Formulación y nomenclatura: los hidróxidos

Vamos a comenzar con el estudio de los compuestos ternarios, es decir, aquellos que están formados por tres elementos distintos. En general, podemos distinguir tres grandes grupos de compuestos que se ajustan a esta descripción: los hidróxidos, los oxoácidos y las oxisales. Abordaremos, en primer lugar, los hidróxidos pues, como se verá, su formulación y nomenclatura guardan una gran similitud con los compuestos binarios.

El ion hidróxido

El nombre de estos compuestos se debe a que en ellos siempre aparece el ion hidróxido: OH. Este es un anión heteropoliatómico, derivado de una molécula de agua, por pérdida de un protón (H+), por lo que su estructura es:

Anión-hidróxido

Debido a la pérdida del protón (en rigor, se debería denominar hidrón), el oxígeno adquiere una carga negativa (pues se queda con el electrón del hidrógeno saliente). Por ello, sería más lógico representarlo como HO, para indicar que la carga recae sobre el oxígeno, y no sobre el hidrógeno. Además, de esta manera se respetaría el orden de la secuencia de elementos que hemos empleado en otras ocasiones (el oxígeno, más electronegativo, debería situarse después del hidrógeno). Sin embargo, la costumbre de escribir OH está tan arraigada que es de uso habitual, y en pocas ocasiones nos encontraremos con la otra opción (al menos en este tipo de compuestos).

Formulación de los hidróxidos

El anión hidróxido actúa como un único grupo con número de oxidación –I, por lo que se combina con cationes de naturaleza, fundamentalmente, metálica, es decir, con número de oxidación positivo. Según esto:

La fórmula general de un hidróxido es M(OH)n, donde M es el símbolo químico del metal y n se corresponde con su número de oxidación.

Según la IUPAC, los agrupaciones de átomos deben ir entre paréntesis en la fórmula, aunque su uso no es obligatorio en iones de uso común, como es el caso del anión hidróxido, salvo que al paréntesis de cierre le siga un subíndice multiplicador, en cuyo caso es siempre necesario.

Así, cuando el anión hidróxido se asocia con el cobre, este puede participar con dos números de oxidación distintos: con el número de oxidación I, el hidróxido sería CuOH o Cu(OH); con el número de oxidación II, el hidróxido sería Cu(OH)2. Téngase en cuenta que si en este segundo caso obviáramos el paréntesis, la fórmula CuOH2 parecería indicar que hay dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y no dos de cada elemento agrupados en sendos aniones como realmente ocurre.

Nomenclatura de hidróxidos

Como decíamos, los hidróxidos se nombran de manera similar a los compuestos binarios, pues al considerar el anión como un grupo que tiene un nombre propio y posee una carga determinada, podemos leer fácilmente la fórmula de derecha a izquierda como en anteriores ocasiones:

Los hidróxidos se nombran con la palabra hidróxido seguida de la preposición “de” y el nombre del metal.

Como viene siendo habitual, cuando sea necesario:

  • Se indica mediante un prefijo multiplicador (di–, tri–, tetra–, etc.) el número de iones hidróxido que aparecen en la molécula.
  • Puede indicarse el número de oxidación del metal, inmediatamente después de nombrarlo (sin espacio), entre paréntesis y en números romanos.
  • También puede señalarse el número de carga del metal, a continuación de su nombre (sin espacios), entre paréntesis y en números arábigos (añadiendo el signo).

Los siguientes ejemplos aclararán lo anterior:

Fórmula-nomenclatura-hidróxidos

Fórmula y nombre de algunos hidróxidos

Aunque no son nombres oficiales, los hidróxidos de sodio y potasio son muy conocidos por sus nombres comunes o comerciales: sosa (cáustica) y potasa (cáustica), respectivamente.

