8.6 Estructura molecular de ácidos y bases

Pregunta esencial

¿Cómo hace la estructura que un ácido sea fuerte o débil?

Al terminar esta lección, deberías poder identificar el hidrógeno ácido en una molécula y usar la electronegatividad, el número de átomos de oxígeno, el efecto inductivo y la resonancia para explicar por qué un ácido es más fuerte que otro. También deberías poder explicar qué característica estructural hace que una molécula o un ion sea una base.

¿Cuál H es ácido?

• El H ácido normalmente está enlazado al O.
• El enlace O-H es muy polar.
• Un H enlazado al carbono no es ácido.

El ácido acético, el ácido del vinagre, tiene cuatro átomos de hidrógeno, pero solo uno de ellos es ácido. Es un ácido carboxílico, es decir, tiene un grupo COOH, y los ácidos carboxílicos son una de las clases más comunes de ácidos débiles en el examen de AP. El hidrógeno ácido es el que está enlazado al oxígeno. El oxígeno es muy electronegativo, así que atrae hacia sí los electrones del enlace, lo que hace que el enlace O-H sea muy polar y deja al H con una carga parcial positiva que el agua puede arrancar como H⁺. El carbono y el hidrógeno tienen electronegatividades muy parecidas, así que los enlaces C-H no son muy polares y esos hidrógenos se quedan en su lugar. Consejo de examen: cuando te pregunten qué protón es ácido, busca un H enlazado a un átomo electronegativo como el oxígeno.

Base conjugada estable, ácido más fuerte

• La fuerza de un ácido depende de su base conjugada, A⁻.
• Un A⁻ más estable significa un ácido más fuerte.

HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻

Cuando un ácido HA cede su protón, se convierte en A⁻, su base conjugada. Qué tanto ocurre eso depende de qué tan estable sea el A⁻. Una carga negativa apretada en un solo átomo pequeño es inestable, mientras que una carga negativa que se aleja o se reparte es más estable. Cuanto más estable es el A⁻, menos quiere recuperar el protón, así que el equilibrio se desplaza más hacia los productos y el ácido es más fuerte. Los ácidos fuertes como el HCl tienen bases conjugadas muy débiles y muy estables. Tres características estructurales estabilizan al A⁻: la electronegatividad, el efecto inductivo y la resonancia. En el examen de AP, siempre que compares dos ácidos, tu justificación debe hablar de la estabilidad de la base conjugada y nombrar la característica que la causa.

Electronegatividad

• Un X más electronegativo atrae los electrones hacia sí.
• Esto estabiliza el ion OX⁻.
• Un pK_a menor significa un ácido más fuerte.

Estos tres ácidos tienen la misma forma, H-O-X, donde X es cloro, bromo o yodo. El halógeno atrae la densidad electrónica lejos del oxígeno, y cuanto más electronegativo es X, con más fuerza atrae. El cloro tiene la electronegatividad más alta (3.16), luego el bromo (2.96) y luego el yodo (2.66). Una atracción fuerte aleja la densidad electrónica del enlace O-H, así que el H se desprende con más facilidad, y después de que el H se va, el X ayuda a cargar parte de la carga negativa del ion OX⁻, lo que hace que esa base conjugada sea más estable. El HOCl tiene el pK_a más bajo (7.53), luego el HOBr (8.63) y luego el HOI (10.64), así que la fuerza del ácido sigue a la electronegatividad. Los tres siguen siendo ácidos débiles, pero la tendencia es clara. En el examen, relaciona siempre la electronegatividad con la estabilidad de la base conjugada.

Más átomos de oxígeno, ácido más fuerte

• Los átomos de O adicionales alejan los electrones del enlace O-H.
• La carga negativa de la base conjugada se reparte entre más átomos de O.

