Energia y cambios pH

Se tiene la impresión de que al mezclar hidrógeno y oxígeno inmediatamente reaccionan y producen agua, pero esto no es así, ya que para que ocurra la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno es necesaria una cierta cantidad de energía que inicie la reacción química a la cual se le llama energía de activación. Esto se proporciona mediante una flama o con una chispa eléctrica, y la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno es tan violenta que produce una fuerte implosión debido a la rápida disminución del volumen de los reactivos (son gases) para formar el producto (agua líquida). Se representa mediante la ecuación química como:

2 H_2(G) + O_2(G) + Energía -------> 2 H₂O_(L) DG = + 118 kcal/mol

Se produce un cambio químico debido a que hay ruptura de enlaces y formación de nuevos enlaces, por lo que hay un reagrupamiento de los átomos, se produce la pérdida de las propiedades físicas y químicas de los reactivos y adquieren nuevas propiedades físicas y químicas los productos.

La ecuación química indica que dos moles de hidrógeno gaseoso más un mol de oxígeno gaseoso más energía suficiente para que ocurra la reacción se producen dos moles de agua líquida y se absorben 118 kilocalorías por cada mol de agua formada, es decir, la reacción es endotérmica.

Esto se puede determinar sabiendo que la reacción química de formación del agua requiere de 440 kcal/mol y que para romper el enlace H-H se requiere de 103 kcal/mol; para romper el enlace O=O de 116 kcal/mol; para el enlace H-O de 110 kcal/mol.

DG _reacción = S(DG)_productos - S(DG)_reactivos = 2 moles(2x110 kcal/mol) - 2 moles(103 kcal/mol) + 1 mol (116 kcal/mol) = 440 kcal/mol - 322 kcal/mol = 118 kcal/mol. Esto indica que la reacción es endotérmica y que hay que agregar 118 kcal por cada 2 moles de agua que se produzca, es decir, 59 kcal por cada mol de agua formada.

Se puede aplicar la ley de la conservación de la masa o de Lavoisier.

2 H_2(G) + O_2(G) + Energía -------> 2 H₂O_(L) DG = + 118 kcal/mol

2 moles(2 g/mol) + 1 mol (32 g/mol) = 2 moles(18 g/mol)

4 g + 32 g = 2(18 g); 36 g = 36 g

La reacción de descomposición del agua, se representa mediante la ecuación química:

2 H₂O_(L) + Energía --------> 2 H_2(G) + O_2(G) DG = -118 kcal/mol

El balance de la energía involucrada en la reacción de descomposición del agua es:

DG_reacción = S(DG)_productos - S(DG)_reactivos = 2 moles(103 kcal/mol) + 1 mol(116 kcal/mol) - 2 moles(2x110 kcal/mol) = 322 kcal - 440 kcal = -118 kcal.

Esto indica que la reacción de descomposición del agua es exotérmica y que se liberan 118 kcal por cada 2 moles de agua que se descompongan.

Comportamiento químico del agua

Estabilidad de la molécula de agua. El agua pura es un compuesto muy estable, es decir, requiere de mucha energía para descomponerse en sus elementos químicos (para romper un mol de enlaces H-O se necesitan 110 kcal). Es tan estable que se requiere de una temperatura de 2700ªC a una presión de una atmósfera para que se descomponga. La estabilidad de la molécula de agua es evidencia de la fuerza de los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno que la forman.

a) Comportamiento con los metales.

El agua reacciona con diferentes elementos químicos produciendo hidrógeno.

Reacciones típicas de metales alcalinos con el agua:

2 HOH_(L) + 2 Li_(S) -------> 2 LiOH_(ac) + H_2(G)

proceso de oxidación: 2 (Li⁰ -----> Li ⁺¹ + e-) el litio se oxida.

proceso de reducción: 2 H¹⁺ + 2 e- -----> H₂⁰ el hidrógeno se reduce.

Como el litio se oxida entonces actúa como agente reductor y como el hidrógeno se reduce entonces actúa como agente oxidante (como un hidrógeno de la molécula H₂O se reduce entonces se dice que el agua actúa como agente oxidante).

