Base (química) - Base (chemistry)

Los jabones son bases débiles formadas por la reacción de ácidos grasos con hidróxido de sodio o hidróxido de potasio .

En química , hay tres definiciones de uso común de la palabra base , conocidas como bases de Arrhenius, bases de Brønsted y bases de Lewis. Todas las definiciones coinciden en que las bases son sustancias que reaccionan con los ácidos como lo propuso originalmente G.-F. Rouelle a mediados del siglo XVIII.

Svante Arrhenius propuso en 1884 que una base es una sustancia que se disocia en solución acuosa para formar iones hidróxido OH - . Estos iones pueden reaccionar con iones de hidrógeno (H + según Arrhenius) a partir de la disociación de ácidos para formar agua en una reacción ácido-base . Por tanto, una base era un hidróxido metálico como NaOH o Ca (OH) 2 . Dichas soluciones acuosas de hidróxido también se describieron por ciertas propiedades características. Son resbaladizos al tacto, pueden tener un sabor amargo y cambiar el color de los indicadores de pH (p. Ej., Tornan azul el papel tornasol rojo ).

En agua, al alterar el equilibrio de autoionización , las bases producen soluciones en las que la actividad del ión hidrógeno es menor que en el agua pura, es decir, el agua tiene un pH superior a 7,0 en condiciones estándar. Una base soluble se llama álcali si contiene y libera iones OH - cuantitativamente . Los óxidos , hidróxidos y especialmente alcóxidos de metales son básicos, y las bases conjugadas de ácidos débiles son bases débiles.

Las bases y los ácidos se consideran químicos opuestos porque el efecto de un ácido es aumentar la concentración de hidronio (H 3 O + ) en el agua, mientras que las bases reducen esta concentración. Una reacción entre soluciones acuosas de un ácido y una base se llama neutralización , produciendo una solución de agua y una sal en la que la sal se separa en los iones que la componen. Si la solución acuosa está saturada con un soluto de sal dado , cualquier sal adicional de este tipo se precipita fuera de la solución.

En la teoría ácido-base más general de Brønsted-Lowry (1923), una base es una sustancia que puede aceptar cationes de hidrógeno (H + ), también conocidos como protones . Esto incluye hidróxidos acuosos ya que OH - reacciona con H + para formar agua, por lo que las bases de Arrhenius son un subconjunto de las bases de Brønsted. Sin embargo, también existen otras bases de Brønsted que aceptan protones, como las soluciones acuosas de amoniaco (NH 3 ) o sus derivados orgánicos ( aminas ). Estas bases no contienen un ión hidróxido pero, no obstante, reaccionan con el agua, lo que aumenta la concentración del ión hidróxido. Además, algunos disolventes no acuosos contienen bases de Brønsted que reaccionan con protones solvatados . Por ejemplo, en amoníaco líquido , NH 2 - es la especie de ión básico que acepta protones de NH 4 + , la especie ácida en este solvente.

GN Lewis se dio cuenta de que el agua, el amoníaco y otras bases pueden formar un enlace con un protón debido al par de electrones no compartidos que poseen las bases. En la teoría de Lewis , una base es un par de electrones donantes que pueda compartir un par de electrones con un aceptor de electrones que se describe como un ácido de Lewis. La teoría de Lewis es más general que el modelo de Brønsted porque el ácido de Lewis no es necesariamente un protón, pero puede ser otra molécula (o ion) con un orbital bajo vacante que puede aceptar un par de electrones. Un ejemplo notable es el trifluoruro de boro (BF 3 ).

En el pasado se propusieron otras definiciones tanto de bases como de ácidos, pero no se usan comúnmente en la actualidad.

Propiedades

Las propiedades generales de las bases incluyen:

  • Las bases concentradas o fuertes son cáusticas sobre la materia orgánica y reaccionan violentamente con sustancias ácidas.
  • Las soluciones acuosas o bases fundidas se disocian en iones y conducen la electricidad.
  • Reacciones con indicadores : las bases se vuelven azules del papel tornasol rojo, rosa de la fenolftaleína, mantienen el azul de bromotimol en su color natural de azul y se vuelven de color amarillo anaranjado de metilo.
  • El pH de una solución básica en condiciones estándar es superior a siete.
  • Las bases son amargas.

Reacciones entre bases y agua.