Ahora deja igual el átomo central, el cloro, y agrega átomos de oxígeno. Los cuatro ácidos tienen un H enlazado a un O que está enlazado al Cl; la diferencia es cuántos átomos de oxígeno adicionales están unidos al cloro. Cada oxígeno adicional es muy electronegativo, así que aleja la densidad electrónica del enlace O-H y hace que el H sea más fácil de quitar. Aún más importante, una vez que el H se va, la carga negativa de la base conjugada puede repartirse entre todos los átomos de oxígeno, así que más oxígenos significan una base conjugada más estable. El HClO (pK_a = 7.53) es débil, el HClO₂ (pK_a = 1.96) es mucho más fuerte, el HClO₃ es fuerte y el HClO₄, el ácido perclórico, es uno de los ácidos más fuertes que existen. En los oxiácidos con el mismo átomo central, más átomos de oxígeno significan un ácido más fuerte.

Efecto inductivo

• El Cl atrae los electrones a través de los enlaces de la molécula.
• Esa atracción reparte la carga del A⁻.
• Más átomos de Cl significan un ácido más fuerte.

Ácido	Fórmula	pKa
ácido acético	CH3COOH	4.74
ácido cloroacético	ClCH2COOH	2.87
ácido tricloroacético	Cl3CCOOH	0.66

El efecto inductivo es una atracción de electrones que viaja a través de los enlaces de una molécula. El ácido tricloroacético se parece al ácido acético, pero los tres hidrógenos del primer carbono fueron reemplazados por átomos de cloro. Cada Cl, muy electronegativo, atrae la densidad electrónica hacia sí, y esa atracción llega hasta el grupo COOH. Cuando el H se va, la carga negativa de la base conjugada es atraída en parte hacia los cloros, así que se reparte y es más estable, lo que hace al ácido más fuerte. El ácido acético tiene un pK_a de 4.74; un cloro lo baja a 2.87 y tres cloros lo bajan a 0.66. Cada unidad de pK_a es un factor de diez en K_a, así que el ácido tricloroacético es unas diez mil veces más fuerte que el ácido acético. En el examen de AP, más átomos electronegativos cerca del grupo ácido significan un ácido más fuerte.

Resonancia

• La carga del acetato se reparte entre dos átomos de O.
• Una carga repartida significa un A⁻ más estable.
• Por eso los ácidos carboxílicos son ácidos.

La resonancia es la tercera forma de estabilizar una base conjugada. Cuando el ácido acético pierde su protón, se convierte en el ion acetato, que tiene dos estructuras de resonancia: en una la carga negativa está en el oxígeno de abajo y en la otra está en el oxígeno de arriba (se omiten los pares libres para simplificar el dibujo). El ion acetato real no cambia de un lado a otro; es una mezcla de las dos, con aproximadamente media carga negativa en cada oxígeno, y los dos enlaces C-O tienen la misma longitud, entre la de un enlace sencillo y la de uno doble. Una carga repartida entre dos átomos es más estable que una carga atrapada en un solo átomo, y esa estabilización por resonancia es la razón por la que los ácidos carboxílicos son ácidos. El etanol también tiene un O-H, pero su base conjugada no tiene resonancia, y su pK_a es de unos 16, frente a 4.74 del ácido acético. En el examen, si una base conjugada tiene resonancia, di que la carga negativa está deslocalizada, lo que estabiliza la base y fortalece el ácido.

Bases fuertes y débiles

• Una base usa un par libre para atrapar un H⁺.
• Las bases fuertes son los hidróxidos de los grupos 1 y 2.