A veces nos podemos encontrar con algún hidróxido de cierta complejidad. Por ejemplo, el mercurio, cuando actúa con número de oxidación I, forma un hidróxido de fórmula Hg2(OH)2, y no HgOH. ¿Por qué no se simplifica su fórmula? Porque, en realidad, en su molécula se unen entre sí dos átomos de mercurio, formando un catión diatómico que se enlaca a dos aniones hidróxido: HO-Hg-Hg-OH. Pero esto, aunque pueda sorprendernos, por ser desconocido, no nos impide nombrarlo, pues nos limitamos a dar nombres de composición para los cuales la distribución de átomos es indiferente. En estos casos recomiendo usar los prefijos multiplicadores, pues nunca nos harán dudar, con los que el nombre del Hg2(OH)2 sería dihidróxido de dimercurio. También podríamos optar por el número de oxidación, en cuyo caso el nombre sería hidróxido de mercurio(I), aunque también hidróxido de dimercurio(I), pues con esto quedaría claro que aparecen dos átomos de mercurio, y no uno. Sin embargo, al usar el número de carga debemos tener cuidado, pues no olvidemos que el catión diatómico Hg22+ tiene dos cargas positivas, por lo que en el nombre habría que decir hidróxido de dimercurio(2+).

Otro compuesto ternario que puede generarnos dudas es el hidróxido de amonioNH4OH, que se representa así precisamente para remarcar la existencia del catión amonio (NH4+) y del anión hidróxido (OH) en su estructura. Podría, incluso, insistirse en ello mediante el uso de paréntesis (NH4)(OH), aunque son grupos iónicos tan comunes que estos no suelen emplearse.

Carácter Básico de los Hidróxidos

Aunque al estudiar la formulación y la nomenclatura de los compuestos no nos detenemos en analizar sus propiedades y reactividad, vamos a hacer una breve descripción del comportamiento básico de los hidróxidos.

Según Arrhenius, un ácido es una sustancia que cede protones al medio, mientras que una base se caracteriza por ceder hidróxidos.

El anión hidróxido es, por definición, un compuesto básico. Por tanto, los hidróxidos, al disolverse en agua, disminuyen la acidez del medio. Los hidróxidos de los metales alcalinos (Na, K, Rb…) son bases fuertes, pues son muy solubles en agua. Los hidróxidos de los metales alcalinotérreos (Mg, Ca, Sr…) son bastante menos solubles, por lo que su basicidad es menor. Mientras que los hidróxidos de los demás metales (Zn, Al…), son más o menos insolubles en agua, y pueden actuar, en según qué condiciones, como bases o como ácidos (son anfóteros). También pueden existir hidróxidos ácidos formados por no metales (como el boro), aunque este comportamiento no es habitual y son poco numerosos.

Para saber más: Los Oxihidróxidos

Son compuestos ternarios en los que el metal se une tanto a un anión O2–  (óxido) como a un OH (hidróxido), por lo que su fórmula general es del tipo MO(OH). En su nombre se citan primero los aniones (hidróxido óxido) y luego el catión metálico. Veamos unos ejemplos:

  • AlO(OH): hidróxido óxido de aluminio.
  • CoO(OH): hidróxido óxido de cobalto(III).
  • CrO(OH): hidróxido óxido de cromo(III).
  • FeO(OH): hidróxido óxido de hierro(III).

FeO(OH)-estructura-goetita-oxihidroxido

Evidentemente, en ellos el número de oxidación del metal debe ser III, como mínimo, para poder igualar los de los aniones óxido (–II) e hidróxido (–I). Si el número de oxidación del metal fuese mayor, serían necesarios más aniones:

  • CrO2(OH)2: dihidróxido dióxido de cromo(VI).
  • UO2(OH)2: dihidróxido dióxido de uranio(VI).
  • Mo2O5(OH)2: dihidróxido pentaóxido de dimolibdeno(VI).

Experimento casero: relación entre pH y solubilidad

Vamos a realizar un experimento casero que nos permitirá analizar diferentes aspectos relacionados con las reacciones ácido-base. Para ello no necesitamos nada más que un huevo, vinagre (unos 150 mL) y un tarro de cristal:

20150729_200048

Sólo tenemos que meter el huevo dentro del tarro y cubrirlo con vinagre. Lo primero que observamos es que la cáscara comienza a recubrirse de pequeñas burbujas, que irán aumentando según pase el tiempo:

20150730_104638

A las pocas horas observamos que se han desprendido pequeñas láminas de la cáscara y, al cabo de unos dos días, ésta habrá desaparecido completamente. Comprobaremos que el huevo ha aumentado de tamaño, ha perdido su dureza y ha aumentado considerablemente su elasticidad (podemos comprobar que bota si lo dejamos caer desde una pequeña altura).

