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:

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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:

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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.

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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:

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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.

Hidrólisis de sales

Cuando una sal se disuelve en medio acuoso sus iones pueden experimentar una reacción ácido-base con el agua, lo que se conoce como hidrólisis.

Disoluciones de sales de base fuerte y ácido fuerte

En las sales formadas por aniones cuyo ácido conjugado sea fuerte y cationes cuya base conjugada sea fuerte no se produce reacción de hidrólisis. Por ejemplo:

hidrolisis-sal-acido-fuerte-base-fuerte

El catión Na+ y el anión Cl son, respectivamente, el ácido y la base conjugados de NaOH y HCl. Como ambos son muy fuertes, los iones Na+ y Cl son demasiado débiles para reaccionar con el agua. En consecuencia, el producto iónico del agua no se ve alterado y se mantiene el pH neutro.

Ocurre igual con el NaNO3, el KI o el CaCl2.

DISOLUCIONES de sales de base fuerte y ácido débil

La disociación de estas sales libera aniones, que son bases conjugadas de ácido débil, por lo que se hidrolizan dando iones OH. Por ejemplo:

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El catión Na+ no reacciona con el agua, pero el anión CH3COO es la base conjugada de un ácido débil, por lo que experimenta una reacción de hidrólisis básica, pues acepta un protón del agua liberando OH. La disolución de la sal tiene un pH básico, y se puede definir una constante de hidrólisis Kh, que es igual a la constante Kb del anión básico (cuanto más débil sea el ácido del que procede más básica resultará la disolución).

También es el caso del Na2CO3, el NaHCO3 o el KCN.

DISOLUCIONES de sales de base débil y ácido fuerte

Al contrario que las anteriores, su disociación libera cationes, procedentes de una base conjugada débil, que se hidrolizan generando iones H3O+. Por ejemplo:

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El anión Cl no reacciona con el agua, pero el catión NH4+ es el ácido conjugado de una base débil, por lo que experimenta una reacción de hidrólisis ácida, pues cede un protón al agua liberando H3O+. La disolución de esta sal tiene un pH ácido, definiéndose una constante de hidrólisis Kh, que es igual a la constante Ka del catión ácido (cuanto más débil sea la base de la que procede más ácida resultará la disolución).

Ocurre lo mismo con el NH4NO3 o el FeCl3.

DISOLUCIONES de sales de base débil y ácido débil

En este caso, tanto el catión como el anión se hidrolizan, como en el siguiente ejemplo:

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El catión NH4+ es el ácido conjugado de una base débil, por lo que se hidroliza desprendiendo H3O+. El anión CN es la base conjugada de un ácido débil, así que se hidroliza liberando OH. Como el CNes más fuerte como base que el NH4+ como ácido, la disolución tendrá carácter básico.

En general, el pH de una disolución de una sal de ácido débil y base débil dependerá del ion que se hidrolice en mayor grado:

  • Si Ka > Kb, el catión se hidroliza más que el anión, por lo que la disolución tendrá un pH ácido. Esto ocurre con las disoluciones de formiato amónico (HCOONH4).
  • Si Ka < Kb, el anión se hidroliza más que el catión, por lo que la disolución tendrá un pH básico. Como se ha visto, así ocurre en una disolución de cianuro amónico (NH4CN).
  • Si Ka = Kb, ambos iones se hidrolizan en la misma proporción, por lo que la disolución tendrá un pH neutro. Es el caso de una disolución de acetato de amonio (CH3COONH4).

En la mayoría de las ocasiones nos bastará con ser capaces de predecir si el pH de la disolución de una sal determinada será ácido, básico o neutro, sin necesidad de realizar un análisis cuantitativo de la misma, como puedes ver aquí.