¡Hola estimados amigos y comunidad científica de Hive!
En esta oportunidad les traigo información relacionada con los ácidos polipróticos muy comunes en la vida diaria.
¡Les invito a leer!
Son muchas las reacciones en donde participan los ácidos, siendo éstos compuestos de gran importancia por las aplicaciones que tienen, se pueden obtener por medio de distintos procesos industriales y sirven como materia prima para la obtención de otras sustancias, así como también son muy comunes en la naturaleza jugando un papel fundamental en los seres vivos.
El ácido cítrico, el benzoico, acético por ejemplo se utilizan para la conservación de los alimentos, ya que la acción bacteriana no ocurre a pH bajos. Las capas de óxido que se forman sobre la superficie de los metales se pueden limpiar empleando ácidos como el clorhídrico o fosfórico. El jugo gástrico entre otras sustancias contiene ácido clorhídrico.
Ahora bien, los ácidos se pueden clasificar dependiendo del número de protones por molécula que pueden ceder en una reacción química. Por ejemplo, el ácido clorhídrico (HCl), ácido acético (CH3COOH), ácido cianhídrico (HCN) son llamados ácidos monopróticos porque contienen un solo hidrógeno ionizable.
Entre los ácidos dipróticos podemos mencionar el ácido sulfúrico (H2SO4), ácido carbónico (H2CO3), ácido sulfhídrico (H2S) ya que contienen dos hidrógenos ionizables por moléculas. Se consideran como ácidos polipróticos aquellos que contienen dos o más protones ionizables. La principal diferencia entre un ácido monoprótico y un poliprótico, es que éste último cede varios protones y lo hace en varias etapas de desprotonación.
Enfoquemos ahora en el estudio de los ácidos polipróticos. Tomemos como ejemplo el ácido carbónico, de formula molecular H2CO3. Este ácido tiene múltiples usos a nivel industrial como de consumo humano. Es utilizado en la fabricación de bebidas gaseosas, bebidas energéticas, cervezas, para la producción del burbujeo, en la elaboración de pastillas efervescentes como vitaminas. También es utilizado en la preparación de terrenos para cultivos ya que optimiza el crecimiento de las plantas por medio de su efecto regulador de pH, acelera el proceso de cuajado en la industria láctea, entre otros.
Disociación del ácido carbónico
El ácido carbónico H2CO3 pierde un protón para formar el HCO3- y luego este ion cede el otro protón para dar origen al CO3-2
La disociación viene dada por las siguientes reacciones:
Constante de equilibrio de los ácidos polipróticos
Como podemos observar, el ácido carbónico cede sus protones consecutivamente en una reacción incompleta y el valor de la constante de equilibrio va disminuyendo significativamente, generalmente alrededor de un factor de 103, por lo que
En la primera disociación su valor es de 4,3x10-7 mientras que en la segunda disminuye a 5,6x10-11, por lo que la segunda reacción se da en menor extensión.
¿A qué se debe esa disminución?
Ello se debe a la atracción de fuerzas electrostáticas entre los iones, en la primera reacción de disociación se forma el HCO3- cargado negativamente, cuando este va a ceder el protón a la molécula del agua, hay una fuerte atracción con el ion CO3-2 que impide que se ceda con facilidad como lo cedió el H2CO3 y por tanto la reacción se lleva en menor extensión.
Veamos algunos ejemplos de ácidos polipróticos y el valor de sus constantes de acidez
Cálculo de pH de un ácido poliprótico
Los ácidos polipróticos en su mayoría son débiles, a excepción del ácido sulfúrico que es un ácido fuerte en su primera desprotonación, por tanto las constantes de disociación que presentan por lo general son ampliamente diferentes. Siendo así, se puede tratar el ácido poliprótico como la única especie predominante en la solución. El hacer esta aproximación nos lleva a una simplificación importante para calcular el pH, por lo que solo se emplea el valor de la primera disociación, tratándose como un ácido monoprótico débil. Esto no quiere decir que no ocurran el resto de las desprotonaciones, solo que no afectan significativamente y se pueden ignorar para efectos de cálculos.
Herramienta útil para el cálculo de pH
Principio: se asume que la especie en mayor proporción es el acido poliprótico, y que solo la primera desprotonación contribuye significativamente a la concentración de H3O+ y que la autoionización del agua no contribuye significativamente a la concentración de H3O+ y OH-.
Procedimiento:
Primer paso: seguiremos con el ejemplo del ácido carbónico empleando una concentración inicial del ácido de 0,1mol/L.
A partir de la primera disociación, se calculan las concentraciones del ion H3O+ y de su base conjugada elaborando el siguiente cuadro de equilibrio
Paso 2: Cálculos a partir de la constante de la primera disociación
Composición y pH
En algunos casos se hace necesario tener información acerca de la concentración de las distintas especies en una solución de un ácido poliprótico y como varían con el pH. Por ejemplo si se analiza el agua de lluvia que no fue alterada por productos provenientes de las actividades humanas está constituida principalmente por ácidos débiles y tiene un pH aproximado de 5,7 siendo el mayoritario el ácido carbónico que resulta de la disolución del dióxido de carbono de la atmósfera en el agua. Cuando su concentración es baja podría esperarse que a un pH bajo predominara la especie completamente protonada H2CO3, sin embargo, si el pH aumenta la especie predominante seria la especie intermedia, el HCO3-, y si su valor aumenta un mas, entonces predominaría la especie completamente desprotonada CO3-2.
Los contaminantes principales que se encuentran en la lluvia ácida son ácidos fuertes que provienen de las actividades humanas.
Por lo que se observa en la gráfica se deduce que la presencia de las especies desprotondas aumenta a medida que aumenta el pH de la solución.
En conclusión podemos observar que dependiendo del tipo de ácido va a depender las reacciones de disociación y los iones hidrógenos que pueden ceder. Su estudio resulta importante ya que a partir de dichas reacciones es posible calcular las concentraciones de las distintas especies en una solución determinada.
¡Hasta aquí por los momentos, espero sea muy útil la información que les presento!
Referencias bibliográficas
- Whitten K. y Gailey, K. (1985). Química General. México: Nueva Editoral Interamericana
- Atkins, P. y Jones, L. (2006). Principios de Química. Los caminos del descubrimiento. Buenos Aires: Médica Panamericana