¿Qué ha ocurrido?

La acidez del vinagre

El vinagre es una disolución ácida debido a la presencia de ácido acético (CH3COOH). En el Real Decreto 661/2012, referente a la norma de calidad para la elaboración y la comercialización de los vinagres, se define la acidez o grado de acidez de un vinagre como los gramos de ácido acético contenidos en 100 mL de dicho producto.

Como la acidez del vinagre es de unos 6°, su concentración en acético es de 6 g/100 mL, que equivale a una concentración 1 M. Al ser el ácido acético un ácido débil, su disociación no es completa y depende de su Ka. Teniendo esto en cuenta, su pH se sitúa en torno a 2’4.

Estructura del huevo y su cáscara

En el huevo distinguimos tres partes diferenciadas: la yema (o vitelo), la clara (o albumen) y la cáscara.

estructura-huevo

La cáscara supone alrededor del 10 % de la masa del huevo (unos 6 g en uno de tamaño medio), es porosa, y se encarga de proteger, aislar y dar forma al huevo. Está compuesta fundamentalmente por una matriz de proteínas fibrosas entrelazadas y carbonato de calcio (CaCO3), aunque también encontramos carbonatos de otros metales, principalmente de magnesio. Estos carbonatos insolubles suponen prácticamente el 95 % de la cáscara.

Toda la superficie de la cáscara se encuentra recubierta por una cutícula orgánica que está formada principalmente por proteínas (90%) y pequeñas cantidades de lípidos y glúcidos. El interior de la cáscara está recubierto por dos membranas testáceas. Entre la membrana interna y la externa se encuentra una cámara de aire, que es mayor cuanto menos fresco es el huevo.

Reacción entre el carbonato cálcico y el ácido acético

La cáscara desaparece porque está compuesta por carbonato cálcico, que reacciona con el ácido acético del vinagre, según la siguiente reacción:

2 CH3COOH + CaCO3 → Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2

El CaCO3 es una sal muy insoluble y la hidrólisis del anión carbonato está muy poco favorecida:

carbonato-calcico-medio-acido

El vinagre proporciona un pH ácido con una elevada concentración de H3O+, que reaccionan con los OH, favoreciendo que los equilibrios de hidrólisis se desplacen hacia la derecha, por lo que el equilibrio de solubilidad también se desplaza hacia la derecha. En consecuencia, una disminución del pH provoca un aumento de la solubilidad del CaCO3.

Además, el ácido carbónico se descompone en dióxido de carbono y agua:

H2CO3  ⇄  CO2 + H2O

Al liberarse el CO2, como se aprecia en la formación de burbujas, el equilibrio se desplaza hacia la derecha aumentando la solubilidad de la sal.

Fenómenos osmóticos

Un cambio evidente que se observa es el aumento de tamaño del huevo. Esto es debido a que las membranas de la cáscara son membranas semipermeables, que permiten la difusión de agua a través de ellas a favor del gradiente de concentración de sales. Es decir, que debido a la diferencia de concentraciones entre el interior y el exterior del huevo, se produce una entrada de agua que provoca un aumento de volumen.

Desnaturalización de proteínas

La cáscara y las membranas que la recubren poseen proteínas, que en medio ácido se pueden desnaturalizar. Este fenómeno produce un cambio conformacional en la estructura de las proteínas que modifica sus propiedades, y provocan un aumento de su elasticidad.

Indicadores ácido-base

Los indicadores ácido-base son compuestos orgánicos de fórmula compleja cuyo color cambia según el pH del medio en el que se encuentren.

