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.

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.

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:

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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.