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Químicos Curie
Ácidos y bases débiles: constantes de ionización
¿Qué son los ácidos y bases débiles?
Un ácido débil es aquel que no se disocia completamente en una solución acuosa. Es decir, cuando lo disuelves en agua, solo una parte de sus moléculas libera protones (H⁺), mientras que otra parte permanece sin reaccionar. Una base débil, en cambio, no acepta completamente los protones (H⁺). En solución, solo una fracción de las moléculas reacciona con el agua para formar iones OH⁻ (hidróxido).
La mayoría de los ácidos de Brönsted-Lowry son débiles, es decir, en el agua solo se ioniza una pequeña proporción de sus moléculas. Veamos el proceso de ionización de un ácido y una base débiles.
Ionización de un ácido débil
¿Qué significa "ionizar"?
Ionizar significa que una sustancia se disocia en iones cuando se disuelve en agua. En el caso de un ácido, ionizar es liberar un ion hidrógeno (H⁺), también llamado protón. Pero en los ácidos débiles, esta ionización no ocurre completamente, es decir, solo una parte de las moléculas del ácido se disocia en la solución.
Si utilizamos la fórmula general HA (donde H representa el protón que puede ser donado y A es el resto de la molécula que queda como base conjugada) para designar un ácido débil monoprótico, es decir, un ácido que solo puede liberar un único ion H⁺ por cada molécula, su ionización en el agua se expresa mediante el siguiente equilibrio
Tratándose de disoluciones acuosas diluidas, la concen- tración del agua es prácticamente constante, igual a 55,5 mol x L-1, por lo que la expresión anterior puede escribir- se así:
Y, si llamamos Ka al producto KC [H2O], obtenemos:
En la expresión anterior:
• Ka es la constante de ionización del ácido débil, o constante de acidez.
• [H3O+] y [A-] son las concentraciones molares de los iones en el equilibrio.
• [HA] es la concentración molar del ácido no ionizado.
La tabla 4 muestra los valores de la constante de acidez para algunos ácidos débiles.
Por ejemplo, en el caso del ácido nitroso, HNO2, se tiene:
Este valor tan pequeño de Ka, obtenido experimentalmente, revela que en el equilibrio lasconcentraciones de los iones H3O+ y NO-2 son muy bajas.
En consecuencia, la mayor partede las moléculas HNO2 permanece sin ionizar.
Ionización de una base débil
De modo semejante, si consideramos una base débil, que designa- mos mediante la fórmula general B, su ionización en el agua se expre- sa de este modo:
Su constante de equilibrio es
Y por un razonamiento análogo al del ácido, llamando Kb a KC [H2O]:
En la expresión anterior:
• Kb es la constante de ionización de la base débil, o constantede basicidad.
• [BH+] y [OH-] son las concentraciones molares de los iones enel equilibrio.
• [B] es la concentración molar de la base no ionizada.
La tabla 5 muestra los valores de la constante de basicidad para algunas bases débiles.
Para el amoníaco, NH3, por ejemplo, tenemos:
En términos generales, podemos afirmar que cuanto menor es laconstante de ionización Ka o Kb, más débil es el ácido o la base,respectivamente.
Autoionización del agua
Se ha comprobado que el agua pura presenta una ligera conductividad eléctrica, proceso de autoionización en el que unas moléculas de H2O transfieren un H+ a otras, y se produce una reacción ácido-base:
Los pares conjugados son ácido1- base1 y ácido2- base2. De este modo, obtenemos
Esta nueva constante Kw denominamos producto iónico del agua, ya que se reduce al produc- to de las concentraciones molares de los iones H3O+ y OH− en el equilibrio. Su valor, a 25 0C, es 1 × 10−14, tanto en el agua pura como en las disoluciones acuosas diluidas. A otras temperaturas, el producto iónico del agua varía entre 10−13 y 10−15, como podemos comprobar en la tabla siguiente.
La concentración de iones H3O+ en agua pura vale 1,0 × 10-7 mol × L-1. En un litro de agua pura hay 55,5 mo- les de H2O. En consecuencia, sólo una molécula de cada 550 millones, apro- ximadamente, está ionizada.
Disoluciones acuosas neutras, ácidas y básicas
En la reacción de autoionización del agua, por cada ion H3O+ formado, se produce también un ion OH−. Por tanto, en el agua pura la concentración molar de los dos iones es la misma.
Las disoluciones acuosas que cumplen esta condición se denominan disoluciones neutras. En las disoluciones ácidas hay un exceso de iones H3O+ respecto de los iones OH- y, el valor constante de Kw exige que la [OH-] disminuya en la misma cantidad en que aumenta la [H3O+]. Es decir:
Por el contrario, en las disoluciones básicas hay un exceso de iones OH− respecto de los io- nes H3O+, y se mantiene constante el valor de Kw:
Relación entre las constantes Ka, Kb y Kw
Si formulamos la ionización de un ácido débil HA y la de su base conjugada A−, com- probamos fácilmente que la suma de las dos reacciones es igual a la reacción de au- toionización del agua:
En consecuencia, se cumple:
