Ácido ou base conxugados

Ácido conxugado e base conxugada son dous termos complementarios aplicados a compostos químicos dentro da teoría ácido-base de Brønsted-Lowry. Un ácido conxugado é un composto químico formado cando un ácido cede un protón (H+
) a unha base (esta última é a que se converte no ácido conxugado), ou expresado doutra maneira, é unha base cun ión hidróxeno engadido, xa que perde un ión hidróxeno na reacción inversa (como é característico dos ácidos). Por outra parte, unha base conxugada é o que queda unha vez que un ácido doou un protón durante unha reacción química. Por tanto, unha base conxugada é unha substancia formada pola eliminación dun protón dun ácido, xa que pode gañar un ión hidróxeno na reacción inversa. ^[1] Como algúns ácidos, chamados polipróticos poden ceder máis dun protón, a base conxugada dun ácido pode ela mesma ter carácter ácido.

En resumo, isto pode representarse como a seguinte reacción química na que o ácido inicial convértese na base conxugada, e a base inicial convértese no ácido conxugado: $${\displaystyle {\text{ácido}}+{\text{base}}\;{\ce {<=>}}\;{\text{base conxugada}}+{\text{ácido conxugado}}}$$

Johannes Nicolaus Brønsted (esquerda) e Martin Lowry (dereita).

Johannes Nicolaus Brønsted e Martin Lowry presentaron a teoría de Brønsted–Lowry, que di que calquera composto que poida ceder un protón a outro composto é un ácido, e o composto que recibe o protón é unha base. Un protón é unha partícula subatómica do núcleo dun átomo con carga eléctrica positiva. Represéntase co símbolo H+
porque ten un núcleo de átomo de hidróxeno,^[2] é dicir, é un catión hidróxeno, o que a IUPAC recomenda denominar hidrón.

Un catión pode ser un ácido conxugado, e un anión pode ser unha base conxugada, dependendo da substancia que está implicada e da teoría ácido-base que se está usando. O anión máis simple que pode ser unha base conxugada é o electrón libre en solución cuxo ácido conxugado é o hidróxeno atómico.

Reaccións ácido-base

Nunha reacción ácido-base, un ácido e unha base reaccionan para formar unha base conxugada e un ácido conxugado, respectivamente. O ácido perde un protón e a base gaña un protón. En diagramas que indican isto, o novo enlace formado entre a base e o protón móstrase por unha frecha que empeza nun par de electóns da base e acaba no ión hidróxeno (protón) que será transferido:

Neste caso, a molécula de auga é a que funciona como o ácido conxugado do ión hidróxido básico despois de que este último recibiu o ión hidróxeno do amoníaco. Por outra parte, o amoníaco é a base conxugada do amonio ácido despois de que o amonio doou un ión hidróxeno para producir a molécula de auga. Ademais, o OH⁻ pode ser considerado como a base conxugada da H
2O, xa que a molécula de auga doa un protón para orixinar NH+
4 na reacción inversa. Os termos "ácido", "base", "ácido conxugado" e "base conxugada" non son fixos para unha certa substancia química senón que poden ser intercambiados se a reacción que está tendo lugar se inverte.

Forza dos conxugados

A forza dun ácido conxugado é proporcional á súa constante de disociación. Un ácido conxugado canto máis forte sexa máis facilmente se disociará nos seus produtos, "expulsará" os seus protóns hidróxeno e terá unha constante de equilibrio máis alta. A forza dunha base conxugada pode considerarse que é a súa tendencia a "atraer" os protóns hidróxeno cara a ela. Se unha base conxugada se clasifica como forte, "reterá" o protón hidróxeno en disolución e o seu ácido non se disociará.

Se un composto químico é un ácido forte, a súa base conxugada será débil.^[3] Un exemplo deste caso sería a disociación do ácido clorhídrico HCl en auga. Como o HCl é un ácido forte (disóciase en gran proporción), a súa base conxugada (Cl−
) será feble. Por tanto, neste sistema, a maioría dos H+
serán ións hidronio H
3O+
en vez de estaren unidos aos anións Cl⁻ e as bases conxugadas serán máis débiles que as moléculas de auga.

Por outro lado, se un composto químico é un ácido feble, a súa base conxugada non será necesariamente forte. Consideremos que o etanoato, a base conxugada do ácido etanoico, ten unha constante de disociación (Kb) de aproximadamente 5,6 × 10^-10, o que fai que sexa unha base débil. Para que as especies químicas teñan unha base conxugada forte teñen que ser un ácido moi débil, como a auga.

Identificación de pares de ácidos e bases conxugadas

Para identificar o ácido conxugado, debe buscarse o par de compostos cos que está relacionado. A reacción ácido-base pode verse examinando o antes e o despois. O antes é o lado dos reactantes da ecuación, o despois é o lado dos produtos da ecuación química. O ácido conxugado no lado de despois da ecuación gaña un ión hidróxeno, así que no lado de antes da ecuación o composto que ten un ión hidróxeno menos que o ácido conxugado é a base. A base conxugada no lado de despois da ecuación perde un ión hidróxeno, de tal xeito que no lado de antes da ecuación o composto que ten un hidróxeno máis que a base conxugada é o ácido.

Consideremos a seguinte reacción ácido-base:

HNO
3 + H
2O → H
3O+
+ NO−
3

O ácido nítrico (HNO
3) é un ácido porque doa un protón á molecula de auga e a súa base conxugada é o nitrato (NO−
3). A molécula de auga actúa como unha base porque recibe o catión hidróxeno (protón) e o seu ácido conxugado é o ión hidronio (H
3O+
).

