 sulfato ácido de sodio o bisulfato de sodio

NaHCO3 carbonato ácido de sodio o bicarbonato de sodio

KHSO4 sulfato ácido de potasio o bisulfato de potasio

Sales básicas son aquellas cuyo catión contiene todavía iones hidroxilo OH–;

por ejemplo:

ZnOHCl cloruro monobásico de zinc

Bi(OH)2NO3 nitrato dibásico de bismuto

CaOHCl cloruro monobásico de calcio

Propiedades y características de las sales

• Son sólidas a temperatura ambiente.
• Su punto de fusión se encuentra en el intervalo de 500 a 1000º C; sin embargo, algunas se funden a menor o mayor temperatura.
• Se descomponen antes de llegar a fundir.
• Las sales son incoloras, pero existen de todos colores e inodoras.
• Las sales solubles en agua poseen sabor característico, las otras son insípidas.
• Presentan forma de cristalización bien definida.
• Las disoluciones acuosas y las sales fundidas conducen la corriente eléctrica.
• Las disoluciones de las sales contienen iones positivos y negativos.
• En el agua potable existen pequeñísimas cantidades de sales disueltas como cloruro de sodio, potasio o magnesio; sulfato de sodio o calcio; carbonato de calcio, las cuales son esenciales para la vida.

CALOR DE NEUTRALIZACIÓN

La experiencia indica que todas las reacciones químicas son acompañadas de desprendimiento o absorción de energía en forma de calor. Se ha comprobado experimentalmente que la cantidad de energía calorífica desprendida o absorbida en las reacciones, depende de la clase de reactivos y de los productos de la reacción, de las cantidades empleadas, así como de la temperatura y presión.

Una reacción química exotérmica es la que se produce con desprendimiento de calor. Mientras que a las realizadas con absorción de calor se les llama endotérmicas. La reacción química de neutralización es aquella en la que un ácido reacciona con una base, dando lugar a una sal y agua. La formación del agua actúa como la fuerza impulsora de la neutralización, ya que este compuesto sólo se ioniza ligeramente y en su formación genera desprendimiento de calor. Esto sucede en ácidos fuertes como el clorhídrico, sulfúrico, nítrico, etc., cuando se neutralizan con bases fuertes como los hidróxidos de sodio o potasio.

pH

BASE							NEUTRO	ÁCIDO
.	.	.	.	.	.	..	.	.	.	.	.	.	.
14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1

Los químicos usan el pH para indicar de forma precisa la acidez o basicidad de una sustancia. Normalmente oscila entre los valores de 0 (más ácido) y 14 (más básico). En la tabla siguiente aparece el valor del pH para algunas sustancias comunes.

pH DE ALGUNAS SUSTANCIAS
sustancia	pH	sustancia	pH
jugos gástricos	2,0	amoníaco casero	11,5
limones	2,3	leche de magnesia	10,5
vinagre	2,9	pasta de dientes	9,9
refrescos	3,0	disolución saturada de bicarbonato sódico	8,4
vino	3,5	agua de mar	8,0
naranjas	3,5	huevos frescos	7,8
tomates	4,2	sangre humana	7,4
lluvia ácida	5,6	saliva (al comer)	7,2
orina humana	6,0	agua pura	7,0
leche de vaca	6,4	saliva (reposo)	6,6

INDICADOR

Los indicadores son colorantes orgánicos, que cambian de color según estén en presencia de una sustancia ácida, o básica.

La escala de pH —igual al logaritmo negativo de la concentración de H3O+— se utiliza para indicar la acidez o basicidad de cualquier disolución acuosa.

Para poder comparar la acidez y la basicidad en las disoluciones se utiliza una escala numérica llamada escala pH. Si la disolución tiene un pH menor que 7 se dice que es ácida; si el pH es mayor que ese número, básica. El pH igual a 7 indica que la disolución es neutra, éste es el caso del agua destilada (químicamente pura), a 25 º C y el pH fisiológico de la sangre es 7.4.

Funcionamiento de los indicadores en disoluciones ácidas o básicas Estos indicadores se usan en cantidades muy pequeñas (2 a 3 mg en una disolución) y algunos de ellos funcionan de la siguiente manera: Los indicadores cambian su estructura al modificarse el pH, estos cambios hacen que viren de color de forma reversible, por ejemplo: la fenolftaleína por cambio en pH puede pasar de incolora a roja y viceversa.

Indicador	Cambio de color
Ácido + fenoltaleína	incolora
Ácido + papel tornasol azul	rosa
Ácido + anaranjado de metilo	roja
Base + fenoltaleína	roja
Base + papel tornasol rojo	azul
Base + anaranjado de metilo	amarilla

Otros indicadores importantes son: rojo de metilo, rojo de fenol, violeta de metilo, azul de bromofenol, verde de bromocresol, entre otros. Sin embargo, existen limitaciones en el empleo de los indicadores como en las soluciones coloreadas, ya que el color de una disolución puede disfrazar cambios del indicador; sumado a esto, la limitación del ojo humano para distinguir un ligero cambio de color. Una manera de medir el pH es el uso del potenciómetro. Este aparato mide el pH por medio de electrodos.

Fabricación casera de un indicador

Las Coles moradas, parecidas a repollos y de color violeta, contienen en sus hojas un indicador que pertenece a un tipo de sustancias orgánicas denominadas antocianinas. Para extraerlo :

• Corta unas hojas de la col morada (cuanto más oscuras mejor)
• Cuécelas en un recipiente con un poco de agua durante al menos 10 minutos.
• Retira el recipiente del fuego y dejarlo enfriar.
• Filtra el líquido (Se puede hacer con un trozo de tela vieja) Ya tienes el indicador (El líquido filtrado).

Nota de seguridad El amoniáco es un veneno. Identifica adecuadamente el recipiente que lo contiene. No lo pruebes, y no lo dejes en un sitio donde alguien pudiera probarlo por error

Test de respiración (para gastar una broma)

Dale a alguien un vaso que contiene un poco de agua con extracto de lombarda y unas gotas de amoniaco casero y pídele que sople a través de una pajita de refresco. Puedes presentarlo como un test de alcohol, mal aliento, etc. La disolución pasará de color verde esmeralda a azul oscuro. Si ahora le añades vinagre, la disolución adquirirá un color rojo. Al soplar expulsamos dióxido de carbono (CO2) que en contacto con el agua forma ácido carbónico (H2CO3). Este ácido formado, neutraliza el amoníaco que contiene la disolución. Al añadir vinagre la solución adquiere un pH ácido