Los metales muy reactivos como el sodio y el potasio reaccionan violentamente con el agua fría, liberando hidrógeno y formando la solución el hidróxido correspondiente.

La reacción química entre el sodio y el agua se representa mediante la ecuación química siguiente:

2 HOH_(L) + 2 Na_(S) -----> 2 NaOH_(ac) + H_2(G)

La reacción química entre el sodio y el agua se representa mediante la ecuación química siguiente:

2 HOH_(L) + 2 K_(S) -----> 2 KOH_(ac) + H_2(G)

El sodio, el potasio, el rubidio y el cesio reaccionan con el agua a temperatura ambiente tan rápidamente que el hidrógeno se inflama por la energía liberada, produciendo agua con el oxígeno del aire de acuerdo a la ecuación química siguiente:

2 H_2(G) + O_2(G) + Energía ----> 2 H₂O_(L) DG = + 118 kcal/mol

El calcio y el litio reaccionan más lentamente con el agua que el sodio, el potasio, el rubidio y el cesio. La reacción del calcio con el agua a temperatura ambiente se representa mediante la ecuación química siguiente:

2 HOH_(L) + Ca_(S) -------> Ca(OH)_2(ac.) + H_{2 (G)}

El agua se usa en la producción comercial del hidrógeno, haciendo circular mezclas de hidrocarburo y vapor de agua sobre un catalizador de níquel a temperaturas elevadas. La reacción del hidrocarburo más sencillo, el metano, se representa mediante la ecuación química siguiente:

2 H₂O_(V) + CH_4(G) + Energía ----Ni----> CO_2(G) + 4 H_2(G)

b) Comportamiento del agua con los óxidos metálicos.

Los óxidos de muchos metales son insolubles en el agua y el agua tiene poco o ningún efecto sobre ellos. Pero el agua sí reacciona con los óxidos de los metales muy activos. Los óxidos de sodio, potasio, calcio y bario reaccionan con el agua produciendo el hidróxido correspondiente y son solubles.

La reacción química entre el agua y el óxido de calcio se representa mediante la ecuación química siguiente:

HOH_(L) + CaO_(S) -------> Ca(OH)_{2 (ac)}

c) Comportamiento del agua con los óxidos no metálicos.

Los óxidos de no metales como el carbono, el azufre y el fósforo forman compuestos moleculares con enlaces covalentes polares reaccionan con el agua produciendo el ácido correspondiente.

La reacción química entre el agua y el dióxido de carbono se representa mediante la ecuación química siguiente:

H₂O_(L) + CO_2(G) -------> H₂CO_{3 (ac)}

La ionización del agua pura y la escala de pH

La diferencia del comportamiento físico y químico y de las propiedades de los compuestos electrovalentes y los compuestos covalentes es el resultado de las diferencias en las estructuras químicas de sus moléculas. La conductividad eléctrica es una de esas propiedades y se puede probar fácilmente mediante un circuito eléctrico y una solución acuosa de un compuesto de estos tipos. En general, a todos los compuestos químicos que en solución acuosa conducen una corriente eléctrica se les llama electrolitos.

El agua pura conduce tan poco a la corriente eléctrica que puede considerarse como no conductora de la electricidad. Se ioniza en una proporción de aproximadamente dos moléculas en mil millones.

Probablemente, la ionización de la molécula de agua (óxido de hidrógeno) comience con la formación de un enlace por puente de hidrógeno entre dos moléculas y produce la formación de los iones hidronio e hidroxilo (oxidrilo). Se representa mediante la ecuación química:

H₂O + H₂O <====> H₃O⁺ + OH^- o también como: 2 H₂O <====> H₃O⁺ + OH^-

El ion H₃O⁺ es un protón hidratado (H⁺H₂O) y se conoce como ion hidronio. En cualquier reacción química en intervenga el ion hidronio, la molécula de agua se considera como reactivo y por comodidad, se escribe el ion hidronio como H⁺ o H⁺_(ac). En todos estos casos se entiende que este ion existe en forma hidratada en solución acuosa.

