2. Generalidades | 🍊 Teoría ácido-base | Joseleg

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Algunos de los procesos más importantes en los sistemas químicos y biológicos son las reacciones ácido-base en soluciones acuosas. Sin embargo, tenemos un problema, aunque intuitivamente sabemos que es un ácido, no pasa lo mismo con una base, y las definiciones que empleamos en el contexto químico dependerán de un marco de referencia teórico.

Las tres teorías principales que se desarrollaron históricamente se fundamentan en reacciones de disociación iónica, siendo estas, la teoría de Arrhenius, la teoría de Brønsted-Lowry y la teoría de Lewis. Sin embargo, antes de discutir las teorías ácido base, hablaremos algo de la historia del estudio de los ácidos y bases.

 

Figura 2‑1.   Svante Arrhenius (1859-1927) Fue un científico (originalmente físico y más tarde químico) y profesor sueco galardonado con el Premio Nobel de Química de 1903 por su contribución al desarrollo de la química con sus experimentos en el campo de la disociación electrolítica.

La antiguedad

Durante la época de los antiguos griegos, las propiedades de los ácidos y las bases solo se entendían vagamente. Durante sus intentos de categorizar sustancias y tratar de aportar equilibrio, armonía y perfección al universo, utilizaron una variedad de pruebas para distinguir los compuestos. Uno de ellos era el gusto, y dividían las sustancias según si eran agrias, amargas, saladas o dulces. A medida que la influencia griega disminuyó y su conocimiento pasó a los romanos, comenzaron a referirse a las sustancias agrias, como el vinagre o el jugo de limón, como ácidos. Las palabras "ácido" y "acético" derivan de la palabra latina "sabor ácido", acere. Las bases, por el contrario, no fueron tan bien estudiadas, aunque se las reconoció como sustancias que neutralizarían los ácidos, algo que encajaba bien con el deseo de los antiguos de encontrar equilibrio y armonía en todo (Brock, 2016; Larrañaga, Lewis, & Lewis, 2016; Levere, 2001).

El islam y el renacimiento

A medida que la ciencia avanzaba a través de la Edad de Oro Islámica y el Renacimiento, los alquimistas comenzaron a entender más sobre los ácidos, descubriendo que las soluciones más fuertes podían acelerar la corrosión del metal y disolver ciertas rocas. Los alquimistas medievales e islámicos tenían una variedad de ácidos y bases para elegir: Soda (carbonato de sodio); Potasa (carbonato de potasio); Amoníaco; Ácido clorhídrico; Ácido sulfúrico; Ácido acético; Ácido nítrico; Aqua regia; una mezcla de ácido nítrico y ácido clorhídrico que incluso podría disolver el oro (Eliade & Ledesma, 1974). Las bases también se denominan álcalis, una palabra derivada de la palabra árabe para "tostar", aunque no está claro por qué más tarde se llamarían bases. Ambas palabras son perfectamente aceptables y a menudo se intercambian (Brock, 2016; Larrañaga, Lewis, & Lewis, 2016; Levere, 2001)

Figura 2‑2.   Roccella tinctoria, nombre vulgar Urzela.

Aproximadamente en 1300, un erudito español, Arnaldus de Villa Nova, comenzó a usar tornasol para estudiar ácidos y bases. Este compuesto, extraído de un liquen, se había usado como tinte desde al menos los tiempos de los vikingos, pero fue el primer erudito conocido en usarlo como una prueba de acidez (Coleman, 2008). Esta idea fue ampliada por Robert Boyle (1627-1691), quien descubrió que ciertas sustancias derivadas de plantas cambiaban de color en presencia de ácidos o bases. Un ejemplo fue el jarabe de violetas, que es azul en un entorno de pH neutro, pero se vuelve verde cuando se expone a las bases, y rojo cuando se mezcla con ácido. Estos compuestos de prueba abrieron un campo de posibilidades, y los químicos pudieron determinar qué proporción de ácidos y bases se neutralizarían entre sí, permitiéndoles comparar crudamente las fortalezas relativas de estas sustancias (Bishop, 2013; Eamon, 1980).

Primeras teorías ácido-base

Estas primeras teorías ácido base se consideran obsoletas, pero recalcan la importancia de estas sustancias en el marco de referencia de los primeros químicos que intentaban desligarse de la metafísica y espiritualidad propia de la alquimia.

Durante la mayor parte del siglo XVIII, cuando prevaleció la teoría termodinámica del flogisto, la idea de que el calor era un elemento separado contenido en materiales combustibles. Georg Ernst Stahl (1659-1734) propuso que los ácidos se derivaban todos del azufre y que la fuerza era dictada por la cantidad de flogisto; esta visión se rompería a fines de siglo.

No fue sino hasta la época de Antoine Lavoisier (1743-1794), un brillante químico francés que intentó clasificar elementos y comprender la naturaleza del calor, que tuvo lugar un estudio más sistemático de ácidos y bases. En este momento, los químicos comenzaron a definir las bases como sustancias que podrían neutralizar los ácidos para formar agua y una sal. En 1776, influenciado por estudios sobre las propiedades de los gases, Lavoisier intentó aislar el compuesto en ácidos responsables de sus propiedades únicas. Incorrectamente, propuso que una sustancia llamada oxígeno era responsable, pero sus observaciones llevaron a nuevos estudios. El científico británico Humphrey Davy (1778-1829), más conocido por sus estudios en gases, puso a prueba las teorías de Lavoisier y descubrió que el oxígeno no era el elemento responsable de las propiedades de los ácidos. Muchos ácidos no contienen oxígeno, por lo que propuso que algo más debe ser responsable. Durante la Era de la Ilustración, los estudiosos de muchos países diferentes contribuyeron a la explosión en el esfuerzo científico, y el estudio de los ácidos no fue diferente.

La clave está en el hidrógeno

En Alemania, Justus Frieherr von Liebig (1803-1873), otro químico innovador, en su lugar aisló al hidrógeno como el elemento responsable, razonando que era el único elemento común a todos los ácidos. El químico sueco, Svante Arrhenius (1859-1927), fue el próximo químico en estudiar los ácidos y las bases, y propuso que los ácidos y las bases obtuvieran sus propiedades debido a la acción de los iones en la solución. A pesar de ser ignorado de sus compañeros, fue galardonado con el Premio Nobel en 1903, en un ejemplo perfecto de cómo los científicos marginales pueden jugar un gran papel en los cambios de paradigma. Uno de los edificios de la Universidad de Estocolmo lleva el nombre de este gran químico, un homenaje apropiado. Arrhenius afirmó que los ácidos son simplemente sustancias que agregan cationes de hidrógeno, H⁺ al agua. Por ejemplo, el ácido clorhídrico, HCl, agrega iones H⁺ y Cl^- al agua. Por el contrario, los álcalis agregan iones de hidroxilo, OH^-. Por ejemplo, el hidróxido de sodio, agrega Na⁺ y OH^- al agua. La razón por la que los ácidos y las bases se anulan es porque los iones H⁺ y OH^- reaccionan para formar agua, dejando atrás sales: Esta definición era bastante sólida y la investigación sobre estas sustancias continuó.

Figura 2‑3.   Michael Faraday (1791-1867). Fue un físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica. Sus principales descubrimientos incluyen la inducción electromagnética, el diamagnetismo y la electrólisis.