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.

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.

Escritura de las ecuaciones químicas

Considere lo que sucede cuando el hidrógeno gaseoso (H2) se quema en presencia de aire (que contiene oxigeno, O2) para formar agua (H2O). Esta reacción se representa mediante la ecuación química:

H2  + O2  --> H2O

Donde el signo "más" significa "reacciona con" y la flecha significa "produce". Así, esta expresión simbólica se lee: "El hidrógeno molecular reacciona con el oxígeno molecular para producir agua." Se supone que la reaccion procede de izquierda a derecha como indica la flecha.

Sin embargo la ecuación no está completa, ya que del lado izquierdo de la flecha hay el doble de átomos de oxígeno (dos) que los que hay del lado derecho (uno). Para estar de acuerdo con la ley de la conservación de la masa debe haber el mismo número de cada tipo de átomos en ambos lados de la flecha, es decir, debe haber tantos átomos al finalizarla reacción como los que había antes de que se iniciara. El balance de la ecuación se ahce colocando el coeficiente adecuado (en este caso 2) antes del H2 y del H2O:

 2H2  + O2  --> 2H2O

Esta ecuación química "balanceada"  muestra que "dos moléculas de hidrógeno se combinan o reaccionan con una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua". Debido a que la reacción del número de moléculas es igual a la reacción del número de moles, la ecuación también puede leerse como "2 moles de moléculas de hidrógeno reaccionan con 1 mol de moléculas de oxígeno para producir 2 moles de moléculas de agua". Se conoce la masa de un mol de cada sustancia, por lo que la ecuación se puede interpretar como "4,04 g de H2  reacciona con 32,00 g de O2 para formar 36,04 g de H2O.

En la ecuación se hace referencia al H2 y al O2 como reactivos, que son las sustancias inciales en una reacción química. El agua es el producto, es decir, la sustancia formada como resultado de una reacción química. Una ecuación química es, entonces, la descripción breve que un químico hace de una reacción química. Por convenio, en una ecuación quimica los reactivos se escriben a la izquierda y los productos a la derecha de la flecha:

reactivos --> productos

Para proporcionar información adicional, con frecuencia los químicos indican el estado físico de los reactivos y productos utilizando las letras g, l y s para los estados gaseoso, líquido y sólido, respectivamente. Por ejemplo:

2CO(g) + O2 (g)  -- > 2CO2 (g)

2HgO(s)  -->  2Hg(l)  +  O2 (g)

El conocimiento del estado físico de los reactivos y productos es muy útil en el laboratorio. Por ejemplo, cuando reaccionan el bromuro de potasio (KBr) y el nitrato de plata (AgNO3) en un medio acuoso, se forma un sólido, el bromuro de plata (AgBr). Esta reacción se representa mediante la ecuación: 

KBr(ac)  + AgNO3(ac) --> KNO3(ac)  +  AgBr(s) 

Si no se indican los estados físicos de los reactivos y productos, una persona no informada podría intentar llevar a cabo esta reacción mezclando KBr sólido con AgNO3 sólido. Estos sólidos reaccionan en forma muy lenta o no reaccionan.Si se analiza el proceso a nivel microscópico se puede comprender que para formar un producto como el bromuro de plata, los iones Ag⁺ y los iones Br^- deben estar en contacto. Sin embargo, en estado sólido estos iones tienen muy poca movilidad.

Densidad y gravedad específica

La densidad de una muestra de materia se define como la masa por unidad de volumen,

densidad =    masa                       o bien       D = M
                  volumen                                             V

La densidad se puede emplear para distinguir dos sustancias o para identificar determinada sustancia. Suele expresarse en g/cm3o g/ml, para líquidos y sólidos y en g/L para gases. Estas unidades también se pueden expresar como g · cm^-3,g · ml^-1, y g · L^-1, respectivamente.

Ejemplo:

Una muestra de 47.3 ml de alcohol etílico (etanol) tiene una masa de 37.22g. ¿Cuál es su densidad?

Solución

D = M / V = 37.32g / 47.3 ml = 0.789 g/ml

Si se requieren 103g de etanol para una reacción química, ¿Qué volumen de líquido se debe usar?

Solución.