El agua se ioniza muy poco por autoionización, se le conoce como proceso de autoprotólisis. Las mediciones de la conductividad eléctrica del agua pura a 25ªC y una presión de una atmósfera muestran que las concentraciones de iones hidronio e hidroxilo son: 1 mol H₃O+/10⁷ litros de H₂O = 10^-7 mol de H₃O⁺/L de H₂O y de 1 mol OH^-/10⁷ litros de H₂O = 10^-7 mol de OH^-/L de H₂O.

El grado de ionización del agua puede expresarse en %, calculando la concentración de los iones hidronio y de los iones hidroxilo, en moles de iones/mol de H₂O. Es aproximadamente de 0.0000002 % a 25ºC y una presión de una atmósfera.

En 1887, Svante August Arrhenius (1859-1927) introdujo la teoría de la ionización en las soluciones de electrolitos, postuló la formación de iones en soluciones acuosas y definió a un ácido como un compuesto que al entrar en solución acuosa produce el ion hidrógeno (H⁺¹), y una base como un hidróxido que al disociarse en agua produce el ion oxhidrilo (OH^-1). H₂O <=====> H⁺¹ + OH^-1

En 1923, según la teoría de Bronsted (1879-1947)-Lowry (1847-1936) una reacción ácido-base es una competencia entre dos especies químicas por un ion hidrógeno (H⁺¹), el ganador se llama base y el perdedor ácido. Una base es un aceptor del ion hidrógeno y un ácido un donador del ion hidrógeno. Como el isótopo más estable del hidrógeno es el hidrógeno 1 y su ion es un protón, se define ácido como el donador (perdedor) de protones y una base como un aceptor (ganador) de protones.

El agua puede comportarse como ácido o como base (álcali, hidróxido) dependiendo de la sustancia con la que reaccione.

El agua muestra características tanto de ácido como de hidróxido cuando reacciona consigo misma y se establece un equilibrio dinámico, que se representa mediante la ecuación química de la disociación o ionización del agua químicamente pura:

H₂O + H₂O <=====> H₃O⁺¹ + OH^-1

Su constante de equilibrio es: Ke = [H₃O⁺¹] [OH-]/[H₂O]² , de donde Ke[H₂O]² = Kw = [H₃O+1][OH-1], donde [ ] representa la concentración molar. A Kw se le llama producto iónico del agua. Como la reacción de disociación del agua es una reacción endotérmica, de acuerdo al principio de Le Chatelier, Kw se incrementa al aumenta la temperatura.

El valor de Kw se puede determinar mediante varios métodos experimentales diferentes, entre los que está la conductividad. La conductividad del agua químicamente pura es de 5.5x10^-8 ohm^-1 cm^{-1 a 25 ªC.}

Como el grado de disociación del agua pura a 25 ºC es a = 1.81x10^-9 , las concentraciones molares (moles/litro que se representa por M) en el equilibrio de los iones hidronio (H₃O⁺¹) y oxhidrilo (OH^-1) son a 25 ºC: [H₃O⁺¹] = [OH^-1] = (1000 g/L)/18 g/mol)(1.8x10^-9) = 1.0x10^{-7 M. Al sustituir estos valores para Kw =} [H₃O⁺¹] [OH^-1] = (1.0x10^-7 mol/L) (1.0x10^-7 mol/L) = 1.0x10^-14 (mol/L)² .

Se dice que una solución acuosa cuando tiene [H₃O⁺¹] = [OH^-1] es neutra; mientras que cuando tiene [H₃O⁺¹] > [OH^-1] la solución es ácida y cuando tiene [H₃O⁺¹] < [OH-1] la solución es alcalina.

