Neutralización ácido-base

Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Generalmente, en las reacciones acuosas ácido-base se forma agua y una sal, que es un compuesto iónico formado por un catión distinto del H⁺ y un anión distinto del OH^- u O^2-:

ácido  +  base  -->  sal  + agua

Todas las sales son electrólitos fuertes. La sustancia que se conoce como sal de mesa, NaCl, es un ejemplo familiar de una sal. Es el producto de la reacción ácido-base

HCl(ac)  +  NaOH(ac)  -->  NaCl(ac)  +  H2O(l)

Sin embargo, puesto que tanto el ácido como la base son electrólitos fuertes, están completamente ionizados en la disolución.  La ecuación iónica es:

H⁺(ac)  +  Cl^-(ac)  +  Na⁺(ac)  +  OH^-(ac)  -->  Na⁺(ac)  +  Cl^-(ac)  +  H2O(l)

Por tanto, la reacción se puede representar por la ecucación iónica neta

H⁺(ac)  +  OH^-(ac)  -->  H2O(l)

Tanto el Na⁺ como Cl^- el son iones espectadores.

Si en la reacción anteriore se hubiera iniciado con iguales cantidades molares del ácido y de la base, al final de la reacción únicamente se tendría una sal y no habría ácido o base remanente. Ésta es una característica de las reacciones de neutralización ácido-base.

Una indeseable reacción de precipitación

La piedra caliza ( CaCO3) y la dolomita ( CaCO3 .MgCO3), que se encuentran bastante extendidas en la superficie de la Tierra, a menudo penetran en los suministros de agua. El carbonato de calcio es insoluble en agua. Sin embargo, en presencia de dióxido de carbono disuelto (de la atmósfera), el carbonato de calcio se transforma en bicarbonato de calcio soluble, Ca(HCO3)2:

CaCO3(s)  +  CO2(ac)  +  H2O(l)  -->  Ca²⁺(ac)  +  2HCO3^-(ac)

donde HCO3^-; es el ión bicarbonato.

El agua que contiene iones Ca²⁺ y/o Mg²⁺  se conoce como agua dura y el agua que prácticamente está libre de estos iones recibe el nombre de agua blanda. El agua dura es inadecuada para algunos usos domésticos e industriales.

Cuando el agua que contiene iones Ca²⁺ y HCO3^-;se calienta o se hierve, se invierte la reacción de disolución para producir precipitado de CaCO3.

  Ca²⁺(ac)  +  2HCO3^-(ac)  -->  CaCO3(s)  +  CO2(ac)  +  H2O(l)

y el dióxido de carbono gaseoso es expulsado de la disolución:

CO2(ac)   -->   CO2(g)

El carbonato de calcio sólido asi formado es el componente principal de la incrustación que se acumula en los calentadores, calderas, tuberías y cafeteras. Esta gruesa capa de incrustación reduce la transferencia de calor y disminuye la eficiencia y durabilidad de calentadores, tuberías y utensillos. En las tuberías domésticas de agua caliente puede restringir o bloquear totalmente el flujo de agua. Para eliminar estos depósitos, los plomeros utilizan un método sencillo que consiste en introducir una pequeña cantidad de ácido clorhídrico, que reacciona con el CaCO3 y lo disuelve.

Propiedades generales de los ácidos y bases

Los ácidos son sustancias que se ionizan en agua para formar iones H⁺ y las bases como sustancias que se ionizan en agua para formar iones OH^-. El químico sueco Svante Arrhenius formuló estas definiciones a finales del siglo XIX para clasificar a las sustancias cuyas propiedades en disolución acuosa eran bien conocidas.

