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Entre la gran variedad de compuestos que forman nuestro mundo, hay tres grupos de sustancias que tienen una importancia excepcional en química: ácidos, bases y sales. Los ácidos, las bases y las sales tienen un gran interés comercial en una sociedad basada en la tecnología y la producción.
Todos los ácidos, bases y sales forman iones en una solución. En presencia de un campo eléctrico, los iones negativos experimentan una atracción hacia el polo positivo y los iones positivos en dirección opuesta. Esto constituye el flujo de una corriente eléctrica. A consecuencia de esta característica, los ácidos, las bases y las sales son llamados electrolitos, sustancias cuyas soluciones producen iones y conducen la electricidad. Los electrolitos son útiles para conducir una corriente a través de un líquido, como es el caso de las baterías de los coches, y también intervienen en la conducción de los mensajes a través de las células nerviosas.
Aunque los tres tipos son electrolitos, presentan diferencias fundamentales. A temperatura ambiente, las sales son casi siempre sólidos cristalinos, mientras que algunos ácidos y bases son gases. Cuando los ácidos y las bases están diluidos en agua, son de fácil manejo en el laboratorio. Son las soluciones acuosas.
Ambos tipos de soluciones se parecen mucho y un modo de diferenciarlas es observando su efecto sobre los indicadores ácido-base. Uno de los más utilizados es el tornasol, tintura procedente de líquenes y que se utiliza en solución acuosa o impregnando papel. Si se añade tintura de tornasol a una solución desconocida y esta se vuelve roja, la sustancia es un ácido. Y si otra solución hace que la tintura se vuelva azul, se trata de una base. El diferente comportamiento respecto a los indicadores viene dado por los iones que forman estas sustancias.
La mayor parte de los ácidos contienen hidrógeno, como se observa en sus fórmulas. Disueltos en agua, cada molécula de ácido cede un hidrogenón a cada molécula de agua, convirtiéndola en un ion hidróneo con carga positiva. En cambio, la mayor parte de las bases contienen el ion OH negativo, o radical oxidrilo. Cuando se disuelven en agua, estos iones negativos se convierten en aceptores de hidrógeno. Los indicadores miden la concentración relativa de estos iones.
Sin embargo, para distinguir los ácidos y las bases no basta con la fórmula. Así, los óxidos, compuestos de oxígeno, no tienen ni hidrógeno ni oxidrilos en su fórmula. Sin embargo, tomemos cal, óxido de calcio, Cao. Disuelta en agua, vuelve azul al tornasol; por tanto, se comporta como una base, aunque carece del grupo oxidrilo. En general, los óxidos de metales se comportan como bases, mientras que los de los no metales generalmente presentan carácter ácido, como el dióxido de carbono que vuelve la tintura de tornasol roja. Los óxidos pueden producir soluciones ácidas o básicas y, generalmente, las sustancias con átomos de hidrógeno son ácidos y las que poseen grupos oxidrilo son bases.
Esto no es así siempre. Por ejemplo, estos dos compuestos presentan en su molécula el grupo oxidrilo y parece que ambos son bases, pero vamos a comprobarlo. La primera es hidróxido de vario que vuelve de color azul el tornasol. Por consiguiente, es una base que aporta oxidrilos mediante la rotura de su molécula. Una solución de la segunda sustancia cambia a rojo el tornasol. Ha sido roto un enlace diferente que ha permitido ceder iones de hidrógeno y formar con el agua iones hidrónio. La sustancia es un ácido, el ácido sulfúrico de fórmula H2SO4. Este ordenamiento de los símbolos subraya su carácter ácido, pero a veces la presencia de hidrógeno en una fórmula puede ser engañosa.
Por ejemplo, el burbujeo de gas de amoníaco a través de agua produce una solución amoniacal que, como hemos visto, es una base. Dado que la fórmula del amoníaco es NH3, parece que debería ceder hidrogeniones a las moléculas de agua y formar iones hidrónio. En vez de esto, las moléculas de agua ceden iones de hidrógeno a las moléculas de amoníaco, de modo que se produce un exceso de iones oxidrilo en la solución.
Debido a estos casos especiales, los ácidos y las bases se describen de acuerdo con el tipo de reacción que producen al disolverse en agua. La clave de esta descripción es el átomo de hidrógeno. El único protón de su núcleo tiene carga positiva equilibrada por un electrón de la corteza. Durante las reacciones químicas, el átomo de hidrógeno pierde su electrón y se convierte en un núcleo de hidrógeno positivo. Se trata de un protón y, en adelante, nos referiremos con este nombre.
Así, cuando las moléculas de ácido clorídrico se disuelven en agua, ceden protones a las moléculas de agua transformándolas en iones hidrónio. Lo mismo ocurre con todos los ácidos: un ácido es donante de protones. En cambio, el amoníaco, una base, capta protones del agua y por eso podemos decir que una base es un aceptor de protones. El concepto de que una base es un aceptor de protones y un ácido es un donante de protones es el fundamento de la teoría de Bronsteed Loury. De acuerdo con esta teoría, solo los compuestos que contuvieran hidrógeno podrían ser ácidos.
Otra teoría, la de Lewis, es más general. Según ella, un ácido es un aceptor de pares electrónicos y una base es un donante de pares electrónicos. Por tanto, cuando el amoníaco NH3 reacciona con agua y capta un protón, está también donando un par de sus electrones al hidrogeniionón. Así, el NH3 actúa como una base broned y como una base Lewis. Pero la teoría Lewis considera como ácidos sustancias que la teoría Bronsted no los considera como tales. Sin embargo, las dos nos ayudan a comprender los ácidos y las bases.