El producto iónico del agua siempre es constante en solución acuosa, a una temperatura determinada, con independencia de la concentración de iones H₃O⁺¹ o de OH^-1

La expresión pX = 1/log X, se usa para definir algunas cantidades que se utilizan en química como: el potencial de hidrógeno (pH), pH = 1/log [H₃O⁺¹] = log 1 - log [H₃O⁺¹]= - log [H₃O⁺¹]; y el potencial de hidroxilo (pOH), pOH = - log {OH^-1} y el pKw = - log Kw. Por lo tanto, una solución acuosa neutra tiene un pH = 7, una ácida tiene un pH <> 7 a 25 ºC. Cuanto más bajo sea el valor del potencial de hidrógeno tanto más ácida será la solución y cuanto más grande sea el valor del pH tanto más alcalina es la solución.

Como la concentración molar del ion hidronio es de 10^-7 mol de H₃O⁺/L de H₂O, entonces el potencial de hidrógeno del agua pura es: pH = log 1/0.0000001 = log 1/10^-7 = log 10⁷ = 7

Como Kw = [H₃O⁺¹] [OH^-1], entonces pKw = pH + pOH = 14, por lo que la escala del potencial de hidrógeno varía de cero a catorce.

La determinación de un ácido o de una base (álcali) se hace por el procedimiento conocido como titulación ácido-base con el auxilio de un indicador químico (compuesto orgánico que se usa para determinar el punto de equivalencia en las reacciones de neutralización) adecuado para el caso y con base en el proceso de neutralización ácido-base (formación de sal y agua) o con un aparato electrónico conocido como potenciómetro o peachímetro.

La mayoría de las células son muy sensibles al grado de acidez del fluido que las rodea.

Para mayor comprensión acerca del pH puedes consultar la sección Algunos experimentos fáciles , al finalizar esa sección podrás encontrar una ESCALA de pH con la que podrás ensayar utilizando diferentes sustancias y comparando su coloración con la escala, así podrás determinar el pH que esa sustancia tiene.

pH escala

La concentración de los iones de hidrógeno en una solución es muy importante para las cosas vivas. Esto es porque, puesto que los iones de hidrógeno se cargan positivamente alteran el ambiente de la carga de otras moléculas en la solución. Poniendo diversas fuerzas en las moléculas, las moléculas se desforman de su forma normal. Esto es particularmente importante para las proteínas en la solución porque la forma de una proteína se relaciona con su función.

La concentración de los iones de hidrógeno se expresa comúnmente en términos de escala del pH. El pH bajo corresponde a la alta concentración del ion de hidrógeno y viceversa. Una sustancia que cuando está agregada al agua aumenta la concentración de los iones de hidrógeno (baja el pH) se llama un ácido. Una sustancia que reduce la concentración de los iones de hidrógeno (aumentos el pH) se llama una base. Finalmente algunas sustancias permiten a soluciones resistir cambios de pH cuando se agrega un ácido o una base. Tales sustancias se llaman los almacenadores intermediarios. Los almacenadores intermediarios son muy importantes en organismos que ayudan mantienen un pH relativamente constante.

Estudiar la carta del pH dada abajo cuidadosamente. Observar que cada disminución del pH por una unidad del pH significa un aumento décuplo en la concentración de los iones de hidrógeno.

fuente http://staff.jccc.net/PDECELL/chemistry/phscale.html

El pH del suelo aporta una información de suma importancia. Uno de los más importantes deriva del hecho de que las plantas tan solo pueden absorber los minerales disueltos en el agua, mientras que la variación del pH modifica el grado de solubilidad de los minerales. Por ejemplo, el aluminio y el manganeso son más solubles en el agua edáfica a un pH bajo, y cuando tal hecho ocurre, pueden ser absorbidos por las raíces, siendo tóxicos a ciertas concentraciones. Por el contrario, determinadas sales minerales que son esenciales para el desarrollo de las plantas, tal como el fosfato de calcio, son menos solubles a un pH alto, lo que tiene como resultado que bajo tales condiciones sean menos disponibles con vistas a ser absorbidos y nutrir las plantas. Obviamente en la naturaleza, existen especies vegetales adaptadas a ambientes extremadamente ácidos y básicos. Empero las producciones agropecuarias suelen basarse en cultivares que soportan ambientes iónicos de las soluciones del suelo menos extremos. En la práctica, resulta infrecuente encontrar suelos con pH inferiores a 3,5 o superiores a 10. En este post, destinado a los estudiantes, relataremos algunos aspectos básicos sobre la importancia que atesora este indicador del estado del medio