Ácidos

• Los ácidos tienen sabor agrio; por ejemplo el vinagre debe su sabor al ácido acético, y los limones y otros frutos cítricos contienen ácido cítrico.
• Los ácidos ocasionan cambios de color en los pigmentos vegetales; por ejemplo, cambian el color del papel tornasol de azul a rojo.
• Los ácidos reaccionan con algunos metales como el zinc, magnesio o hierro para producir hidrógeno gaseoso. Una reacción típica es la que sucede entre el ácido clorhídrico y el magnesio:

2HCl(ac)  +  Mg(s)  -->  MgCl2(ac)  +  H2(g)

•  Los ácidos reaccionan con los carbonatos y los bicarbonatos, como Na2CO3, CaCO3 y NaHCO3, para formar dióxido de carbono gaseoso. Por ejemplo:

2HCl(ac)  +  CaCO3(s)  -->  CaCl2(ac)  +  H2O(l)  +  CO2(g)

• Las soluciones acuosas de los ácidos conducen la electricidad 

Ionización del HCl en agua para formar el ion hidronio y el ion cloruro

Bases

• Las bases tienen sabor amargo
• Las bases se sienten resbaladizas; por ejemplo, los jabones que contienen bases muestran esta propiedad.
• Las bases producen cambios de color en los colorantes vegetales; por ejemplo, cambian el color del papel tornasol de color rojo a azul.
• Las disoluciones acuosas de las bases conducen la electricidad.

Ácidos y bases

Los ácidos y las bases son tan comunes como la aspirina y la leche de magnesia, aunque mucha gente desconozca sus nombres químicos, ácido acetilsalicílico (aspirina) e hidróxido de magnesio (leche de magnesia). Además de ser la base de muchos productos medicinales y domésticos, la química de ácidos y bases es importante en los procesos industriales y es fundamental en los sistemas biológicos.

Ecuaciones moleculares y ecuaciones iónicas

La ecuación: 

Pb(NO3)2 (ac)  +  2NaI(ac)   -->   PbI2(s)   +   2NaNO3(ac) 

la denominamos ecuación molecular porque las fórmulas de los compuestos están escritas como si todas las especies existieran como moléculas o entidades completas. Una ecuación molecular es útil porque aclara la identidad de los reactivos (es decir, nitrato de plomo y yoduro de sodio). Si se quisiera llevar a cabo esta reacción en el laboratorio, ésta es la ecuacion molecular que debería utilizarse. Sin embargo, una ecuación molecular no describe con exactitud lo que realmente está sucediendo a nivel microscópico.

Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, se separan por completo en los cationes y aniones que los componen. Por ello, para que las ecuaciones se apeguen más a la realidad, deberán indicar de la disociación de los compuestos iónicos en sus aniones. Así la ecuación se escribiría:

Pb²⁺(ac)  +  2NO3^-(ac)  +  2Na⁺(ac)  +  2I^-(ac)   -->   PbI2(s)   +   2Na⁺(ac)  + 2NO3^-(ac)

Esta ecuación ejemplifica una ecuación iónica, en la que se muestran las especies disueltas como iones libres. Una ecuación iónica también incluye a los iones espectadores, es decir, los iones que no participan en la reacción global, en este caso los iones Na⁺ y NO3^-. Como los iones espectadores aparecen en ambos lados de la ecuación y no cambian durante la reacción química, se pueden cancelar. Para centrarse en los cambios que ocurren, se escribe la ecuación iónica neta, que únicamente muestra las especies que realmente participan en la reacción:

Pb²⁺(ac)  +  2I^-(ac)   -->  PbI2(s) 

Los siguientes pasos resumen el proedimiento para escribir ecuaciones iónicas y iónicas netas.

• Escriba la ecuación molecular balanceada para la reacción.
• Vuelva a escribir la ecuación para indicar los iones disociados que se forman en la disolución. Se supone que todos son electrólitos fuertes que, en solución, están completamente disociados en cationes y aniones. Este procedimiento conduce a la ecuación iónica.
• Indique y cancele los iones espectadores en ambos lados de la ecuación para obtener la ecuación iónica neta.

Solubilidad

¿Cómo se puede predecir la formación de un precipitado cuando se añade un compuesto a una disolución o cuando se mezclan dos disoluciones? Esto depende de la solubilidad del soluto, que se define como la máxima cantidad de soluto que se disolverá en una cantidad dada de disolvete a una temperatura específica. Los químicos describe a las sustancias como solubles, ligeramente solubles o insolubles en terminos cualitativos. Se dice que una sustancia es soluble si se disuelve visiblemente una cantidad suficiente cuando se agrega agua. Si no es así, la sustancia se describe como ligeramente soluble o insoluble. Aunque todos los compuestos iónicos son electrólitos fuertes, no todos tienen la misma solubilidad.

