11.2 Electrolitos - Química 2ed

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

Definir y dar ejemplos de electrolitos.
Distinguir entre los cambios físicos y químicos que acompañan a la disolución de los electrolitos iónicos y covalentes.
Relacionar la fuerza del electrolito con las fuerzas de atracción soluto-solvente.

Cuando algunas sustancias se disuelven en agua, sufren un cambio físico o químico que produce iones en solución. Estas sustancias constituyen una importante clase de compuestos llamados electrolitos. Las sustancias que no producen iones cuando se disuelven se denominan no electrolitos. Si el proceso físico o químico que genera los iones es esencialmente eficiente al 100 % (todo el compuesto disuelto produce iones), entonces la sustancia se conoce como un electrolito fuerte. Si solo una fracción relativamente pequeña de la sustancia disuelta sufre el proceso de producción de iones, se denomina electrolito débil.

Las sustancias pueden identificarse como fuertes, débiles o no electrolíticas midiendo la conductancia eléctrica de una solución acuosa que contenga la sustancia. Para conducir la electricidad, una sustancia debe contener especies cargadas y libremente móviles. La más conocida es la conducción de electricidad a través de cables metálicos, en cuyo caso las entidades móviles y cargadas son los electrones. Las soluciones también pueden conducir la electricidad si contienen iones disueltos, y la conductividad aumenta a medida que aumenta la concentración de iones. La aplicación de un voltaje a los electrodos sumergidos en una solución permite evaluar la concentración relativa de los iones disueltos, ya sea cuantitativamente, midiendo el flujo de corriente eléctrica, o cualitativamente, observando el brillo de una bombilla incluida en el circuito (Figura 11.6).

Este diagrama muestra tres vasos de precipitados separados. Cada uno tiene un cable que se conecta a una toma de corriente. En cada caso, el cable va desde la pared hasta el vaso de precipitados y se divide dando lugar a dos extremos. Un extremo conduce a una bombilla y continúa hasta un rectángulo marcado con un signo positivo. El otro extremo conduce a un rectángulo marcado con un signo negativo. Los rectángulos están en una solución. En el primer vaso de precipitados, marcado como "Etanol sin conductividad", hay cuatro pares de pequeñas esferas verdes unidas y suspendidas en la solución entre los rectángulos. En el segundo vaso de precipitados, marcado como "K C l Conductividad fuerte", se encuentran suspendidas en la solución seis esferas verdes individuales, tres marcadas con signo positivo y tres con signo negativo. Cada una de las seis esferas tiene una flecha que sale de ella y apunta al rectángulo marcado con el signo contrario. En el tercer vaso, marcado como "Solución de ácido acético Conductividad débil", se muestran dos pares de esferas verdes unidas y dos esferas individuales, una marcada con un signo positivo y otra con el signo negativo, suspendidas entre los dos rectángulos. La esfera marcada con el signo positivo tiene una flecha que apunta al rectángulo marcado con el signo negativo y la esfera marcada con el signo negativo tiene una flecha que apunta al rectángulo marcado con el signo positivo.

Figura 11.6 Las soluciones de no electrolitos, como el etanol, no contienen iones disueltos y no pueden conducir la electricidad. Las soluciones de electrolitos contienen iones que permiten el paso de la electricidad. La conductividad de una solución electrolítica está relacionada con la fuerza del electrolito.

Electrolitos iónicos

El agua y otras moléculas polares son atraídas por los iones, como se muestra en la Figura 11.7. La atracción electrostática entre un ion y una molécula con un dipolo se denomina atracción ion-dipolo. Estas atracciones desempeñan un papel importante en la disolución de los compuestos iónicos en el agua.

El diagrama muestra ocho esferas púrpuras marcadas como K superíndice signo positivo y ocho esferas verdes marcadas como C l superíndice signo negativo mezcladas y tocándose cerca del centro del diagrama. Fuera de este grupo de esferas hay diecisiete grupos de tres esferas, que incluyen una roja y dos blancas. Una esfera roja en uno de estos racimos está marcada como O. Una esfera blanca está marcada como H. Dos de las esferas verdes C l superíndice signo negativo están rodeadas por tres de los racimos rojos y blancos, con las esferas rojas más cerca de las esferas verdes que de las blancas. Una de las esferas K superíndice signo positivo púrpura está rodeada por cuatro de los racimos rojos y blancos. Las esferas blancas de estos cúmulos están más cerca de las esferas moradas.