El pH es una medida de la concentración de hidrógeno expresado en términos logarítmicos. Los valores del pH se reducen a medida que la concentración de los iones de hidrógeno incrementan, variando entre un rango de 0 a 14. Los valores por debajo 7.0 son ácidos, valores superiores a 7.0 son alkalinos y/o básicos, mientras que los que rondan 7.0 son denominados neutrales. Por cada unidad de cambio en pH hay un cambio 10 veces en magnitud en la acidez o alcalinidad ( por ejemplo: un pH 6.0 es diez veces más ácido que uno de pH 7.0, mientras que un pH 5.0 es 100 veces más ácido que el de 7.0).

Dicho de otro modo, La acidez de un suelo depende pues de la concentración de hidrogeniones [H⁺] en la solución de las aguas y se caracteriza por el valor del pH., que se define como el logaritmo negativo de base 10 de la concentración de H⁺ : pH.= -log₁₀ [H⁺]. Es un elemento de diagnóstico de suma importancia, siendo el efecto de una serie de causas y a su vez causa de muchos problemas agronómicos.

Las letras pH son una mera abreviación de "pondus hydrogenii", traducido del latín como potencial de hidrógeno. Sorensen en 1909, introdujo el concepto para referisrse a concentraciones muy pequeñas de iones hidrógeno. Se trata pues del proponente del concepto de pH. Puede decirse en términos muy básicos, que las sustancias capaces de liberar iones hidrógeno (H+) son ácidas y las capaces de ceder grupos hidroxilo (OH-) son básicas o alcalinas.

El pH del suelo es generalmente considerado adecuado en agricultura si se encuentra entre 6 y 7. En algunos suelos, incluso con un pH natural de 8, pueden obtenerse buenos rendimientos agropecuarios. Sin embargo, a partir de tal umbral las producciones de los cultivos pueden mermarse ostensiblemente. En la mayoría de los casos, los pH altos son indicadores de la presencia de sales solubles, por lo que se requeriría acudir al uso de cultivos adaptados a los ambientes salinos. Del mismo modo, un pH muy ácido, resulta ser otro factor limitante para el desarrollo de los cultivares, el cual puede corregirse mediante el uso de enmiendas como la cal. Del mismo modo, a veces se aplican de compuestos de azufre con vistas a elevar el pH de los suelos fuertemente ácidos.

El p.H de un suelo es el resultado de múltiples factores, entre los que cabe destacar:

• Tipo de minerales presentes en un suelo
• Meteorización (de tales minerales y los que contiene la roma madre)
• Humificación en sentido amplio (descomposición de la materia orgánica)
• Dinámica de nutrientes entre la solución y los retenidos por los agregados
• Propiedades de los agregados del suelo y en especial lo que se denomina intercambio iónico

Cuando nos referimos al pH del suelo, solemos hacerlo a la solución de las aguas del suelo en un momento dado, aunque ya veremos que existen otros tipos de estimaciones. En consecuencia, estimamos la fracción activa de iones hidrógeno [H⁺]. En base a esta última podemos clasificar los suelos según su grado de acidez en los siguientes tipos:

• Muy ácido → pH. <>
• Ácido → 5,6<>
• Neutro → 6,6 > pH <>
• Básico o ligeramente alcalino →7,6 > pH > 8,5
• Muy alcalino → pH > .8,6

Las condiciones de acidez se dan con mayor frecuencia en:

· Las regiones de alta pluviometría

· Cuando las bases son desplazadas por los hidrogeniones o captadas por las plantas

· Secreción de sustancias ácidas por las raíces de las plantas

· Compuestos ácidos formados en la descomposición de la materia orgánica

· Suelo jóvenes desarrollados sobre substratos sumamente ácidos

· Contaminación atmosférica que da lugar a las denominadas lluvias ácidas

· Drenaje de ciertos suelos hídricos o encharcados ricos en pirita (suelos ácido sulfáticos), como ocurre con los manglares

· Etc.