Algunos compuestos iónicos solubles e insolubles

Precipitado

Reacciones de precipitación

La reacción de precipitación es un tipo común de reacción en disolución acuosa que se caracteriza por la formación de un producto insoluble o precipitado. Un precipitado es un sólido insoluble que se separa de la disolución. En las reacciones de precipitación por lo general participan compuestos iónicos. Por ejemplo, cuando se agrega una disolución acuosa de nitrato de plomo, Pb(NO3)2, a una disolución acuosa de yoduro de sodio (NaI), se forma un precipitado amarillo de yoduro de plomo (PbI2):

Pb(NO3)2 (ac)  +  2NaI(ac)   -->   PbI2(s)   +   2NaNO3(ac)

El nitrato de sodio queda en disolución.

Propiedades electrolíticas de las disoluciones acuosas

Todos los solutos que se disuelven en agua se agrupan en dos categorías: electrólitos y no electrólitos. Un electrólito es una sustancia que, cuando se disuelve en agua, forma una disolución que conduce la electricidad. Un no electrólito no conduce la corriente eléctrica cuando se disuelve en agua.

Un par de electrodos inertes (de cobre o de platino) se sumerge en un vaso con agua. Para que el foco se encienda, la corriente eléctrica debe fluir de un electrodo al otro, para cerrar así el circuito. El agua pura es un conductor deficiente de la electricidad; sin embargo, al añadirle una pequeña cantidad de cloruro de sodio (NaCl), el foco se enciende tan pronto como la sal se disuelve en el agua. El NaCl sólido es un compuesto iónico que al disolverse en agua se disocia en iones Na⁺ y Cl^- . Los iones Na⁺ se dirigen hacia el electrodo negativo, y los iones Cl^- hacia el electrodo positivo. Este movimiento establece una cirriente eléctrica que equivale al fujo de electrones a través de un alambre metálico. Como la disolucion de NaCl conduce la electricidad, se dice que el NaCl es electrólito. El agua pura contiene muy pocos iones, por lo que no puede conducir la electricidad.

Disoluciones acuosas

Una disolución es una mezcla homogpenea de dos o mas sustancias. El soluto es la sustancia presente en menor cantidad, y el disolvente es la sustancia que esta en mayor cantidad. Una disolución puede ser gaseosa (como el aire), sólida (como una aleación) o líquida (agua de mar, por ejemplo). Las disoluciones acuosas son las que el soluto es un líquido o un sólido y el disolvente es agua.

5 conceptos para recordar

1- Las masas atómicas se miden en unidades de masa atómica (uma), una unidad relativa que se basa en un valor exactamente de 12 para el isótopo carbono-12. La masa atómica dada para los átomos de un elemento particular, por lo general, es el promedio de la distribución de los isótopos naturales de ese elemento. La masa molecular de una molécula es la suma de la masas atómicas de los átomos que la constituyen. Tanto la masa atómica, como la masa molecular se pueden determinar con exactitud con un espectrómetro de masas.

2- Un mol es el número de Avogadro (6,022 x 10²³) de átomos, moléculas u otras partículas. La masa molar (en gramos) de un elemento o de un compuesto es numéricamente igual a su masa en unidades de masa atómica (uma) y contiene el número de Avogadro de átomos (en el caso de los elementos), de moléculas o de unidades de fórmula simples (en el caso de compuestos iónicos).

3- La composición porcentual en masa de un compuesto es el porcentaje en masa de cada elemento presente. Si se conoce la composición porcentual en masa de un compuesto, es posible deducir su fórmula empírica, y su fórmula molecular, si se conoce su masa molar aproximada.

4- Los cambios químicos, llamados reacciones químicas, se representan mediante ecuaciones químicas. Las sustancias que experimentan un cambio, los reactivos, se escriben del lado izquierdo y las sustancias que se forman, los productos, aparecen del lado derecho de la flecha. Las ecuaciones químicas deben estar balanceadas, de acuerdo con la ley de la conservación de la masa. El número de átomos de cada tipo de elemento en los reactivos y en los productos debe ser el mismo.