Ecuación	Ácido	Base	Base conxugada	Ácido conxugado
HClO 2 + H 2O → ClO− 2 + H 3O+	HClO 2	H 2O	ClO− 2	H 3O+
ClO− + H 2O → HClO + OH−	H 2O	ClO−	OH−	HClO
HCl + H 2PO− 4 → Cl− + H 3PO 4	HCl	H 2PO− 4	Cl−	H 3PO 4

Aplicacións

Un uso dos ácidos e bases conxugados é nos sistemas tampóns, os cales inclúen unha solución tampón. Nun tampón úsanse un ácido débil e a súa base conxugada (en forma de sal), ou unha base débil e o seu ácido conxugado, para limitar o cambio de pH durante un proceso de titulación. Os tampóns teñen aplicacións químicas orgánicas e inorgánicas. Por exemplo, ademais do uso dos tampóns en procesos de laboratorio, o sangue humano actúa como un tampón para mater o pH. O tampón máis importante na nosa circulación sanguínea é o tampón ácido carbónico-bicarbonato, que impide cambios drásticos de pH cando se introduce CO
2. Isto funciona así: $${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> HCO3^- + H+}}}$$

Ademais, velaquí unha táboa dalgúns tampóns comúns.

Axente tamponante	pKa	Rango de pH útil
Ácido cítrico	3,13, 4,76, 6,40	2,1 - 7,4
Ácido acético	4,8	3,8 - 5,8
KH2PO4	7,2	6,2 - 8,2
CHES	9,3	8,3–10,3
Borato	9,24	8,25 - 10,25

Unha segunda aplicación común un composto orgánico sería a produción dun tampón con ácido acético. Se o ácido acético, un ácido débil coa fórmula CH
3COOH, se pon en forma de solución tampón, necesitaría combinarse coa súa base conxugada CH
3COO−
en forma de sal. A mestura resultante chámase tampón acetato, consistente en CH
3COOH acuoso e CH
3COONa acuoso. O ácido acético, xunto con moitos outros ácidos débiles, serven como compoñentes útiles dos tampóns en diferentes instalacións de laboratorios, cada un deles é útil dentro do seu propio rango de pH.

A solución de lactato de Ringer é un exemplo no que a base conxugada dun ácido orgánico, o ácido láctico, CH
3CH(OH)CO−
2 se combina cos catións sodio, calcio e potasio e anións cloruro en auga destilada,^[4] os cales xuntos forman un líquido que é isotónico respecto ao sangue humano e utilízase como fluído de substitución despois dunha perda de sangue debido a un trauma, cirurxía ou queimaduras.^[5]

Táboa de ácidos e as súas bases conxugadas

Velaquí unha táboa con varios exemplos de ácidos e as súas bases conxugadas correspondentes; nótese como difiren nun só protón (ión H⁺). A forza do ácido decrece e a forza da base conxugada aumenta conforme baixamos na táboa.

Ácido	Base conxugada
H 2F+ ión fluoronio	HF fluoruro de hidróxeno
HCl ácido clorhídrico	Cl− ión cloruro
H2SO4 ácido sulfúrico	HSO− 4 ión sulfato de hidróxeno (ión bisulfato)
HNO3 ácido nítrico	NO− 3 ión nitrato
H3O+ ión hidronio	H2O auga
HSO− 4 ión sulfato de hidróxeno	SO2− 4 ión sulfato
H3PO4 ácido fosfórico	H2PO− 4 ión fosfato de dihidróxeno
CH3COOH ácido acético	CH3COO− ión acetato
HF ácido fluorhídrico	F− ión fluoruro
H2CO3 ácido carbónico	HCO− 3 ión carbonato de hidróxeno
H2S ácido sulfhídrico	HS− ión hidrosulfuro
H2PO− 4 ión fosfato de dihidróxeno	HPO2− 4 ión fosfato de hidróxeno
NH+ 4 ión amonio	NH3 amoníaco
H2O auga (pH=7)	OH− ión hidróxido
HCO− 3 ión hidroxenocarbonato (bicarbonato)	CO2− 3 ión carbonato

Táboa de bases e os seus ácidos conxugados

Como comparación, velaquí unha táboa de bases e os seus ácidos conxugados. De xeito similar, a forza da base diminúe e a forza do ácido conxugado increméntase conforme baixamos na táboa.

Base	Ácido conxjugado
C 2H 5NH 2 etilamina	C 2H 5NH+ 3 ión etilamonio
CH 3NH 2 metilamina	CH 3NH+ 3 ión metilamonio
NH 3 amoníaco	NH+ 4 ión amonio
C 5H 5N piridina	C 5H 6N+ piridinio
C 6H 5NH 2 anilina	C 6H 5NH+ 3 ión fenilamonio
C 6H 5CO− 2 ión benzoato	C 6H 6CO 2 ácido benzoico
F− ión fluoruro	HF fluoruro de hidróxeno
PO3− 4 ión fosfato	HPO2− 4 ión fosfato de hidróxeno
OH− ión hidróxido	H2O auga (neutro, pH 7)
HCO− 3 bicarbonato	H 2CO 3 ácido carbónico
CO2− 3 ión carbonato	HCO− 3 bicarbonato
Br− ión bromuro	HBr bromuro de hidróxeno
HPO2− 4 fosfato de hidróxeno	H 2PO− 4 ión fosfato dihidróxeno
Cl− ión cloruro	HCl cloruro de hidróxeno
H 2O auga	H 3O+ ión hidronio
${\displaystyle {\ce {NO2-}}}$ión nitrito	${\displaystyle {\ce {HNO2}}}$ ácido nitroso