La siguiente reacción representa la reacción general entre una base (B) y agua para producir un ácido conjugado (BH + ) y una base conjugada (OH - ):

B (aq) + H 2 O ( l ) ⇌ BH + (aq) + OH - (aq)

La constante de equilibrio, K b , para esta reacción se puede encontrar usando la siguiente ecuación general:

K b = [BH + ] [OH - ] / [B]

En esta ecuación, la base (B) y la base extremadamente fuerte (la base conjugada OH - ) compiten por el protón. Como resultado, las bases que reaccionan con el agua tienen valores constantes de equilibrio relativamente pequeños. La base es más débil cuando tiene un valor constante de equilibrio más bajo.

Neutralización de ácidos

Amoníaco humos de acuosa de hidróxido de amonio (en tubo de ensayo) hacer reaccionar con ácido clorhídrico (en vaso de precipitados ) para producir cloruro de amonio (humo blanco).

Las bases reaccionan con los ácidos para neutralizarse entre sí a un ritmo rápido tanto en agua como en alcohol. Cuando se disuelve en agua, el hidróxido de sodio de base fuerte se ioniza en iones de hidróxido y sodio:

NaOH → Na+
+ OH-

y de manera similar, en el agua, el cloruro de hidrógeno ácido forma iones hidronio y cloruro:

HCl + H
2
O
H
3
O+
+ Cl-

Cuando se mezclan las dos soluciones, el H
3
O+
y oh-
Los iones se combinan para formar moléculas de agua:

H
3
O+
+ OH-
→ 2 H
2
O

Si se disuelven cantidades iguales de NaOH y HCl, la base y el ácido se neutralizan exactamente, dejando solo NaCl, efectivamente sal de mesa , en solución.

Deben usarse bases débiles, como bicarbonato de sodio o clara de huevo, para neutralizar cualquier derrame de ácido. Los derrames de ácido neutralizante con bases fuertes, como el hidróxido de sodio o el hidróxido de potasio , pueden causar una reacción exotérmica violenta, y la base en sí misma puede causar tanto daño como el derrame de ácido original.

Alcalinidad de no hidróxidos

Las bases son generalmente compuestos que pueden neutralizar una cantidad de ácidos. Tanto el carbonato de sodio como el amoníaco son bases, aunque ninguna de estas sustancias contiene OH-
grupos. Ambos compuestos aceptan H + cuando se disuelven en solventes próticos como el agua:

Na 2 CO 3 + H 2 O → 2 Na + + HCO 3 - + OH -
NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH -

A partir de esto, se puede calcular un pH o acidez para soluciones acuosas de bases. Las bases también actúan directamente como donantes de pares de electrones:

CO 3 2− + H + → HCO 3 -
NH 3 + H + → NH 4 +

Una base también se define como una molécula que tiene la capacidad de aceptar un enlace de par de electrones al entrar en la capa de valencia de otro átomo a través de su posesión de un par de electrones. Hay un número limitado de elementos que tienen átomos con la capacidad de proporcionar propiedades básicas a una molécula. El carbono puede actuar como base al igual que el nitrógeno y el oxígeno . El flúor y, a veces, los gases raros también poseen esta capacidad. Esto ocurre típicamente en compuestos como butil litio , alcóxidos y amidas metálicas como amida de sodio . Las bases de carbono, nitrógeno y oxígeno sin estabilización por resonancia suelen ser muy fuertes, o superbases , que no pueden existir en una solución acuosa debido a la acidez del agua. La estabilización por resonancia, sin embargo, permite bases más débiles como los carboxilatos; por ejemplo, el acetato de sodio es una base débil .

Bases fuertes

Una base fuerte es un compuesto químico básico que puede eliminar un protón (H + ) de (o desprotonar ) una molécula de incluso un ácido muy débil (como el agua) en una reacción ácido-base. Los ejemplos comunes de bases fuertes incluyen hidróxidos de metales alcalinos y metales alcalinotérreos, como NaOH y Ca (OH)
2
, respectivamente. Debido a su baja solubilidad, algunas bases, como los hidróxidos alcalinotérreos, pueden utilizarse cuando no se tiene en cuenta el factor de solubilidad. Una ventaja de esta baja solubilidad es que "muchos antiácidos eran suspensiones de hidróxidos metálicos tales como hidróxido de aluminio e hidróxido de magnesio". Estos compuestos tienen baja solubilidad y tienen la capacidad de detener un aumento en la concentración del ión hidróxido, previniendo el daño de los tejidos de la boca, el esófago y el estómago. A medida que la reacción continúa y las sales se disuelven, el ácido del estómago reacciona con el hidróxido producido por las suspensiones. Las bases fuertes se hidrolizan en agua casi por completo, lo que produce un efecto nivelador . "En este proceso, la molécula de agua se combina con una base fuerte, debido a la capacidad anfótera del agua; y se libera un ion hidróxido. Las bases muy fuertes pueden incluso desprotonar muy grupos C – H débilmente ácidos en ausencia de agua. Aquí hay una lista de varias bases fuertes:

