pH y Hammett

¿Qué es el pH? [Pregunta de examen de Secundaria de “Física y Química] y su respuesta para esas edades es “medida de la acidez del medio”. ¿De qué medio? Del medio que estemos midiendo, se sobreentiende. Pero, no nos acaba de convencer..., ¿verdad? Porque en realidad, su definición exacta es matemática, y sería tal que así: “el pH es el logaritmo negativo de la concentración de protones H⁺ (iones ácidos, por ejemplo, si el medio es acuoso sería H₃O⁺) del medio” y se expresa realmente sin palabras por medio de una ecuación matemática:

(Vía)

¡Exultad con semejante belleza matemática!, que nos habla de conceptos de química básica muy importantes como la constante ácida/básica de la disociación de un ácido/base. Por ejemplo, la primera ecuación se refiere a una reacción tal que así: HA + H₂O → H₃O⁺ + A^-, y creo que el resto es fácil de seguir, pero si no ¡no os cortéis! Preguntad, por favor.

Al final es una escala que va del 1-14, y tiene su contrario, el pOH para medir la basicidad del medio (el menos logaritmo de la concentración de iones OH^-). Ya hemos visto que existen una manera lúdico-educativa de medirlo utilizando la col lombarda, lo normal para medirlo más o menos es usar papel indicador y comparar el color con los que aparecen en la caja, y para ser mucho más precisos se utilizan unos aparatos llamados pHmétros. Podemos seguir a nivel básico diciendo que todas aquellas sustancias con pH menor que 7 (que se considera el pH neutro y que es el pH fisiológico, es decir, el del interior de las células, en situación normal porque existen mecanismos de regulación del pH según la actividad celular) y básico si es mayor que 7.

Pero, ¿cuál es la diferencia entre medir una disolución 1 M de HCl y otra de la misma concentración de ácido sulfúrico? Ninguna.

Así que tenemos una nueva función, llamada de Hammett: H₀= -log a_H+ f_B/f_BH+ donde a_H, f_B y f_BH+ representan los coeficientes de actividad, en disolución, de los protones, la base y su ácido conjugado, respectivamente.

Existe una relación similar cuando un ácido de Lewis (A) reacciona con la base (B) para formar A-B: H₀= -log a_A f_B/f_AB

Cuando un indicador en su forma básica (I) se adsorbe sobre un sólido ácido, este se convierte en su ácido conjugado, y así, se tiene: H₀= -log a_H+ f_I/f_IH+ o H₀= pK_IH+ - log C_IH+/C_I donde: -a_H⁺, f_I y f_IH⁺, son ahora los coeficientes de actividad, en el sistema heterogéneo, de las especies indicadas,

• C_I y C_IH, son las concentraciones de las formas básica y ácida del indicador.
• pK_IH es el logaritmo negativo de la constante de equilibrio de la reacción superficial: I + H⁺ ↔ IH⁺

El indicador adquiere el valor de la forma ácida cuando el valor de la función H₀ de la superficie es igual o menor que el pKa del ácido conjugado del indicador.

¿Qué aporta esta función sobre la del pH? Pues que abarca más que este, y ahora que se están desarrollando nuevos catalizadores sólidos tanto ácidos como básicos, es importante determinar la acidez: según la reacción para la que se empleen (desde craqueo de petróleo hasta fabricación de fármacos o de otros productos de valor añadido).

Figura de José María Marinas (Universidad de Córdoba)

En la figura anterior podemos ver la diferencia entre el pH y la fortaleza de Hammett, en la que aparecen sustancias como los superácidos o las zeolitas, o el Nafion. Ahora mismo los químicos somos capaces de diseñar distintos catalizadores ajustándonos a la acidez o basicidad requerida para la reacción de interés. De esto trata la catálisis heterogénea, uno de los pilares de la Química Sostenible: diseñar productos y procesos más seguros. La ventaja de trabajar con catalizadores sólidos como las zeolitas es que son mucho menos peligrosos que usar grandes cantidades de ácido o base concentrados. Como me dijeron unas niñas de un cole cuando por el Año Internacional de la Química les hicimos experimentos: ¿trabajas con eso que es tan malo que lo quema todo?, refiriéndose a nuestro "amigo" el ácido sulfúrico. Por cierto, el ácido sulfúrico será corrosivo, pero el ácido fluorhídrico ¡viene en botellas con tapón de seguridad!: una sola gota puede llegar hasta el tejido óseo y necrosarlo, una barbaridad...

Con la catálisis heterógenea, conseguimos varios principios de la Química Sostenible, reduciendo la cantidad de residuos (porque se consigue una mayor selectividad al producto deseado y se puede reciclar el catalizador en la mayoría de los casos), y trabajando en condiciones más seguras y que requieren un menor gasto energético y de disolventes.

Bibliografía

Apuntes de la asignatura de Catálisis Heterogénea, impartida por José María Marinas, Alberto Marinas (Universidad de Córdoba) y José Manuel López Nieto (ITQ, Valencia)

Este post participa en el XVII Carnaval de Química alojado en el blog Un geólogo en apuros

http://www.ungeologoenapuros.es/wp-content/uploads/2012/07/carnaval-quimica.jpg