Conceptos Fundamentales de Disoluciones Ácido-Base y Estereoquímica
Conceptos Fundamentales en Química de Disoluciones y Estereoquímica
I. Disoluciones y Equilibrio Iónico
Definición de Electrolito
Un electrolito es una sustancia que al disolverse en un medio (generalmente agua) experimenta una disociación (o ionización) total o parcial en sus iones.
Grado de Disociación ($\alpha$)
Se define como la fracción de moléculas disociadas. Cuanto más diluida esté la disolución, mayor será el valor de $\alpha$.
II. Teorías Ácido-Base
A. Según Arrhenius
- Un ácido: Es una sustancia que en disolución acuosa se disocia en sus iones, liberando iones $\text{H}^+$.
- Una base: Es una sustancia que en disolución acuosa se disocia en sus iones, liberando iones $\text{OH}^-$.
B. Según Brønsted-Lowry
- Un ácido: Es toda sustancia capaz de ceder un protón ($\text{H}^+$) a otra sustancia, que denominamos base.
- Una base: Es toda sustancia capaz de aceptar un protón ($\text{H}^+$) de otra sustancia, que denominamos ácido.
Sustancia Anfótera
La teoría de Brønsted-Lowry permite justificar por qué muchas sustancias pueden actuar a veces como ácidos y, otras, como bases.
III. Medición y Fuerza de Ácidos y Bases
Concepto de pH
El $\text{pH}$ es el logaritmo decimal de la concentración de iones hidronio ($\text{H}_3\text{O}^+$), cambiando de signo:
$$\text{pH} = -\log[\text{H}_3\text{O}^+]$$
Fuerza de Ácidos y Bases
Teoría de Arrhenius
- Un ácido (o base) es fuerte cuando en disolución acuosa se encuentra totalmente disociado (o cuando $\alpha = 1$).
- Por el contrario, será débil cuando esté poco disociado, es decir, $\alpha \ll 1$.
Teoría de Brønsted-Lowry
- Un ácido es fuerte cuando tiene mucha tendencia a ceder protones (a una base).
- Una base es fuerte cuando tiene mucha tendencia a aceptar protones (de un ácido).
Fuerza de un Ácido y Estructura Molecular
Ácidos Hidrácidos
La energía del enlace $\text{H-X}$ decrece de $\text{F}$ a $\text{I}$ (en el grupo de los halógenos), ya que en ese sentido disminuye la atracción entre el átomo de $\text{H}$ y el halógeno al aumentar el tamaño de este último.
Ácidos Polipróticos
Son sustancias que pueden ceder más de un protón. Los protones no se ceden todos a la vez, sino en sucesivas etapas caracterizadas por un equilibrio y por un valor distinto de la constante de acidez ($K_a$). Las sucesivas cesiones son cada vez más difíciles, por lo que los valores de las constantes de acidez van siendo cada vez menores ($K_{a1} > K_{a2} > K_{a3} \dots$).
IV. Reacciones en Disolución
Hidrólisis
Se denomina así al fenómeno por el cual uno o los dos iones que forman una sal reaccionan con el agua. Este hecho conlleva un exceso de iones $\text{H}_3\text{O}^+$ o bien de iones $\text{OH}^-$, por lo que se va a modificar el $\text{pH}$ del agua.
Indicadores
Es una sustancia que puede ser un ácido débil o una base débil, la cual se caracteriza por tener distinto color la forma ácida y su base conjugada (o ácido conjugado).
Disolución Reguladora del pH (Buffer)
Es aquel sistema químico que es capaz de mantener constante el $\text{pH}$ de una disolución ante la adición externa de pequeñas cantidades de un ácido o de una base. Este sistema está formado por:
- Un ácido débil y la sal de dicho ácido (su base conjugada).
- O por una base débil y la sal de dicha base (su ácido conjugado).
V. Isomería Química
Definición
La isomería es el fenómeno por el cual dos (o más) sustancias diferentes presentan la misma fórmula molecular. A cada una de las sustancias se les denomina isómeros. Puede ser estructural (o plana) y espacial. La primera se puede explicar mediante fórmulas planas, y la segunda mediante estereoisomería.
Isomería Estructural Plana
La isomería estructural se debe a diferencias en la estructura del esqueleto carbonado o en los grupos funcionales:
- Isomería de cadena: Es la que presentan las sustancias cuyas fórmulas estructurales difieren únicamente en la disposición de los átomos de carbono (ramificación del esqueleto).
- Isomería de posición: Las sustancias difieren únicamente en la situación de su grupo funcional sobre la cadena carbonada.
- Isomería de función: Es la que presentan sustancias con distinto grupo funcional.
Estereoisomería (Isomería Espacial)
Presentan esto aquellas sustancias que tienen diferente distribución espacial de sus átomos:
Isomería Geométrica
Es característica de sustancias que presentan un doble enlace ($\text{C}=\text{C}$). Se produce cuando hay dos carbonos unidos con doble enlace que tienen los otros valencias con los mismos sustituyentes (dos pares iguales) o con dos iguales y uno distinto. No se presenta isomería geométrica si tiene tres o los cuatro sustituyentes iguales. Tampoco puede presentarse con triples enlaces. A las dos posibilidades se las denomina forma cis y forma trans.
Isomería Óptica
Los isómeros ópticos se diferencian en que desvían el plano de la luz polarizada. Uno hacia la derecha (isómero dextrógiro, +) y otro a la izquierda (isómero levógiro, -).
Forma Racémica
Es la mezcla equimolecular de los isómeros dextro y levo. Esta mezcla es ópticamente inactiva (no desvía el plano de la luz polarizada).
Poder Rotatorio Específico ($[\alpha]$)
Es la desviación que sufre el plano de polarización al atravesar la luz polarizada una disolución que contenga 1 gramo de sustancia por $\text{cm}^3$ en un recipiente de 1 $\text{dm}$ de longitud. Es el mismo valor absoluto para ambos isómeros.