Teoría ácido-base de Brønsted-Lowry - Brønsted–Lowry acid–base theory
La teoría de Brønsted-Lowry (también llamada teoría de protones de ácidos y bases ) es una teoría de la reacción ácido-base que fue propuesta independientemente por Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry en 1923. El concepto fundamental de esta teoría es que cuando un ácido y un las bases reaccionan entre sí, el ácido forma su base conjugada y la base forma su ácido conjugado mediante el intercambio de un protón (el catión de hidrógeno o H + ). Esta teoría es una generalización de la teoría de Arrhenius .
Definiciones de ácidos y bases.
En la teoría de Arrhenius , los ácidos se definen como sustancias que se disocian en solución acuosa para dar H + (iones de hidrógeno), mientras que las bases se definen como sustancias que se disocian en solución acuosa para dar OH - (iones de hidróxido).
En 1923, los químicos físicos Johannes Nicolaus Brønsted en Dinamarca y Thomas Martin Lowry en Inglaterra propusieron de forma independiente la teoría que lleva sus nombres. En la teoría de Brønsted-Lowry, los ácidos y las bases se definen por la forma en que reaccionan entre sí, lo que permite una mayor generalización. La definición se expresa en términos de una expresión de equilibrio
- ácido + base ⇌ conjugado base + conjugado ácido .
Con un ácido, HA, la ecuación se puede escribir simbólicamente como:
El signo de equilibrio, ⇌, se usa porque la reacción puede ocurrir tanto hacia adelante como hacia atrás. El ácido, HA, puede perder un protón para convertirse en su base conjugada, A - . La base, B, puede aceptar un protón para convertirse en su ácido conjugado, HB + . La mayoría de las reacciones ácido-base son rápidas, por lo que los componentes de la reacción suelen estar en equilibrio dinámico entre sí.
Soluciones acuosas
Considere la siguiente reacción ácido-base:
El ácido acético , CH 3 COOH, es un ácido porque dona un protón al agua (H 2 O) y se convierte en su base conjugada, el ion acetato (CH 3 COO - ). El H 2 O es una base porque acepta un protón del CH 3 COOH y se convierte en su ácido conjugado, el ion hidronio (H 3 O + ).
El reverso de una reacción ácido-base es también una reacción ácido-base, entre el ácido conjugado de la base en la primera reacción y la base conjugada del ácido. En el ejemplo anterior, el acetato es la base de la reacción inversa y el ión hidronio es el ácido.
El poder de la teoría de Brønsted-Lowry es que, en contraste con la teoría de Arrhenius, no requiere un ácido para disociarse.
Sustancias anfóteras
La esencia de la teoría de Brønsted-Lowry es que un ácido solo existe como tal en relación con una base, y viceversa . El agua es anfótera ya que puede actuar como ácido o como base. En la imagen que se muestra a la derecha, una molécula de H 2 O actúa como base y gana H + para convertirse en H 3 O + mientras que la otra actúa como un ácido y pierde H + para convertirse en OH - .
Otro ejemplo lo proporcionan sustancias como el hidróxido de aluminio , Al (OH) 3 .
- , actuando como un ácido
- , actuando como base
Soluciones no acuosas
El ion hidrógeno, o ion hidronio, es un ácido de Brønsted-Lowry en soluciones acuosas, y el ion hidróxido es una base, en virtud de la reacción de auto-disociación.
Se produce una reacción análoga en el amoníaco líquido.
Por tanto, el ion amonio, NH+
4, juega el mismo papel en el amoníaco líquido que el ion hidronio en el agua y el ion amida, NH-
2, es análogo al ion hidróxido. Las sales de amonio se comportan como ácidos y las amidas como bases.
Algunos disolventes no acuosos pueden comportarse como bases, es decir, aceptores de protones, en relación con los ácidos de Brønsted-Lowry.
donde S representa una molécula de disolvente. Los disolventes más importantes son dimetilsulfóxido , DMSO y acetonitrilo , CH 3 CN, ya que estos disolventes se han utilizado ampliamente para medir las constantes de disociación ácida de moléculas orgánicas. Debido a que el DMSO es un aceptor de protones más fuerte que H 2 O el ácido se convierte en un ácido más fuerte en este disolvente que en agua. De hecho, muchas moléculas se comportan como ácidos en solución no acuosa que no lo hacen en solución acuosa. Un caso extremo ocurre con los ácidos de carbono , donde se extrae un protón de un enlace CH.
Algunos disolventes no acuosos pueden comportarse como ácidos. Un solvente ácido aumentará la basicidad de las sustancias disueltas en él. Por ejemplo, el compuesto CH 3 COOH se conoce como ácido acético debido a su comportamiento ácido en el agua. Sin embargo, se comporta como una base en el cloruro de hidrógeno líquido , un solvente mucho más ácido.
Comparación con la teoría ácido-base de Lewis
El mismo año en que Brønsted y Lowry publicaron su teoría, GN Lewis propuso una teoría alternativa de las reacciones ácido-base. La teoría de Lewis se basa en una estructura electrónica . Una base de Lewis se define como un compuesto que puede donar un par de electrones a un ácido de Lewis , un compuesto que puede aceptar un par de electrones. La propuesta de Lewis da una explicación a la clasificación de Brønsted-Lowry en términos de estructura electrónica.
En esta representación, tanto la base, B, como la base conjugada, A - , se muestran portando un solo par de electrones y el protón, que es un ácido de Lewis, se transfiere entre ellos.
Lewis escribió más tarde en "Restringir el grupo de ácidos a aquellas sustancias que contienen hidrógeno interfiere tan seriamente con la comprensión sistemática de la química como lo haría la restricción del término agente oxidante a las sustancias que contienen oxígeno ". En la teoría de Lewis, un ácido, A, y una base, B :, forman un aducto, AB, en el que el par de electrones se usa para formar un enlace covalente dativo entre A y B. Esto se ilustra con la formación del aducto H 3 N − BF 3 de amoníaco y trifluoruro de boro , una reacción que no puede ocurrir en solución acuosa porque el trifluoruro de boro reacciona violentamente con agua en una reacción de hidrólisis.
Estas reacciones ilustran que BF 3 es un ácido en las clasificaciones de Lewis y Brønsted-Lowry y enfatiza la coherencia entre ambas teorías.
El ácido bórico se reconoce como ácido de Lewis en virtud de la reacción
En este caso el ácido no se disocia, es la base, H 2 O la que se disocia. Una solución de B (OH) 3 es ácida porque en esta reacción se liberan iones de hidrógeno.
Existe una fuerte evidencia de que las soluciones acuosas diluidas de amoníaco contienen cantidades insignificantes del ion amonio.
y que, cuando se disuelve en agua, el amoniaco funciona como una base de Lewis.
Comparación con la teoría Lux-Flood
Las reacciones entre óxidos en estado sólido o líquido no se incluyen en la teoría de Brønsted-Lowry. Por ejemplo, la reacción
no entra dentro del alcance de la definición de ácidos y bases de Brønsted-Lowry. Por otro lado, el óxido de magnesio actúa como base cuando reacciona con una solución acuosa de un ácido.
Se ha predicho que el SiO 2 disuelto es un ácido débil en el sentido de Brønsted-Lowry.
Según la teoría Lux-Flood, los compuestos como MgO y SiO 2 en estado sólido pueden clasificarse como ácidos o bases. Por ejemplo, el mineral olivino puede considerarse como un compuesto de un óxido básico, MgO, con un óxido ácido, sílice, SiO 2 . Esta clasificación es importante en geoquímica .