Propiedades que determinan la fuerza del ácido
Las nuevas tendencias más calientes para los ácidos
Hasta ahora hemos visto unas cuantas definiciones de un ácido, siendo la más popular la de Brønsted-Lowry que nos dice que un ácido transfiere protones. También hemos visto ejemplos de ácidos fuertes y ácidos débiles y cómo se desarrollan sus equilibrios en el agua. Hasta esta sección, podíamos averiguar la fuerza relativa de un ácido conociendo su constante de disociación: cuanto mayor es la constante de disociación del ácido, más fuerte es el ácido.
En el espíritu de mantenerlo real y honesto, probablemente es mejor sólo memorizar un montón de los ácidos (y bases) que ya pasamos y si son fuertes o débiles. Si te olvidas de algunos, hablaremos de las propiedades que determinan la fuerza de los ácidos en esta sección – podría ayudarte si te encuentras en un aprieto.
La Tabla Periódica es básicamente un mapa del tesoro de la química. Puede que no haya una olla de oro escondida en ella, pero podría ayudarte a superar tu próximo examen. Nos referiremos a ella en esta guía para ayudar a predecir la fuerza del ácido.
Dos grandes predictores de la fuerza del ácido son la fuerza del enlace H-A y la polaridad del enlace H-A. Ambas propiedades pueden ser mapeadas en la Tabla Periódica y siguen ciertas tendencias.
La fuerza del enlace y los ácidos
Veamos la fuerza de los ácidos que contienen halógenos (Grupo 7) HF, HCl, HBr y HI.
La fuerza del enlace de un ácido depende generalmente del tamaño del átomo ‘A’: cuanto más pequeño sea el átomo ‘A’, más fuerte será el enlace H-A. Al bajar una fila en la Tabla Periódica (véase la figura siguiente), los átomos se hacen más grandes, por lo que la fuerza de los enlaces se hace más débil, lo que significa que los ácidos se hacen más fuertes. Para los ácidos que contienen halógenos, el HF tiene el enlace más fuerte y es el ácido más débil. El enlace fuerte entre los átomos de ‘H’ y ‘F’ de tamaño más similar no quiere romper y permitir que el ‘H’ se transfiera.
HI, por otra parte, es un ácido muy fuerte. El átomo grande de ‘I’ sobrepasa el pequeño indefenso ‘H’ y el enlace H-I es muy débil. Por lo tanto, el HI es un gran transferidor de protones y un ácido muy fuerte (Ka ~ 109 M).
Polaridad de enlace y ácidos
Cuando se comparan ácidos que tienen átomos ‘A’ en la misma fila, las diferencias de polaridad de enlace son más importantes para determinar la fuerza del ácido. Eso es porque las diferencias de fuerza de enlace son mucho más pequeñas entre los átomos cercanos entre sí en la misma fila.
La polaridad del enlace se determina en gran medida por la diferencia de electronegatividad entre los dos átomos involucrados en el enlace. La electronegatividad es básicamente lo mucho que un átomo quiere los electrones. Piensa en la electronegatividad como una medida del aplastamiento de electrones de un átomo. Sí, estamos hablando del tipo de enamoramiento de una banda de chicos. Para los enlaces que implican a un átomo que tiene un gran enamoramiento de electrones y a un átomo que no siente el amor de los electrones, el enlace tiende a ser realmente polar. Los electrones corresponden al enamoramiento y van a por el átomo que más les gusta. ¿No es eso agradable?
El enlace del ácido fluorhídrico (HF) es polar porque F realmente ama los electrones. Comparemos esto con el CH4. El carbono está en la misma fila que el flúor (mira la figura de arriba), pero el HF es un ácido mucho más fuerte que el CH4. Los enlaces C-H no son polares comparados con el enlace H-F. CH4 es un ácido realmente débil.
Aquí hay otra clase de ácidos que también tienen fuerzas predecibles basadas en la Tabla Periódica: los oxoácidos. Tienen la fórmula general, HnYOm.
Algunos ejemplos del mundo real son H2CO3, H2PO4, y HNO3. Estos ácidos contienen un enlace O-H que se disocia para formar un ion hidronio y una base conjugada:
(Nota: En esta sección, cuando decimos «átomo Y», no nos referimos al itrio. Estamos usando la Y como marcador de posición de un elemento).
Cuanto más fuerte es un ácido, más se favorece el lado derecho del equilibrio. Cuanto más el átomo Y es capaz de estabilizar el producto Y-O- cargado negativamente en el lado derecho del equilibrio, más fuerte será el ácido.
Si Y tiene un gran aplastamiento de electrones (es altamente electronegativo) estará feliz de estar en el lado derecho del equilibrio. Eso es porque hay más electrones en la molécula en el lado derecho del equilibrio. Aunque Y no consiga todos los electrones para sí mismo, sigue teniendo cierta satisfacción al saber que el átomo de oxígeno vecino está disfrutando de ellos. ¿No es eso agradable?
En general, cuanto más electronegativo es el átomo Y, mejor puede estabilizar el producto Y-O- y más fuerte será el ácido. La serie de ácidos hipohalos hace un buen trabajo mostrando el aumento de la fuerza del ácido con el aumento de la electronegatividad del átomo Y (en este caso, un átomo de halógeno).
Cada vez que el enlace O-H se debilita el ácido será más fuerte. En el ejemplo anterior, el enlace O-H se debilita aumentando la electronegatividad del átomo Y. Piense en el átomo Y como una aspiradora de electrones que succiona los electrones del enlace O-H para que ya no sean compartidos con el protón y terminen en la molécula de base conjugada. Cuanto más fuerte sea el vacío que saca los electrones del enlace, más fuerte será el ácido.
El mismo principio es válido para los ácidos que contienen el mismo átomo de Y pero diferentes números de átomos de oxígeno. Los átomos de oxígeno son también como aspiradoras de electrones. Debilitan el enlace O-H a través del átomo Y central y estabilizan el producto cargado negativamente. Como resultado, cuantos más átomos de oxígeno estén unidos al átomo Y central, más fuerte será el ácido HnYOm.
La serie de oxoácidos de cloro ilustra lo que queremos decir:
Al aumentar el número de átomos de oxígeno que se unen al átomo central también aumenta el número de oxidación del átomo central. Los números de oxidación altos del átomo central representan una carga positiva en ese átomo.
Dado que las cargas opuestas se atraen, un átomo central muy positivo sería más atraído por la carga negativa del par solitario de electrones en el átomo de oxígeno vecino. Para que el oxígeno vecino obtenga los codiciados electrones del par solitario, transfiere un protón y actúa como un ácido.
Aunque las tendencias y ejemplos anteriores serán útiles, inevitablemente tendrá encuentros cercanos con moléculas extrañas. Nos recuerda a una vieja película de Spielberg. Cuando necesitemos comparar la acidez de moléculas que no hayamos visto antes, intentemos determinar cuántos átomos «aspiradores» de electrones (si los hay) hay en la molécula. Estos átomos «aspiradores» suelen ser los que tienen una alta electronegatividad, como el oxígeno. Estos átomos estabilizan el par solitario de electrones que normalmente resulta cuando un ácido transfiere un protón. Cuanto más capaz sea la molécula de estabilizar los electrones extra, más fuerte será como ácido.