Hidróxido de litio LiOH
Hidróxido de sodio NaOH
Hidróxido de potasio KOH
Hidróxido de rubidio RbOH
Hidróxido de cesio CsOH
Hidróxido de magnesio Mg (OH)
2
Hidróxido de calcio Ca (OH)
2
Hidróxido de estroncio Sr (OH)
2
Hidróxido de bario Ba (OH)
2
Hidróxido de tetrametilamonio N (CH
3
)
4
OH
Guanidina HNC (NH
2
)
2

Los cationes de estas bases fuertes aparecen en el primer y segundo grupo de la tabla periódica (metales alcalinos y alcalinotérreos). Los hidróxidos de amonio tetraalquilados también son bases fuertes ya que se disocian completamente en agua. La guanidina es un caso especial de una especie que es excepcionalmente estable cuando se protona, de manera análoga a la razón por la que el ácido perclórico y el ácido sulfúrico son ácidos muy fuertes.

Los ácidos con una p K a de más de aproximadamente 13 se consideran muy débiles y sus bases conjugadas son bases fuertes.

Superbases

Las sales del grupo 1 de carbaniones, amidas e hidruros tienden a ser bases aún más fuertes debido a la extrema debilidad de sus ácidos conjugados, que son hidrocarburos estables, aminas y dihidrógeno. Por lo general, estas bases se crean agregando metales alcalinos puros como el sodio en el ácido conjugado. Se llaman superbases y es imposible mantenerlas en solución acuosa porque son bases más fuertes que el ion hidróxido. Como tal, desprotonan el agua ácida conjugada. Por ejemplo, el ion etóxido (la base conjugada del etanol) en presencia de agua sufre esta reacción.

CH
3
CH
2
O-
+ H
2
O
CH
3
CH
2
OH
+ OH-

Ejemplos de superbases comunes son:

Las superbases más fuertes solo se sintetizaron en fase gaseosa:

Bases débiles

Una base débil es aquella que no se ioniza completamente en una solución acuosa , o en la que la protonación es incompleta. Por ejemplo, el amoníaco transfiere un protón al agua de acuerdo con la ecuación

La constante de equilibrio para esta reacción a 25 ° C es 1.8 x 10 −5 , de modo que el grado de reacción o el grado de ionización es bastante pequeño.

Bases de Lewis

Una base de Lewis o un donante de pares de electrones es una molécula con un par de electrones de alta energía que se pueden compartir con un orbital vacante de baja energía en una molécula aceptora para formar un aducto . Además de H + , los posibles aceptores (ácidos de Lewis) incluyen moléculas neutras como BF 3 e iones metálicos como Ag + o Fe 3+ . Los aductos que involucran iones metálicos generalmente se describen como complejos de coordinación .

Según la formulación original de Lewis , cuando una base neutra forma un enlace con un ácido neutro, se produce una condición de estrés eléctrico. El ácido y la base comparten el par de electrones que antes solo pertenecía a la base. Como resultado, se crea un momento dipolar alto, que solo puede destruirse reorganizando las moléculas.

Bases sólidas

Los ejemplos de bases sólidas incluyen:

  • Mezclas de óxidos: SiO 2 , Al 2 O 3 ; MgO, SiO 2 ; CaO, SiO 2
  • Bases montadas: LiCO 3 sobre sílice; NR 3 , NH 3 , KNH 2 sobre alúmina; NaOH, KOH montado sobre sílice sobre alúmina
  • Productos químicos inorgánicos: BaO, KNaCO 3 , BeO, MgO, CaO, KCN
  • Resinas de intercambio aniónico
  • Carbón que ha sido tratado a 900 grados Celsius o se activa con N 2 O, NH 3 , ZnCl 2 -NH 4 Cl-CO 2

Dependiendo de la capacidad de una superficie sólida para formar con éxito una base conjugada mediante la absorción de un ácido eléctricamente neutro, se determina la resistencia básica de la superficie. "El número de sitios básicos por unidad de superficie del sólido" se usa para expresar cuánta base se encuentra en un catalizador de base sólida. Los científicos han desarrollado dos métodos para medir la cantidad de sitios básicos: titulación con ácido benzoico utilizando indicadores y adsorción de ácido gaseoso. Un sólido con suficiente fuerza básica absorberá un indicador de ácido eléctricamente neutro y hará que el color del indicador de ácido cambie al color de su base conjugada. Al realizar el método de adsorción de ácido gaseoso, se utiliza óxido nítrico. A continuación, se determinan los sitios básicos utilizando la cantidad de dióxido de carbono que se absorbe.