Figura 11.7 Al disolverse el cloruro de potasio (KCl) en el agua, los iones se hidratan. Las moléculas polares de agua son atraídas por las cargas de los iones K⁺ y Cl⁻. No se muestran las moléculas de agua situadas delante y detrás de los iones.

Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, los iones del sólido se separan y se dispersan uniformemente por la solución porque las moléculas de agua rodean y disuelven los iones, reduciendo las fuertes fuerzas electrostáticas entre ellos. Este proceso representa un cambio físico conocido como disociación. En la mayoría de las condiciones, los compuestos iónicos se disocian casi por completo cuando se disuelven, por lo que se clasifican como electrolitos fuertes. Incluso con poca frecuencia, los compuestos iónicos solubles son electrolitos fuertes, ya que la pequeña cantidad que se disuelve se disociará completamente.

Considere lo que ocurre a nivel microscópico cuando se añade KCl sólido al agua. Las fuerzas iónicas dipolares atraen el extremo positivo (hidrógeno) de las moléculas polares de agua a los iones negativos de cloruro en la superficie del sólido, y atraen los extremos negativos (oxígeno) a los iones positivos de potasio. Las moléculas de agua rodean a los iones K⁺ y Cl⁻ individuales, reduciendo las fuertes fuerzas interiónicas que unen a los iones y permitiendo que se desplacen hacia la solución como iones solvatados, como muestra la Figura 11.7. La superación de la atracción electrostática permite el movimiento independiente de cada ion hidratado en una solución diluida a medida que los iones pasan de posiciones fijas en el compuesto no disuelto a iones ampliamente dispersos y solvatados en la solución.

Electrolitos covalentes

El agua pura es un conductor extremadamente pobre de electricidad porque está muy poco ionizada: solo dos de cada mil millones de moléculas se ionizan a 25 °C. El agua se ioniza cuando una molécula de agua cede un protón (ion H⁺) a otra molécula de agua, dando lugar a iones de hidronio e hidróxido.

H_{2} O (l) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {OH}^{–} (a q)

En algunos casos, las soluciones preparadas a partir de compuestos covalentes conducen la electricidad porque las moléculas del soluto reaccionan químicamente con el solvente para producir iones. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno puro es un gas formado por moléculas covalentes de HCl. Este gas no contiene iones. Sin embargo, una solución acuosa de HCl es muy buena conductora, lo que indica que existe una concentración apreciable de iones en la solución.

Como el HCl es un ácido, sus moléculas reaccionan con el agua, transfiriendo iones H⁺ para formar iones hidronio (H_₃O⁺) e iones cloruro (Cl⁻):

Se muestra una ecuación química. A la izquierda, dos átomos de hidrógeno están unidos, cada uno con un solo guion a un átomo de oxígeno central a la izquierda y debajo del símbolo de oxígeno, que tiene dos pares de puntos, por encima y a la derecha del átomo. Se muestra un signo positivo a la derecha y, a continuación, un átomo de hidrógeno unido al lado izquierdo del átomo de cloro mediante un único guion con tres pares de puntos, encima, a la derecha y debajo del símbolo del elemento. Una flecha señala los productos que son tres átomos de hidrógeno unidos por guiones simples a un átomo de oxígeno central mostrado entre paréntesis con superíndice signo positivo. El átomo de oxígeno tiene un solo par de puntos sobre el símbolo del elemento. Esto va seguido de un signo positivo y de un superíndice signo negativo. Este símbolo está rodeado por cuatro pares de puntos, por encima y por debajo y a la izquierda y a la derecha del símbolo del elemento.

Esta reacción es esencialmente 100 % completa para el HCl (es decir, es un ácido fuerte y, en consecuencia, un electrolito fuerte). Asimismo, los ácidos y las bases débiles que solo reaccionan parcialmente generan concentraciones relativamente bajas de iones cuando se disuelven en el agua y se clasifican como electrolitos débiles. El lector puede repasar el análisis de los ácidos fuertes y débiles que se expuso en el capítulo anterior de este texto en las clases de reacciones y la estequiometría.