Son ácidos o bases débiles cuyas bases o ácidos conjugados poseen una estructura química diferente que hace que presenten un color diferente. Si consideramos un indicador genérico HIn de carácter ácido:

Indicadores-equilibrio

  • En las disoluciones ácidas la concentración de H3O+ es muy alta, por lo que el equilibrio del indicador se desplaza hacia la izquierda y aparece el color A.
  • En las disoluciones básicas, el equilibrio está desplazado hacia la derecha para que aumente la concentración de H3O+ y se obtiene el color B.

Se considera que para que el ojo humano aprecie con claridad la diferencia entre los dos colores, la concentración de una forma debe ser entre 10 y 100 veces superior a la otra, por lo que el cambio de color se produce gradualmente en un intervalo de entre una y dos unidades de pH. El cambio de color de un indicador se denomina viraje y el intervalo de pH en el cual se produce es el intervalo de viraje, y es característico de cada indicador:

indicadores

Los indicadores de pH nos permiten determinar el punto final de una valoración. Para ello se debe hacer una correcta elección del indicador, de modo que:

  • El punto de equivalencia debe encontrarse en el intervalo de viraje del indicador.
  • Se deben utilizar cantidades muy pequeñas de indicador, para que no interfieran apreciablemente con los reactivos.
  • El punto final se corresponde con el primer cambio neto de color detectable y persistente, durante al menos 20 o 30 segundos.

Los indicadores más comúnmente empleados son el rojo de metilo y la fenolftaleína:

Curva-de-valoracion-acido-propanoico

Valoraciones ácido-base

Reacciones de neutralización

La neutralización es una reacción entre un ácido o una base que conduce a la formación de una sal y de agua:

Reaccion-neutralizacion

La sal sólo aparece si se cristaliza ya que se forma a partir del anión procedente de la disociación del ácido y del catión procedente de la disociación de la base, que se encuentran en la disolución, y realmente no experimentan ninguna modificación por lo que son meros “iones espectadores” de la reacción. Por lo que en esencia, la neutralización es la reacción que tiene lugar entre el H3O+ y el OH, que conduce a la formación de agua:

reaccion-neutralizacion-2

Cuando la neutralización tiene lugar entre dos disoluciones, una de carácter ácido y otra de carácter básico, se puede establecer la siguiente igualdad:

Reaccion-neutralizacion-3

Esta expresión nos será de gran utilidad en las valoraciones ácido-base.

Valoraciones ácido-base

Una valoración (o volumetría) ácido-base consiste una reacción de neutralización que permite determinar la concentración de una disolución de un ácido mediante una disolución de base de concentración conocida, o viceversa.

Sobre la disolución de ácido (o base) de concentración desconocida que se pretende valorar, se van añadiendo sucesivos volúmenes de la disolución de base (o ácido) de concentración conocida. Cuando la concentración de H3O+ aportada por el ácido es igual a la concentración de OH aportada por la base se alcanza el punto de equivalencia, en el cual la neutralización se ha completado.

Curva de valoración

Si en el transcurso de la valoración vamos registrando el pH de la disolución a valorar al ir añadiendo pequeños volúmenes de la disolución valorante, podemos hacer una representación gráfica del pH frente al volumen añadido que conocemos como curva de valoración.

Al valorar un ácido fuerte con una base fuerte, el punto de equivalencia tiene lugar a un pH de 7:

curva-valoracion-acido-base-fuerte

Se produce un salto brusco de pH en las proximidades del punto de equivalencia (teórico) que permite determinar cuando se ha alcanzado el punto final de la valoración (experimental). La diferencia existente entre el punto de equivalencia y el punto final es el error de valoración. La detección del punto final puede realizarse mediante medidas sucesivas de pH o usando indicadores, que cambian de color según el pH del medio.

En la valoración de un ácido débil con una base fuerte, o una base débil con un ácido fuerte, el punto de equivalencia se sitúa a un pH distinto de 7, debido a la hidrólisis del ion que procede del ácido o base débil:

curva-valoracion-acido-base-debil

Cuando se valora un ácido poliprótico, se producen tantos saltos como protones tiene el ácido:

curva-valoracion-acido-poliprotico

Montaje de una valoración ácido-base

Valoracion-acido-base-montaje

Puedes comprobar las aplicaciones de lo anterior en estos ejercicios.