Teoría ácido-base de Brønsted-Lowry

La teoría de Brønsted-Lowry (también llamada teoría del protón de ácidos y bases ^{[ 1 ]} ) es una teoría de reacción ácido-base , desarrollada independientemente en 1923 por los químicos físicos Johannes Nicolaus Brønsted (en Dinamarca) y Thomas Martin Lowry (en el Reino Unido). ^{[ 2 ] [ 3 ]} El concepto básico de esta teoría es que cuando un ácido y una base reaccionan entre sí, el ácido forma su base conjugada , y la base forma su ácido conjugado por intercambio de un protón (el catión hidrógeno, o H ⁺ ). Esta teoría generaliza la teoría de Arrhenius .

Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry formularon, de forma independiente, la idea de que los ácidos donan protones (H ⁺ ) mientras que las bases aceptan protones.

En la teoría de Arrhenius , los ácidos se definen como sustancias que se disocian en soluciones acuosas para dar H ⁺ ( cationes de hidrógeno o protones ), mientras que las bases se definen como sustancias que se disocian o ionizan en soluciones acuosas para dar OH− ⁽ iones hidróxido). ^{[ 4 ]}

En 1923, los químicos físicos Johannes Nicolaus Brønsted en Dinamarca y Thomas Martin Lowry en Inglaterra propusieron independientemente la teoría que lleva su nombre. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} En la teoría de Brønsted-Lowry, los ácidos y las bases se definen por la forma en que reaccionan entre sí, generalizándolos. Esto se ilustra mejor con una ecuación de equilibrio.

ácido + base ⇌ base conjugada + ácido conjugado .

Con un ácido, HA, la ecuación se puede escribir simbólicamente como:

HA + B ⇌ A ⁻ + HB ⁺

El símbolo de equilibrio, ⇌, se utiliza porque la reacción puede ocurrir tanto en sentido directo como inverso (es reversible). El ácido, HA, es un donador de protones que puede perder un protón para convertirse en su base conjugada, A ⁻ . La base, B, es un aceptor de protones que puede convertirse en su ácido conjugado, HB ⁺ . La mayoría de las reacciones ácido-base son rápidas, por lo que las sustancias involucradas suelen estar en equilibrio dinámico entre sí. ^{[ 8 ]}

Consideremos la siguiente reacción ácido-base:

${\displaystyle {\ce {CH3 COOH + H2O <=> CH3 COO- + H3O+}}}$

_El ácido acético , CH₃COOH , es un ácido porque dona un protón al agua ( H₂O ₎ y se convierte en su base conjugada, el ion acetato ⁽ CH₃COO⁻ ) . ^El H₂O _es una base porque acepta un protón del ^CH₃COOH _{y se} convierte en su ácido conjugado, el ion hidronio ( H₃O⁺ ) . ^[ ₉ ^]

La reacción inversa de un ácido-base también es una reacción ácido-base, que se produce entre el ácido conjugado de la base de la primera reacción y la base conjugada del ácido. En el ejemplo anterior, el etanoato es la base de la reacción inversa y el ion hidronio es el ácido.

${\displaystyle {\ce {H3O+ + CH3 COO- <=> CH3COOH + H2O}}}$

Una característica de la teoría de Brønsted-Lowry, en contraste con la teoría de Arrhenius, es que no requiere un ácido para disociarse.

La esencia de la teoría de Brønsted-Lowry radica en que un ácido solo actúa como tal en relación con una base, y viceversa . El agua es anfótera, _ya que puede actuar como ácido o como base. En la imagen de la derecha, una molécula de H₂O actúa como base y gana H⁺ para convertirse en H₃O⁺ _, mientras que la otra actúa como ^ácido y pierde H⁺ ^para convertirse ^en OH⁻ ^.

Otro ejemplo lo ilustran sustancias como el hidróxido de aluminio , Al(OH) ₃ .