Por otra parte, también es interesante tener en cuenta la fuerza de estos compuestos. El ácido cítrico del zumo de naranja es un ácido débil. En cambio, el ácido clorídrico que el estómago utiliza para digerir los alimentos es un ácido fuerte. Débil y fuerte se refieren al grado de ionización de sustancias disueltas en agua. El ácido clorídrico es un ácido fuerte y el hidróxido sódico es una base fuerte porque ambos se ionizan casi completamente. El ácido cítrico que se ioniza solo parcialmente es un ácido débil y el amoníaco es una base débil. El grado de ionización determina la fuerza de los ácidos y de las bases.
La ionización también tiene su papel en el comportamiento del agua. Con un contador muy sensible podemos detectar que la corriente fluye a través del agua destilada. Esto es una prueba de que ioniza, aunque en un grado insignificante. Cuando se ioniza, se originan iones hidróio y oxidrilo. Naturalmente, estas son las dos mismas clases de iones que dan a los ácidos y a las bases su carácter. Pero como hay el mismo número de cada uno de estos iones, el agua no es ácido ni base, es neutra. Ahora, al mismo tiempo que las moléculas se separan, están volviendo a juntarse. Cuando un ácido se disuelve en agua, produce iones hidróioadicionales y, comparativamente, disminuye el número de iones oxidrilo. En consecuencia, la solución se hace más ácida.
Esta es la forma matemática de describir la acidez de una solución, determinando cuántos iones de hidronio están presentes en 1 litro. Aquí se muestra el número de estos iones presentes en 1 litro de agua pura. Los exponentes hacen al número más inteligible. Lo podemos relacionar con el mol, número estándar de partículas, moléculas, átomos o iones en 1 litro de disolución. En un mol hay 6,02 * 10 elevado a 23 partículas. El agua pura contiene cerca de esta fracción de molev. Recordemos que el agua es neutra.
Una solución ácida puede contener 6 * 10 elevado a 22 o más iones hidróio por litro, que representa 1 / 10 elevado a 1. A su vez, una solución muy básica podría contener 6 * 10 elevado a 9 iones hidróio por litro, equivalente a 1 / elevado a 14. Puede emplearse este tipo de escala para expresar la acidez de las soluciones. Se simplificó con un sistema inventado por un químico que debía controlar la acidez de las bebidas de una planta embotelladora. En vez de anotar el número real de iones hidróio de sus muestras en términos de fracciones de mol, anotaba simplemente el exponente del 10 del denominador. Así, el siete representaba la acidez del agua pura. Añadía una P para indicar que representaba la potencia de 10 del denominador y una H para mostrar que se trataba de hidrogenes. Así nació el concepto de pH. Las soluciones ácidas tienen un pH inferior a siete. El agua pura tiene un pH de 7 y las básicas lo tienen entre 7 y 14.
Naturalmente, la acidez tiene interés en los más diversos campos. En los seres vivos, los pequeños cambios en el pH pueden ser funestos. Por ejemplo, durante la fermentación, las bacterias eliminan ácido láctico. A medida que crece la colonia, se acidifica el medio y las bacterias empiezan a morir. Pronto la colonia entera resulta envenenada por sus propios desperdicios ácidos. La sangre también puede verse afectada por los cambios de pH. Pero estos pueden ser controlados por los bufers. Un bufer es una combinación de un ácido o una base y una de sus sales. En una solución demasiado ácida, el bufer elimina el exceso de hidrogenes. En una solución excesivamente básica, el wúfer elimina el exceso de iones oxidrilo. La sangre humana contiene dos sistemas, buofer, para protegerse de los cambios de pH.
Hasta aquí nos hemos centrado en los ácidos y las bases, pero en el laboratorio los compuestos son generalmente sales. Las sales son frecuentemente la forma más segura de almacenar elementos como el sodio, que son peligrosos en su forma pura. Una sal es el resultado de una reacción entre un ácido y una base, un compuesto iónico en el que los hidrogeniones del ácido han sido desplazados por los cationes de la base.
Aquí estamos mezclando cantidades iguales de ácido clorídrico y de hidróxido de sodio, una base fuerte en concentraciones iguales. En realidad, esta reacción produce tres efectos. Uno es un cambio de energía. En nuestro experimento, la temperatura de la solución sube. Este cambio de energía es signo de que está teniendo lugar una reacción química.
Otro efecto de esta reacción es una neutralización. Cuando concentraciones iguales de iones de hidronio y oxidrilo son puestos en contacto dentro del agua, los iones extra tienden a neutralizarse al combinarse entre sí para formar moléculas de agua. Así podemos mezclar un ácido fuerte y una base fuerte para producir una solución que tiene un pH de 7, el pH del agua pura. El tercer resultado de una reacción ácido-base es, naturalmente, una sal.
Generalmente, los ácidos, las bases y las sales se forman e interaccionan a su manera como parte de los trabajos de las fuerzas que llamamos naturaleza. Pero algunas veces la polución causada por las actividades humanas ejerce su influencia. Los compuestos del humo de las chimeneas de las fábricas, de los coches y camiones son convertidos por la luz del sol y el oxígeno y los catalizadores de la atmósfera en ácidos. Los ácidos vuelven a la Tierra algunas veces disueltos en el agua de lluvia.