PARTE 3.
TEMA 4. Teoría protónica de ácidos y bases.
Las teorías de ácidos y bases son un conjunto de representaciones físico-químicas fundamentales que describen la naturaleza y las propiedades de los ácidos y bases. Todas ellas introducen definiciones de ácidos y bases, dos clases de sustancias que reaccionan entre sí. La tarea de la teoría es predecir los productos de la reacción entre un ácido y una base y las posibilidades de que esta ocurra, para lo cual se utilizan características cuantitativas de la fuerza de los ácidos y bases. Las diferencias entre las teorías radican en las definiciones de los ácidos y bases, las características de su fuerza y, en consecuencia, en las reglas para predecir los productos de la reacción entre ellas. Todas tienen su campo de aplicabilidad, que en parte se superpone.

Las interacciones ácido-base son extremadamente comunes en la naturaleza y tienen una amplia aplicación en la práctica científica e industrial. Las representaciones teóricas de los ácidos y bases son de gran importancia en la formación de todos los sistemas conceptuales de la química y tienen una influencia diversa en el desarrollo de muchas teorías en todas las principales disciplinas químicas.
Basado en la teoría moderna de ácidos y bases, se han desarrollado áreas de las ciencias químicas como la química de soluciones acuosas y no acuosas de electrolitos, la pH-metría en medios no acuosos, el catálisis ácido-base homo- y heterogénea, la teoría de funciones de acidez y muchas otras.

Evolución de las representaciones sobre las interacciones ácido-base.
Las representaciones sobre las interacciones ácido-base son una de las posiciones fundamentales de la química. Los conceptos de "ácido" y "base" se formaron en el siglo XVII, pero su contenido ha sido revisado y aclarado en varias ocasiones. Así, R. Boyle pensaba que los ácidos son sustancias cuyos átomos tienen protuberancias afiladas (y, por lo tanto, un sabor ácido), mientras que las bases son porosas (y tienen un sabor astringente). Según su opinión, la reacción de neutralización consistía en que las protuberancias del ácido entraban en los poros de la base.
La teoría de las formas de los ácidos y bases fue propuesta por N. Lémery. En su "Curso de Química" (1675), intentó explicar las propiedades físicas y químicas de las sustancias utilizando su forma y estructura. Según Lémery, los ácidos tienen picos afilados en su superficie que causan sensaciones punzantes en la piel, mientras que las bases, a las que él llamó álcalis, están formadas por sustancias porosas. Los "picos" de los ácidos penetran en los "poros", se rompen o se redondean, y los ácidos se transforman en sales neutras[1].

Las representaciones científicas sobre la naturaleza de los ácidos y bases comenzaron a formarse a finales del siglo XVIII. En los trabajos de A. Lavoisier, las propiedades ácidas se vinculaban con la presencia de átomos de oxígeno en la composición de la sustancia. Las ácidas minerales y orgánicas conocidas en ese entonces contenían oxígeno. Esta hipótesis rápidamente se demostró incorrecta cuando, gracias a los trabajos de H. Davy y J. Gay-Lussac, se descubrió una serie de ácidos que no contenían oxígeno (por ejemplo, los hidruros halógenos, los ácidos cianhídricos), mientras que muchos compuestos oxigenados no presentaban propiedades ácidas.
Desde principios del siglo XIX, los ácidos comenzaron a considerarse sustancias capaces de reaccionar con metales con la liberación de hidrógeno (J. Liebig, 1839). Aproximadamente al mismo tiempo, J. Berzelius propuso una idea para explicar las propiedades ácido-base de las sustancias basándose en su naturaleza eléctrica "dualista". Así, él consideraba que los óxidos electronegativos de no metales y algunos metales (como el cromo, el manganeso, entre otros) eran ácidos, mientras que los óxidos electropositivos de metales eran bases. Por lo tanto, la acidez o basicidad, según Berzelius, se considera una propiedad funcional y no absoluta de la sustancia. Fue Berzelius quien intentó por primera vez una evaluación cuantitativa y la predicción de la fuerza de los ácidos y bases[2].
Con la aparición de la teoría de la disociación electrolítica de S. Arrhenius (1887), se hizo posible describir las propiedades ácido-base en función de los productos de ionización del electrolito. Gracias al trabajo de W. Ostwald, la teoría se desarrolló para los electrolitos débiles.
A principios del siglo XX, los químicos estadounidenses G. Cady, E. Franklin y C. Kraus crearon la teoría de los solventes iónicos, ampliando las ideas de Arrhenius-Ostwald a todos los solventes capaces de auto-disociarse.
Las teorías modernas de ácidos y bases se basan en las ideas de J. Brønsted y G. Lewis. Existen intentos exitosos de crear teorías generalizadas (M. Usanovich, 1939), pero estas no se aplican ampliamente[3].