Tipo	Ejemplo	Cómo funciona
Base fuerte	NaOH, Ba(OH)2	Se disocia al 100% y libera OH−
Base débil	NH3	El par libre del N toma H+ del agua
Base débil	CH3COO−	Un ion carboxilato; el par libre del O− toma H+

Una base de Brønsted-Lowry acepta un protón, y para hacerlo necesita un par libre de electrones que forme un nuevo enlace con el H⁺. En el amoniaco, el nitrógeno tiene tres enlaces con hidrógeno y un par libre; ese par libre atrapa un H⁺ del agua, forma NH₄⁺ y deja OH⁻. Las bases fuertes son los hidróxidos de los grupos 1 y 2, como el NaOH, el KOH y el Ba(OH)₂, que se disocian por completo y liberan hidróxido directamente. El hidróxido es una base tan fuerte que su ácido conjugado, el agua, es un ácido muy débil. Las bases débiles comunes vienen en dos familias: las bases nitrogenadas como el amoniaco y los iones carboxilato como el acetato, las bases conjugadas de los ácidos carboxílicos. En el examen de AP, una molécula neutra con un N que tiene un par libre, o un ion carboxilato, señala una base débil.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Fluoro frente a cloro

¿Cuál es el ácido más fuerte, el ácido fluoroacético (FCH₂COOH) o el ácido cloroacético (ClCH₂COOH)? Justifica tu respuesta.

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1. Datos: Los dos tienen la misma estructura, X-CH₂-COOH, con el H ácido en el grupo COOH. Solo cambia X: F frente a Cl.
2. Datos: Electronegatividad del F (3.98) > electronegatividad del Cl (3.16).
3. Afirmación: El ácido fluoroacético es el ácido más fuerte.
4. Evidencia: El flúor es más electronegativo que el cloro, así que, por el efecto inductivo, atrae más densidad electrónica a través de los enlaces, lejos del grupo ácido carboxílico.
5. Razonamiento: Esta atracción más fuerte estabiliza mejor la carga negativa de la base conjugada, FCH₂COO⁻, así que el ácido fluoroacético se ioniza en mayor grado y tiene la K_a más grande.
6. Revisa: Los datos coinciden: el pK_a del ácido fluoroacético es de aproximadamente 2.59 y el pK_a del ácido cloroacético es de aproximadamente 2.87.
7. Respuesta: El ácido fluoroacético es el ácido más fuerte.

Trampa común: decir solo “el flúor es más electronegativo” y quedarse ahí. Relaciónalo con la estabilidad de la base conjugada.

Ejemplo 2: Ordenar oxiácidos

Ordena el HBrO₃, el HOI y el HIO₃ del ácido más débil al más fuerte. Justifica tu orden.

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1. Datos: Cuenta los átomos de O: el HOI tiene 1 O, el HIO₃ tiene 3 O y el HBrO₃ tiene 3 O.
2. Evidencia: HOI frente a HIO₃: mismo átomo central (I), 1 O frente a 3 O. Los oxígenos adicionales del HIO₃ alejan la densidad electrónica del enlace O-H, y la carga del IO₃⁻ se reparte entre tres átomos de O, así que el HIO₃ es más fuerte y el HOI es el más débil.
3. Evidencia: HIO₃ frente a HBrO₃: tienen el mismo número de átomos de O, así que compara los átomos centrales. El Br (2.96) es más electronegativo que el I (2.66), así que el HBrO₃ es más fuerte.
4. Afirmación: HOI < HIO₃ < HBrO₃.
5. Razonamiento: El HIO₃ es más fuerte que el HOI porque sus átomos de oxígeno adicionales alejan la densidad electrónica del enlace O-H y dejan que la carga negativa del IO₃⁻ se reparta entre más átomos, lo que hace más estable a la base conjugada. El HBrO₃ es más fuerte que el HIO₃ porque los dos tienen tres átomos de oxígeno, pero el Br es más electronegativo que el I, así que estabiliza mejor la carga negativa de la base conjugada.
6. Revisa: El HOI tiene un pK_a de aproximadamente 10.6, el HIO₃ de aproximadamente 0.8, y el HBrO₃ es todavía más fuerte.
7. Respuesta: HOI < HIO₃ < HBrO₃ (del más débil al más fuerte)

Fíjate en que el número de oxígenos influye más que el átomo central. Trampa común: la pregunta pide del más débil al más fuerte, así que no escribas el orden al revés.