5- La estequiometría es el estudio cuantitativo de los productos y reactivos en una reacción química. Los cálculos estequiométricos se realizan de manera óptima expresando, tanto las cantidades conocidas como las desconocidas, en término de moles y después, si es necesario, se convierten en otras unidades. Un reactivo limitante es el reactivo que está presente en la menor cantidad estequiométrica; limita la cantidad de producto que se puede formar. La cantidad de producto que se obtiene en una reaccion (rendimiento real) puede ser menor que la máxima cantidad posible (rendimiento teórico). La relación de los dos se expresa como porcentaje de rendimiento.

Fertilizantes químicos

Alimentar a la población mundial, en acelerado crecimiento, demanda a los granjeros la producción de mejores y más abundantes cosechas. Cada año se agregan a los suelos cientos de millones de toneladas de fertilizantes químicos para aumentar la calidad y el rendimiento de las cosechas. Además de dióxido de carbono y agua, las plantas necesitan por lo menos seis elementos para tener un crecimiento satisfactorio. Estos elementos son N, P, K, Ca, S y Mg. 

Los fertilizantes nitrogenados contienen sales de nitrato (NO2), sales de amonio (NH4⁺) y otros compuestos. Las plantas pueden absorber nitrógeno directamente en forma de nitrato, pero las sales de amonio y el amoniaco(NH3) se deben convertir primero en nitratos mediante accion de las bacterias del suelo. La principal materia prima para los fertilizantes nitrogenados es el amoniaco, que se obtiene por la reaccion entre hidrógeno y nitrógeno:

3H2(g)  +  N2(g)   -->  2NH3(g)

En forma líquida, el amoniaco se puede inyectar directamente en el suelo.

De manera alternativa, el amoniaco se puede convertir en nitrato de amonio,NH4NO3, sulfato de amonio, (NH4)2SO4, o hidrógeno fosfato de amonio, (NH4)2HPO4, por medio de las siguientes reacciones ácido-base:

NH3(ac)  +  HNO3(ac)  -->  NH4NO3(ac)

2NH3(ac)  +  H2SO4(ac)  -->  (NH4)2SO4(ac)

2NH3(ac)  +  H2PO4(ac)  -->  (NH4)2HPO4(ac)

Otro método para obtener sulfato de amonio requiere de dos pasos :

2NH3(ac)  +  CO2(ac)  +  H2O(l)  -->  (NH4)2CO3(ac)                          (1)

(NH4)2CO3(ac)  +  CaSO4(ac)  -->  (NH4)2SO4(ac)  +  CaCO2(s)        (2)

Este procedimiento es adecuado porque las materias primas, dióxido de carbono y sulfato de calcio, son menos costosas que el ácido sulfúrico. Para aumentar el rendimiento, se ahce que el amoniaco sea el reactivo limitante de la reaccón (1) y, el carbonato de amonio, en la reacción (2).

Hay varios factores que influyen en la elección de un fertilizante sobre otros: 1) el costo de materias primas necesarias para la obtencion del fertilizante; 2) la facilidad de almacenamiento, transporte y empleo; 3) la composición porcentual en masa del elemento que se desea; 4) adaptabilidad del compuesto, es decir, si el compuesto es soluble en agua y si puede ser absorbido rápidamente por las plantas. Al considerar todos estos factores, se encuentra que el NH4NO3 es el fertilizante nitrogenado más importante en el mundo, a pesar de que el amoniaco tiene mayor porcentaje de nitrógeno en masa.

Los fertilizantes fosfatados provienen de una roca fosfórica llamada fluorapatita, CA5(PO4)3F. La fluorapatita es insoluble en agua, por lo que primero debe convertirse en dihidrógeno fosfato de calcio CA(H2PO4)2, que es soluble en agua:

2CA5(PO4)3F(s)  +  7H2SO4(ac)  -->  3CA(H2PO4)2(ac)   +   7CaSO4(ac)  +  2HF(g)

Para lograr el máximo rendimiento, se hace que la fluorapatita sea el reactivo limitante en esta reacción.

Todas las reacciones que se estudiaron para la preparación de fertilizantes parecen relativamente sencillas; sin embargo, se han hechos muchos esfuerzos para mejorar su rendimiento cambiando algunas condiciones como temperatura, presión, entre otras. Por lo general, los químicos industriales primero producen las reacciones prometedoras en el laboratorio y después las prueban en una planta piloto antes de aplicarlas en forma masiva.