${\displaystyle {\ce {{\overset {(ácido)}{Al(OH)3}}{}+ OH- <=> Al(OH)4^-}}}$

${\displaystyle {\ce {3H+{}+ {\overset {(base)}{Al(OH)3}}<=> 3H2O{}+ Al_{(aq)}^3+}}}$

En el mismo año en que Brønsted y Lowry publicaron su teoría, G. N. Lewis creó una teoría alternativa de las reacciones ácido-base. La teoría de Lewis se basa en la estructura electrónica . Una base de Lewis es un compuesto que puede ceder un par de electrones a un ácido de Lewis , un compuesto que puede aceptar un par de electrones. ^{[ 14 ] [ 15 ]} La propuesta de Lewis explica la clasificación de Brønsted-Lowry utilizando la estructura electrónica.

${\displaystyle {\ce {HA + B <=> A- + BH+}}}$

En esta representación, tanto la base, B, como la base conjugada, A ⁻ , se muestran portando un par de electrones no enlazantes y el protón, que es un ácido de Lewis, se transfiere entre ellas.

Lewis escribió más tarde: «Restringir el grupo de ácidos a aquellas sustancias que contienen hidrógeno interfiere tan seriamente con la comprensión sistemática de la química como lo haría restringir el término agente oxidante a sustancias que contienen oxígeno ». ^{[ 15 ]} En la teoría de Lewis, un ácido, A, y una base, B, forman un aducto , AB, donde el par de electrones forma un enlace covalente dativo entre A y B. Esto se demuestra cuando el aducto H₃N ₋ BF₃ _se forma a partir de amoníaco y trifluoruro de boro , una reacción que no puede ocurrir en agua porque el trifluoruro de boro se destruye con el agua. ^{[ 16 ]}

${\displaystyle {\ce {4BF3 + 3H2O -> B(OH)3 + 3HBF4}}}$^{[ 16 ]}

La reacción anterior ilustra que el BF₃ _es un ácido tanto en la clasificación de Lewis ^{[ 17 ]} como en la de Brønsted-Lowry y muestra que las teorías coinciden entre sí. ^{[ 18 ]}

El ácido bórico se reconoce como un ácido de Lewis debido a la reacción

${\displaystyle {\ce {B(OH)3 + H2O <=> B(OH)4- + H+}}}$

En este caso, el ácido no se disocia, pero la base, H₂O _, sí. Una disolución de B(OH) _₃ es ácida porque en esta reacción se desprenden iones hidrógeno.

Existe una fuerte evidencia de que las soluciones acuosas diluidas de amoníaco contienen cantidades ínfimas del ion amonio.

${\displaystyle {\ce {H2O + NH3 -> OH- + NH+4}}}$

y que, cuando se disuelve en agua, el amoníaco funciona como una base de Lewis. ^{[ 19 ]}

Las reacciones entre óxidos en estado sólido o líquido están excluidas en la teoría de Brønsted-Lowry. Por ejemplo, la reacción

${\displaystyle {\ce {2MgO + SiO2 -> Mg2 SiO4}}}$

No está contemplado en la definición de ácidos y bases de Brønsted-Lowry. Por otro lado, el óxido de magnesio actúa como base cuando reacciona con una solución acuosa de un ácido (en este caso, la reacción puede considerarse una reacción ácido-base de Lewis).

${\displaystyle {\ce {2H+ + MgO(s) -> Mg^{2+}(aq) + H2O}}}$

Se ha predicho que el dióxido de silicio disuelto , SiO₂ _, es un ácido débil en el sentido de Brønsted-Lowry. ^{[ 20 ]}

${\displaystyle {\ce {SiO2(s) + 2H2O <=> Si(OH)4 (solution)}}}$

${\displaystyle {\ce {Si(OH)4 <=> Si(OH)3O- + H+}}}$

Según la teoría de Lux-Flood , los óxidos como el MgO y el SiO₂ _en estado sólido pueden denominarse ácidos o bases. Por ejemplo, el mineral olivino puede considerarse un compuesto de un óxido básico, el MgO, y dióxido de silicio, el SiO₂ _, un óxido ácido. Esto es importante en geoquímica . ^{[ 21 ]}

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