15.10: Los Iones como Ácidos y Bases

Sales con iones ácidos

Las sales son compuestos iónicos formados por cationes y aniones, cualquiera de los cuales puede ser capaz de sufrir una reacción de ionización ácida o básica con agua. Las soluciones acuosas de la sal, por lo tanto, pueden ser ácidas, básicas, o neutras, dependiendo de las fuerzas relativas ácido-base de los iones constituyentes de la sal. Por ejemplo, la disolución del cloruro de amonio en el agua produce su disociación, tal como se describe en la ecuación:

El ion amonio es el ácido conjugado de la base amoníaco, NH₃; su reacción de ionización ácida (o hidrólisis ácida) está representada por

Dado que el amoníaco es una base débil, K_b es mensurable y K_a > 0 (el ion amonio es un ácido débil).

El ión cloruro es la base conjugada del ácido clorhídrico, por lo que su reacción de ionización básica (o hidrólisis básica) está representada por

Dado que el HCl es un ácido fuerte, el K_a es inmensurablemente grande y el K_b ≈ 0 (los iones de cloruro no experimentan hidrólisis apreciable). Por lo tanto, la disolución del cloruro de amonio en el agua produce una solución de cationes ácidos débiles (NH₄⁺) y aniones inertes (Cl⁻), lo que resulta en una solución ácida.

Sales con iones básicos

Como otro ejemplo, considere disolver el acetato de sodio en agua:

El ion sodio no se somete a una ionización apreciable de ácido o base y no tiene ningún efecto en el pH de la solución. Esto puede parecer obvio a partir de la fórmula del ión, que indica que no hay átomos de hidrógeno u oxígeno, pero algunos iones de metal disuelto funcionan como ácidos débiles, como se trata más adelante en esta sección. El ion acetato, CH₃CO₂⁻, es la base conjugada del ácido acético, CH₃CO₂H, por lo que su reacción de ionización básica (o hidrólisis básica) se representa mediante

Debido a que el ácido acético es un ácido débil, su K_a es mensurable y su K_b > 0 (el ion acetato es una base débil). La disolución de acetato de sodio en agua produce una solución de cationes inertes (Na⁺) y aniones básicos débiles (CH₃CO₂⁻), lo que resulta en una solución básica.

Sales con iones ácidos y básicos

Algunas sales están compuestas de iones ácidos y básicos, por lo que el pH de sus soluciones dependerá de las fuerzas relativas de estas dos especies. Para este tipo de sales, una comparación de los valores de K_a y K_b permite predecir el estado ácido-base de la solución.

La ionización de iones metálicos hidratados

A diferencia de los iones metálicos de los grupos 1 y 2 de los ejemplos anteriores (Na⁺, Ca²⁺, etc.), algunos iones metálicos funcionan como ácidos en soluciones acuosas. Estos iones no sólo son solvatados libremente por moléculas de agua cuando se disuelven; en su lugar están covalentemente unidos a un número fijo de moléculas de agua para producir un ión complejo (ver el capítulo sobre química de coordinación). Como ejemplo, la disolución de nitrato de aluminio en agua se representa típicamente como

Sin embargo, el ion aluminio (III) reacciona realmente con seis moléculas de agua para formar un ion complejo estable, y por lo tanto la representación más explícita del proceso de disolución es

Los iones Al(H₂O)₆³ involucran enlaces entre un átomo central de Al y los átomos de O de las seis moléculas de agua. En consecuencia, los enlaces O–H de las moléculas de agua unidas son más polares que en las moléculas de agua no unidas, lo que hace que las moléculas unidas sean más propensas a la donación de un ion hidrógeno:

La base conjugada producida por este proceso contiene otras cinco moléculas de agua unidas capaces de actuar como ácidos, por lo que la transferencia secuencial o gradual de protones es posible como se muestra en pocas ecuaciones a continuación:

Aparte de los metales alcalinos (grupo 1) y algunos metales alcalinotérreos (grupo 2), la mayoría de los otros iones metálicos sufrirán ionización ácida en cierta medida cuando se disuelven en agua. La fuerza ácida de estos iones complejos normalmente aumenta con el aumento de la carga y la disminución del tamaño de los iones metálicos. A continuación se muestran las ecuaciones de ionización ácida de primer paso para otros iones metálicos ácidos:

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 14.4: Hidrólisis de las sales.

Los ácidos, las bases y los compuestos iónicos forman aniones y cationes cuando se disuelven en agua. Los aniones que son la base conjugada de ácidos fuertes, como el cloruro formado por la disociación del ácido clorhídrico, son demasiado débiles para aceptar un protón del agua. Por lo tanto, los iones de cloruro tienen un pH neutro;es decir, no son ni ácidos ni básicos.

Por el contrario, los aniones formados por ácidos débiles, como el acetato, la base conjugada del ácido acético, actúa como una base débil, ya que puede aceptar un protón del agua. Los cationes que son el ácido conjugado de bases fuertes, como los iones de sodio formados por hidróxido de sodio, no pueden aceptar protones y, por lo tanto, también tienen un pH neutro Por el contrario, los cationes producidos por bases débiles, como el amonio, el ácido conjugado del amoniaco, actúan como un ácido débil ya que pueden donar protones al agua. Cuando se ionizan, las sales pueden producir soluciones ácidas y básicas si contienen un ácido conjugado o una base conjugada de un ácido o base débil.

El bromuro de amonio produce iones de amonio y bromuro en el agua. Los iones de bromuro tienen un pH neutro, mientras que los iones de amonio actúan como un ácido débil, ya que pueden donar protones. Cuando el acetato de sodio se disuelve en agua, los iones de sodio no reaccionan con el agua;sin embargo, el ion de acetato puede aceptar un protón formando una solución básica.

Las sales que contienen cationes y aniones de pH neutro forman soluciones neutras. Por ejemplo, el cloruro de sodio se disocia en iones de sodio e iones de cloruro cuando se disuelve en agua. Como ambos iones no pueden aceptar ni donar protones, estos forman una solución neutra.

Los iones metálicos pequeños y muy cargados, como el hierro y el aluminio también pueden actuar como ácidos débiles cuando se hidratan. Cuando el aluminio se hidrata, actúa como un ácido débil y transfiere protones de sus aguas de hidratación a las moléculas de agua libre, lo que lleva a la producción de iones de hidronio. Cuanto más pequeño es el ion metálico y más altas las cargas presentes en él, mayor es su tendencia a actuar como un ácido.

Por ejemplo, el Ka para el óxido de hierro Fe es 6, 3 10⁻³, mientras que el Ka para el óxido de níquel Ni es 2, 5 10⁻¹¹.