Ejemplo 3: Encuentra el H ácido

Se muestra el ácido glicólico. ¿Cuál hidrógeno marcado, a, b o c, es el más ácido? Justifica tu respuesta.

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1. Datos: El H_a está enlazado a C. El enlace C-H es casi no polar, así que el H_a no es ácido.
2. Datos: El H_b y el H_c están enlazados a O, así que los dos enlaces O-H son polares. Compara las bases conjugadas que resultan al quitar cada uno.
3. Evidencia: Al quitar el H_b, la carga negativa queda atrapada en un solo O, sin un doble enlace al lado y sin resonancia, como en la base conjugada del etanol.
4. Evidencia: Al quitar el H_c se obtiene un grupo carboxilato, COO⁻, igual que el acetato, con la carga compartida por dos átomos de O mediante resonancia.
5. Afirmación: El H_c es el más ácido.
6. Razonamiento: El H_c está enlazado a un oxígeno del grupo ácido carboxílico, y cuando se quita, la carga negativa del ion carboxilato se deslocaliza entre dos átomos de oxígeno por resonancia, lo que estabiliza la base conjugada. Al quitar el H_b, la carga queda en un solo oxígeno sin resonancia, y el H_a está en un enlace C-H no polar.
7. Respuesta: El H_c es el más ácido.

Trampa común: elegir el H_b solo porque también está en un oxígeno. Estar en un O hace que un H sea candidato; la estabilidad de la base conjugada decide al ganador.

Ejemplo 4: La metilamina como base

Explica por qué la metilamina, CH₃NH₂, es una base.

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1. Datos: La metilamina se parece al amoniaco con un H reemplazado por un grupo CH₃. El N tiene tres enlaces y un par libre, y un par libre puede aceptar H⁺.
2. Ecuación: CH₃NH₂ + H₂O ⇌ CH₃NH₃⁺ + OH⁻
3. Evidencia: El par libre del N toma un H⁺ del agua, forma el ion metilamonio y deja OH⁻, lo que hace básica la solución.
4. Revisa: La metilamina es una base débil, K_b ≈ 4.4 × 10⁻⁴, así que solo una pequeña fracción de las moléculas acepta un protón. Es un poco mayor que la del amoniaco, 1.8 × 10⁻⁵, pero sigue siendo débil.
5. Razonamiento: La metilamina es una base de Brønsted-Lowry porque el átomo de nitrógeno tiene un par libre de electrones que puede aceptar un protón del agua y formar CH₃NH₃⁺ y OH⁻. El aumento de [OH⁻] hace básica la solución, y es una base débil porque esta reacción solo ocurre en pequeña medida.
6. Respuesta: El par libre del N acepta H⁺ del H₂O y produce OH⁻; la metilamina es una base débil.

Trampa común: decir que la metilamina es básica porque contiene OH. No tiene ningún OH; el hidróxido viene del agua.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 8.6 Estructura molecular de ácidos y bases (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Una base conjugada más estable, A⁻, significa un ácido más fuerte.
• Todo lo que atrae o reparte la carga negativa estabiliza al A⁻: un átomo más electronegativo, más átomos de O, el efecto inductivo y la resonancia.
• Las bases usan un par libre, como el N del amoniaco o el O⁻ de un ion carboxilato, para atrapar un H⁺.
• Los hidróxidos de los grupos 1 y 2 son las bases fuertes.

Consejo para el examen: En toda justificación de la fuerza de un ácido, nombra la característica estructural y luego di cómo estabiliza la base conjugada; decir solo “más electronegativo” no gana el punto.

De vuelta a la pregunta esencial: La estructura decide qué tan estable es la base conjugada. Una base conjugada estable significa un ácido fuerte, y una inestable significa un ácido débil. A continuación, el Tema 8.7 usa el pH y el pK_a para saber qué forma de un ácido, HA o A⁻, predomina en una solución.

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