Bases como catalizadores

Las sustancias básicas se pueden utilizar como catalizadores heterogéneos insolubles para reacciones químicas . Algunos ejemplos son los óxidos metálicos como el óxido de magnesio , el óxido de calcio y el óxido de bario , así como el fluoruro de potasio en alúmina y algunas zeolitas . Muchos metales de transición son buenos catalizadores, muchos de los cuales forman sustancias básicas. Se han utilizado catalizadores básicos para hidrogenaciones , la migración de dobles enlaces , en la reducción de Meerwein-Ponndorf-Verley , la reacción de Michael y muchas otras reacciones. Tanto el CaO como el BaO pueden ser catalizadores muy activos si se tratan con calor a alta temperatura.

Usos de bases

  • El hidróxido de sodio se utiliza en la fabricación de jabón, papel y rayón de fibra sintética .
  • El hidróxido de calcio (cal apagada) se utiliza en la fabricación de blanqueadores en polvo.
  • El hidróxido de calcio también se usa para limpiar el dióxido de azufre, que es causado por los gases de escape, que se encuentra en las plantas de energía y las fábricas.
  • El hidróxido de magnesio se utiliza como "antiácido" para neutralizar el exceso de ácido en el estómago y curar la indigestión.
  • El carbonato de sodio se utiliza como sosa de lavado y para ablandar el agua dura.
  • El bicarbonato de sodio (o bicarbonato de sodio) se usa como bicarbonato de sodio para cocinar alimentos, para hacer polvos de hornear, como antiácido para curar la indigestión y en extintores de ácido de sodio.
  • El hidróxido de amonio se utiliza para eliminar las manchas de grasa de la ropa.

Acidez de bases

El número de iones de hidróxido (OH-) ionizables presentes en una molécula de base se denomina acidez de las bases. Sobre la base de la acidez, las bases se pueden clasificar en tres tipos: monoácido, diacídico y triacídico.

Bases monoácidas

Cuando una molécula de una base a través de la ionización completa produce un ion hidróxido , se dice que la base es una base monoácida. Ejemplos de bases monoácidas son:

El hidróxido de sodio , hidróxido de potasio , hidróxido de plata , hidróxido de amonio , etc

Bases diácidas

Cuando una molécula de base a través de la ionización completa produce dos iones hidróxido , se dice que la base es diácida. Ejemplos de bases diacídicas son:

Hidróxido de bario , hidróxido de magnesio , hidróxido de calcio , hidróxido de zinc , de hierro (II) de hidróxido , hidróxido de estaño (II) , plomo hidróxido de (II) , cobre (II) de hidróxido , etc.

Bases triacídicas

Cuando una molécula de base a través de la ionización completa produce tres iones hidróxido , se dice que la base es triacídica. Ejemplos de bases triacídicas son:

Hidróxido de aluminio , hidróxido ferroso , trihidróxido de oro ,

Etimología del término

El concepto de base proviene de una noción alquímica más antigua de "la matriz":

El término "base" parece haber sido utilizado por primera vez en 1717 por el químico francés, Louis Lémery , como sinónimo de la mayor paracélsica término "matriz". De acuerdo con el animismo del siglo XVI , Paracelso había postulado que las sales naturales crecían dentro de la tierra como resultado de un ácido universal o principio seminal que había impregnado una matriz o útero terrestre. ... Su significado moderno y su introducción general en el vocabulario químico, sin embargo, generalmente se atribuyen al químico francés Guillaume-François Rouelle . ... En 1754 Rouelle definió explícitamente una sal neutra como el producto formado por la unión de un ácido con cualquier sustancia, ya sea un álcali soluble en agua, un álcali volátil, una tierra absorbente, un metal o un aceite, capaz de sirviendo como "base" para la sal "dándole una forma concreta o sólida". La mayoría de los ácidos conocidos en el siglo XVIII eran líquidos volátiles o "espíritus" capaces de destilación, mientras que las sales, por su propia naturaleza, eran sólidos cristalinos. Por tanto, fue la sustancia que neutralizó el ácido la que supuestamente destruyó la volatilidad o el espíritu del ácido y la que impartió la propiedad de solidez (es decir, dio una base de hormigón) a la sal resultante.

-  William Jensen, El origen del término "base"

Ver también

Referencias

  • Whitten, Kenneth W .; Peck, Larry; Davis, Raymond E .; Lockwood, Lisa; Stanley, George G. (2009). Química (9ª ed.). ISBN 978-0-495-39163-0.
  • Zumdahl, Steven; DeCoste, Donald (2013). Principios químicos (7ª ed.). Mary Finch.