Por tanto, en muchos países Latinoamericanos los problemas de acidez son muy relevantes en lo que concierne a las producciones agro-pastorales, como ya analizaremos en otro post. Lo contrario es cierto, con frecuencia, para los suelos alcalinos. En otras palabras, Las condiciones de alcalinidad se dan preferentemente en:

• En regiones con escasez de agua (áridas y semiáridas)
• Cuando el complejo de cambio (complejo coloidal) se encuentra saturado de bases
• Escasa actividad biológica de los suelos (debido generalmente a déficits prolongados de agua)
• Cuando por determinadas circunstancias la meteorización de minerales producen cationes que no se lavan o lixivian (por ejemplo, debido a la susodicha aridez)
• Cuencas endorreicas en donde se acumulan los iones lixiviados de las aguas que drenan allí
• Suelos poco desarrollados sobre substratos ricos en sales
• Deficiente manejo del agua en los regadíos
• Etc.

Factores que afectan al pH. Obviamente nos referimos a todos aquellos que influyen sobre la concentración de [H⁺] en el suelo:

• Producción de CO₂ que pasa a H₂CO₃ generando Hidrogeniones (la atmósfera del suelo suele ser mucho más rica en anhídrido carbónico que la que se encuentra sobre él)
• Presencia en el suelo de ácidos orgánicos de bajo peso molecular como acético, cítrico, oxálico, etc... (los residuos de ciertos tipos de plantas suelen tener mucho que ver)
• Presencia en el suelo de ácidos fuertes como nítrico y sulfúrico desprendidos por la actividad microbiana
• Humus que contienen grupos funcionales de tipo carboxílicos, fenólicos, enólicos, etc... (de nuevo la naturaleza de los residuos vegetales que se aporten al suelo son de suma importancia)
• Abundancia en el suelo de óxidos de Fe y Al, que en medio ácido pueden modificar considerablemente el pH
• Sales solubles ácidas, básicas o neutras, las cuales se acumulan en el suelo ya sea por

• Meteorización de los minerales presentes en el medio edáfico
• Mineralización (descomposición) de la materia orgánica que se incorpora al suelo
• Composición de las aguas de riego (resulta de suma importancia corregirla cuando no es de buena calidad respecto al tema que aquí nos ocupa)
• Adición de ciertos tipos de fertilizantes
• Estado de óxido reducción de los tipos de suelo o edafotaxa (es decir. grado de drenaje-encharcamiento del agua)

Como ya comentamos, en realidad pueden estimarse dos tipos de pH:

• pH actual: Es la derivada de la concentración de [H⁺] en la solución del suelo
• pH de cambio o acidez potencial: Considera la concentración y proporción de los hidrogeniones que se encuentran absorbidos o retenidos por el complejo de cambio (principalmente en los agregados del suelo).

El rango óptimo de pH sobre el que crecen vigorosamente la mayor parte de las plantas cultivadas oscila entre 6.0 a 7.0. Es decir hablamos de suelos moderadamente ácidos o neutros. Este hecho es debido a que la mayor parte de las sustancias nutritivas para las plantas, presentes en la solución del suelo, son fácilmente asimilables o absorbidas por las raíces en el susodicho intervalo.

Para finalizar por hoy digamos tan solo que, el pH del suelo influye en el desarrollo de las plantas y viceversa, la acidez también, en parte, el resultado de los lixiviados y descomposición de los restos vegetales, así como de la actividad biológica del suelo. A modo de ejemplo, el intercambio catiónico realizado por las raíces de las plantas disminuye la estima del pH del suelo, influyendo también la descomposición del humus, así como la respiración de los organismos del suelo. (Ver también el enlace: Energía y cambios. pH).