La densidad del etanol es de 0.789g/ml

D = M / V por tanto,    V= 103g / 0.789 g/ml  = 130 ml

La gravedad específica (gr. esp.) de una sustancia es la relación entre su densidad y la densidad del agua, amboas a la misma temperatura. Las gravedades específicas son números adimensionales.

gr. esp. = D_sustancia / D_agua 

_{La densidad del agua es 1.000g/ml a 3.98ºC, la temperatura en la cual la densidad del agua es mayor. Sin embargo, las variaciones de densidad del agua son tan pequeñas que se puede emplear 1.00g/ml hasta 25ºC sin introducir errores significativos en los cálculos.}

_Ejemplo:

_{La densidad de la sal de mesa es 2.16 g/ml a 20ºC. ¿Cuál es su gravedad específica?.}

_Solución

 _{gr. esp. = Dsustancia / Dagua  = 2.16 g/ml  /  1.00 g/ml = 2.16}

_{Este ejemplo demuestra también que la densidad de una sustancia y su gravedad específica son numéricamente iguales, a temperatura cercana a la ambiental, y si la densidad se expresa en g/ml (g/cm3).}

_{Las etiquetas de soluciónes comerciales de ácidos y bases indican su gravedad específica y su porcentaje en masa de ácido o base presente en la solución. Con esta información se puede calcular la cantidad de ácido o base presente en un volumen dado de solución.}

_Ejemplo:

_{El ácido de un acumulador tiene 40% de ácido sulfúrico} H₂SO₄ y 60% de agua en masa. Su gravedad específica es de 1.31. Calcule la masa de ácido sulfúrico puro, H₂SO₄, _{en 100 ml de ácido del acumulador.}

_Solución

_{Se ha demostrado que la densidad y la gravedad específica son numéricamente iguales a 20ºC ya que la densidad del agua es 1.00g/ml. Por lo tanto,}

_{Densidad = 1.31 g/ml}

_{La solución es 40%} H₂SO₄ y 60% H₂O en masa. De esta información se puede formar el factor unitario deseado:

40.0 g H₂SO₄        porque 100.0g de solución

  100.g sol.             contiene 40.0 g de H₂SO₄ 

A continuación se resuelve el problema:

? g H₂SO₄= 100.0 ml sol. x  1.31 g sol.   x  40.0 g H₂SO₄  = 52.4g.H₂SO₄

                                                                  1 ml sol.         100.0g sol.

Se utilizó primero la densidad como factor unitario para convertir el volumen dado de solución a masa de solución. Después se uso el porcentaje en masa para convertir la masa de solución en masa de ácido.

Densidades de algunas sustancias comunes

Propiedades físicas y químicas de la materia

Las sustancias se caracterizan por sus propiedades y su composición. El color, punto de fusión y punto de ebullición son propiedades físicas. Una propiedad física se puede medir y observar sin que cambie la composición o identidad de la sustancia. Por ejemplo, es posible determinar el punto de fusión del hielo, calentando un trozo de él y registrando la temperatura a la cual se transforma en agua. El agua difiere del hielo sólido en apariencia, no en su composición, por lo que este cambio es físico; es pobile congelar el agua para recuperar el hielo original. Por lo tanto, el punto de fusión de una sustancia es una propiedad física. De igual manera, cuando se dice que el hielo gaseoso es más ligero que el aire, se hace referencia en una propiedad física.

Por otro lado, el enunciado "el hidrógeno gaseoso se quema en presencia de oxígeno gaseoso para formar agua" describe una propiedad química del hidrógeno, ya que para observar esta propiedad se debe efectuar un cambio químico, en ese caso la combustión. Después del cambio, los gases originales, hidrógeno y oxígeno, habrán desparecido y quedará una sustancia química distinta, el agua. No es posible recuperar el hidrógeno del agua por medio de un cambio físico como la ebullición o la congelación.

Cada ves que se prepara un huevo cocido se produce un cambio químico. Al ser sometido a una temperatura de aproximadamente 100ºC, tanto la clara como la yema experimentan cambios que modifican no sólo su aspecto físico, sino también su composición. Al comerse, cambia otra vez la composición del huevo por efecto de las sustancias presentes en el organismo, denominadas enzimas. Esta acción digestiva es otro ejemplo de un cambio químico tanto de los alimentos como de las enzimas implicadas.

