5.6 : Efecto nivelador y soluciones ácido-base no acuosas.

Esta lección define el efecto nivelador en soluciones ácidas y básicas y su papel en soluciones acuosas y no acuosas. Es esencial comprender la naturaleza competitiva de varias especies en un sistema químico.

El efecto nivelador de un disolvente

Un ácido genérico (HA) reacciona con la base genérica (B^-) para producir la base conjugada (A^-) y el ácido conjugado (HB) correspondientes:

Figura 1: Una reacción ácido-base genérica

Sin embargo, si la reacción tiene lugar en un disolvente (HX), el disolvente también puede participar en la reacción, dependiendo de la fuerza de su correspondiente ácido o base conjugado. Esto lleva a dos situaciones.

Para el primer tipo, supongamos que el ácido genérico (HA) en una reacción es un ácido más débil que el solvente (HX). En tal caso, B- desprotonará el disolvente para producir la base conjugada del disolvente (X-), lo que hará que B^- se consuma por completo y no esté disponible para interactuar con el reactivo (HA):

Figura 2: Una reacción que representa el efecto nivelador de un solvente sobre una base genérica

Este fenómeno se denomina efecto nivelador de la base por un disolvente.

Alternativamente, suponga que la base genérica (B-) en una reacción es una base más débil que el solvente (HX). En tal caso, el HA protonará el disolvente para producir la base conjugada del disolvente (H2X), lo que provocará que el HA se consuma por completo y no esté disponible para interactuar con el reactivo (B-):

Figura 3: Una reacción que representa el efecto nivelador de un solvente sobre un ácido genérico

Este fenómeno se conoce como efecto nivelador del ácido por un disolvente.

El efecto nivelador del agua sobre una base fuerte

Para visualizar el efecto nivelador del solvente sobre bases fuertes, considere una solución acuosa de acetileno que reacciona con amida de sodio. En este ejemplo, el acetileno (pK_a=25) es un ácido más débil que el disolvente, el agua (pK_a=15,7), como se desprende de la relación inversa entre la acidez y el valor de pK_a. Por lo tanto, como se muestra en la Figura 4, el ion amida desprotona el agua en lugar del acetileno, lo que demuestra el efecto nivelador del agua sobre bases fuertes.

Figura 4: Ejemplo del efecto nivelador en una reacción entre acetileno, amida de sodio y agua.

Dado que los iones hidróxido son más estables en esta reacción, el equilibrio favorece la formación de iones hidróxido que reemplazan a los iones amida en la solución. Sin embargo, los iones de hidróxido no son lo suficientemente básicos como para desprotonar el acetileno, dejándolo intacto en el disolvente. Por tanto, para desprotonar acetileno utilizando amida, la elección del disolvente juega un papel clave. Es necesario utilizar un disolvente como el amoniaco con un pK_a de 38 que es mayor que el pK_a del acetileno (25). Esto convierte al acetileno en el ácido más fuerte para garantizar que el disolvente no se desprotone.

El efecto nivelador del agua sobre un ácido fuerte

De manera similar, para comprender el efecto nivelador del solvente sobre ácidos fuertes, considere una solución acuosa de ácido perclórico que interactúa con la morfolina. En este ejemplo, la morfolina (pK_a=8,36) es una base más débil que el disolvente que es el agua (pK_a=15,7), como se desprende de la relación directa entre la basicidad y el valor de pK_a. Por lo tanto, como se muestra en la Figura 5, el ácido perclórico protona el agua en lugar de la morfolina, lo que demuestra el efecto nivelador del agua sobre los ácidos fuertes.

Figura 5: Ejemplo del efecto nivelador en una reacción entre ácido perclórico, morfolina y agua.

Dado que los iones hidronio son más estables en esta reacción, el equilibrio favorece la formación de iones hidronio que reemplazan a los iones perclorato de la solución. Sin embargo, los iones hidronio no son lo suficientemente ácidos como para protonar la morfolina, dejándola intacta en el disolvente. Por tanto, para protonar la morfolina utilizando ácido perclórico, la elección del disolvente juega un papel clave. Es necesario utilizar un disolvente como el ácido benzoico con un pK_a de 4,2 que es inferior al pK_a de la morfolina (8,36). Esto hace que la morfolina sea la base más fuerte para garantizar que el disolvente no se protone.

En resumen, la elección del disolvente debe satisfacer condiciones clave: no debe ser desprotonado por la base más fuerte ni protonado por el ácido más fuerte antes de interactuar con el otro reactivo. Normalmente, el agua es el disolvente utilizado en la mayoría de las reacciones, lo que ejerce un efecto nivelador sobre ácidos y bases fuertes. Por lo tanto, las reacciones que emplean ácidos más fuertes que H₃O⁺ y bases más fuertes que OH^- no pueden usarse en agua.