Teoría del hidrógeno de Liebig.
Definiciones. Ácido: una sustancia capaz de reaccionar con un metal liberando hidrógeno. El concepto de "base" no existe en esta teoría.
Productos de la reacción. En la reacción del ácido con un metal se forma una sal y hidrógeno.
Ejemplos. Ácido — HCl:
Reacción 2HCl + Zn = ZnCl2 + H2↑
Criterios para que ocurra la reacción. Los metales que están a la izquierda del hidrógeno en la serie de actividades reaccionan con ácidos fuertes. Cuanto más débil es el ácido, más activo debe ser el metal para que ocurra la reacción.
Características cuantitativas. Debido a que la teoría se usa raramente, no se han desarrollado características cuantitativas para la fuerza del ácido (y, por ende, la predicción de la dirección de la reacción) dentro de esta teoría.
Campo de aplicación. Predicción de la interacción de sustancias que contienen hidrógeno con metales en cualquier solvente.
Características específicas. Según esta teoría, el etanol y el amoníaco son ácidos débiles, ya que pueden reaccionar con metales alcalinos:
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2NH3 + 2Na = 2NaNH2 + H2↑

Teoría de la disociación electrolítica de Arrhenius-Ostwald.
Esquema de la disociación electrolítica del ácido acético en solución acuosa
Artículo principal: Teoría de la disociación electrolítica
Definiciones. Los ácidos son sustancias que forman en solución acuosa cationes hidratados de hidrógeno H+ (iones hidronio) y aniones del residuo ácido.
Las bases son sustancias que se disocian en solución acuosa formando cationes metálicos o de amonio y aniones hidróxido OH−.
Las sales son sustancias que se disocian formando cationes metálicos o de amonio y aniones del residuo ácido.
Productos de la reacción. En la reacción entre un ácido y una base (reacción de neutralización) se forma una sal y agua.
Ejemplos. Ácido — HCl (residuo ácido Cl-):
HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl-
Base — NaOH:
NaOH ↔ Na+ + OH-
Reacción de neutralización (sal — NaCl):
HCl + NaOH = NaCl + H2O
Criterios para que ocurra la reacción. Los ácidos fuertes reaccionan con bases fuertes. Cuanto más débil es el ácido, más fuerte debe ser la base para que ocurra la reacción.
Características cuantitativas. La fuerza de los ácidos y bases se caracteriza por sus constantes de disociación K.
Para el ácido HA, K = [H+]·[A-]/[HA]
Para la base MeOH, K = [Me+]·[OH-]/[MeOH]
Para que ocurra la reacción entre un ácido y una base, el producto de sus constantes de disociación debe ser mayor que 10−14 (producto iónico del agua).
Campo de aplicación. Describe bastante bien las reacciones entre ácidos y bases fuertes y las propiedades de sus soluciones acuosas. Basado en las ideas sobre el grado y la constante de disociación, se introdujo la clasificación de los electrolitos como fuertes y débiles, el concepto de pH, cuyo uso en medios alcalinos requiere sin embargo suposiciones adicionales (introducción del producto iónico del agua).
La teoría puede aplicarse para describir la hidrólisis de sales y las reacciones de ácidos y bases con sales, pero esto requiere un aparato teórico bastante complejo, por lo que la teoría protónica (ver más abajo) es mucho más conveniente.
La aplicabilidad de la teoría de Arrhenius-Ostwald se limita a soluciones acuosas. Además, no puede explicar la presencia de propiedades básicas en el amoníaco, el fosfino y otras sustancias que no contienen grupos hidróxido.

Teoría protónica de Brønsted-Lowry. Comparación de modelos de interacción ácido-base según Lewis y Brønsted
La teoría protolítica (protónica) de los ácidos y bases fue propuesta en 1923 de manera independiente por los científicos daneses J. Brønsted y el inglés T. Lowry. En ella, el concepto de ácidos y bases se unifica en una totalidad que se manifiesta en la interacción ácido-base: A → B + H+ (A — ácido, B — base). Según esta teoría, los ácidos son moléculas o iones capaces de ser donantes de protones en una reacción, mientras que las bases son moléculas o iones que aceptan protones (acceptores). Los ácidos y bases recibieron el nombre común de protolitos.

La esencia de la interacción ácido-base es la transferencia de un protón del ácido a la base. Al transferir el protón a la base, el ácido se convierte en base, ya que puede volver a aceptar un protón, y la base, al formar una partícula protonada, se convierte en ácido. De esta forma, en cualquier interacción ácido-base participan dos pares de ácidos y bases, llamados por Brønsted pares conjugados: A1 + B2 → A2 + B1.
Una misma sustancia, dependiendo de las condiciones de la interacción, puede ser tanto un ácido como una base (amfotere). Por ejemplo, el agua, al interactuar con ácidos fuertes, actúa como base: H2O + H+ → H3O+, y al reaccionar con amoníaco, actúa como ácido: NH3 + H2O → NH4+ + OH−.

Teoría de los solventes iónicos.
La teoría de los solventes iónicos es una extensión de la teoría de Arrhenius-Ostwald a otros disolventes iónicos (en particular, disolventes protonados). Fue propuesta por los químicos estadounidenses G. Cady, E. Franklin y C. Kraus.

Definiciones. Un disolvente iónico es un disolvente que se disocia espontáneamente en un catión y un anión. El catión se llama ion liogénico y el anión se llama ion liato. Un disolvente protónico es un disolvente capaz de auto-protolizarse, es decir, transferir un ion H+ de una molécula a otra:
2HL ↔ H2L+ + L-
Son disolventes que contienen un enlace suficientemente polar que involucra hidrógeno y un par de electrones no compartido de otro no metal (usualmente nitrógeno, oxígeno o flúor).
Nota: en esta definición se incluye la teoría protónica, ya que la auto-protolización es una reacción ácido-base según Brønsted-Lowry. También se incluye la teoría de Lewis, ya que explica las razones para la formación de iones liogénicos.
El ion H2L+ se llama ion liogénico, y L– se llama ion liato.
Los ácidos son sustancias que forman en este disolvente iones liogénicos.
Las bases son sustancias que forman en este disolvente iones liatos.
Las sales son sustancias que se disocian en este disolvente formando un catión y un anión, que no son liogénico ni liato.
Productos de la reacción. En la reacción de un ácido con una base (reacción de neutralización), se forma una sal y el disolvente.
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