Todas las propiedades de la materia que se puede medir, pertenecen a una de dos categorias: propiedades extensivas y propiedades intensivas. El valor medido de una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia considerada. La masa que es la cantidad de materia de una cierta muestra de una sustancia, es una propiedad extensiva. Más materia significa más masa. Los valores de una misma propiedad extensiva se pueden sumar. por ejemplo, dos monedas de cobre tendran la masa resultante de la suma de las masas individuales de cada moneda, así como la longitud de dos canchas de tenis es la suma de la longitud de cada una de ellas. El volumen, definido como longitud elevada al cubo, es otra propiedad extensiva. El valor de una cantidad extensiva depende de la cantidad de materia.

El valor medido de una propiedad intensiva no depende de cuanta materia se considere. La densidad, definida como la masa de un objeto dividida entre su volumen, es una propiedad intensiva. La temperatura es también una propiedad intensiva. Suponga que se tiene dos recipientes, de agua a la misma temperatura; si se mezclan en un recipiente grande, la temperatura de esta mayor cantidad de agua será la misma que la del agua del recipiente separado. A diferencia de la masa, la longitud y el volumen, la temperatura y otras propiedades intensivas no son aditivas.

Sustancias y Mezclas

Una sustancia es una forma que tiene una composición  constante o definida (el número y el tipo de unidades básicas presentes) y propiedades distintivas. Algunos ejemplos son: agua, amoníaco, azucar (sacarosa), oro oxígeno, etc. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar por su aspecto, olor, sabor y otras propiedades. A la fecha, el número de sustancias conocidas excede los cinco millones, y la lista aumenta con rapidez.

Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual éstas mantienen su identidad. Algunos ejemplos familiares son aire, bebidas gaseosas, leche y cemento.

Las mezclas no tienen composición fija; muestra de aire colectadas en dos ciudades distintas probablemente tendrán composiciones diversas como resultado de sus diferencias en altitud, contaminación, etcétera.

Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando una cuchara de azúcar se disuelve en agua, la composición de la mezcla, después de agitar lo suficiente, es la misma en toda la solución. Esta solución es una mezcla homogénea. Sin embargo, si se colocan juntas arena y virutas de hierro resulta una mezcla heterogénea, pues los componentes individuales permanecen físicamente separados y se pueden ver como tales. Cualquier mezcla, ya sea homogénea o heterogénea, se puede separar en sus componentes puros por medios físicos, sin cambiar la identidad de dichos componentes. Así, el azúcar se ñpuede separar de la mezcla homogénea antes descrita evaporando la solución hasta la sequedad. Si se condensa el vapor de agua que se libera, es posible obtener el componente agua. Y se puede utilizar un imán para recuperar las virutas de hierro de la arena, dado que el iman no atrae a esta última. Después de la separación, no habrá ocurrido cambio alguno en la composición de las sustancias que constituían la mezcla.

Elementos

Se denomina elemento al constituyente común a una sustancia simple, a sus variedades alotrópicas y a todas aquellas sustancias compuestas que por descomposición pueden originar dicha sustancia simple.
El elemento oxígeno sorma la sustancia simple oxígeno (a temperatura ambiente) y la sustancia simple ozono (también gaseosa a temperatura ambiente); también está presente en sustancias compuestas tales como dióxido de silicio y agua.
Decimos que la sustancia simple oxigeno y la sustancia simple ozono están formadas por el elemento oxigeno. El dióxido de silicio está formado por el elemento silicio y el elemento oxigeno. Por descomposición total del dióxido de silicio yse obtienen las sustancias simples oxigeno y silicio. El agua está formada por el elemento hidrógeno y el elemento oxigeno. Por descomposición del agua se obtienen sustancias simples hidrógeno y oxígeno. El agua puede ser obtenida por síntesis a partir de las sustancias simples hidrógeno y oxigeno.
El elemento carbono está presente en dos sustancias simples. el grafito y el diamante, y en una enorme cantidad de compuestos, muchos de ellos biológicamente importantes, como los glúcidos, las proteínas, etcétera.
Existen 107 elementos conocidos que se agrupan en una tabla denominada Tabla Periódica. No todos los elementos forman sustancias simples estables. Algunas sustancias simples tienen existencia muy corta, los elementos que las constituyen se llaman elementos radiactivos.
La mayoria de las sustancias elementales son metales como el sodio, el oro, el mercurio. Solamente 22 elementos forman sustancias elementales que no son metálicas, como por ejemplo, el nitrógeno, el bromo, el azufre, el oxígeno, el carbono.