Demostración del anfoterismo utilizando los hidróxidos como ejemplo
La dualidad química se confirma visualmente al comparar bases insolubles. Para el experimento, se obtienen suspensiones de hidróxido de magnesio e hidróxido de zinc. Esto se logra mediante precipitación: se añade un álcali a las sales solubles de estos metales (por ejemplo, sulfatos).
El hidróxido de magnesio ($Mg(OH)_2$) actúa como una base típica. Entra fácilmente en una reacción de neutralización con ácido clorhídrico, formando agua y cloruro de magnesio, pero no interactúa en absoluto con álcalis como el hidróxido de sodio.
El hidróxido de zinc ($Zn(OH)_2$), por el contrario, se comporta como un compuesto anfótero:
- Con un ácido, muestra propiedades básicas clásicas: $Zn(OH)_2 + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + 2H_2O$.
- Con un álcali, se comporta como un ácido, uniéndose a iones $OH^-$ adicionales. Como resultado, se forma un complejo soluble (tetrahidroxozincato de sodio): $Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$.
Ionización y clasificación de hidróxidos insolubles
En un medio acuoso, el hidróxido de zinc anfótero es capaz de ionizarse de dos maneras:
- Tipo básico: se desprende el ion hidróxido ($OH^-$) y se forma el catión $Zn(OH)(H_2O)^+$.
- Tipo ácido: se desprende un protón ($H^+$) y se forma el anión $Zn(OH)_3^-$.
Las segundas etapas de disociación en ambas direcciones ocurren de manera extremadamente débil.
Según el grado de expresión de las propiedades duales, los hidróxidos insolubles se dividen en dos grupos:
- Hidróxidos anfóteros típicos: estos incluyen compuestos de aluminio ($Al(OH)_3$), cromo ($Cr(OH)_3$), estaño ($Sn(OH)_2$) y plomo ($Pb(OH)_2$). Se disuelven sin problemas en soluciones diluidas tanto de ácidos como de álcalis.
- Compuestos con anfoterismo débil: hidróxidos de hierro (II) y cobre (II). En ellos predominan las propiedades básicas (hay neutralización con ácidos diluidos), y los signos ácidos solo se pueden detectar al tratarlos con álcalis concentrados.
Óxidos anfóteros
Los óxidos correspondientes a los metales enumerados anteriormente también poseen carácter anfótero. Al fundirlos con álcalis sólidos, se produce una reacción química con la formación de sales oxigenadas, cuya estructura es similar a la de las sales de ácidos tradicionales.
Un ejemplo clásico es la interacción del óxido de aluminio con sosa cáustica a altas temperaturas: $Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + H_2O\uparrow$. En esta reacción, el óxido de aluminio cumple la función de anhídrido de ácido, formando aluminato de sodio sólido y agua, que se evapora.
Propiedades ácido-base de las sales
Desde un punto de vista teórico, cualquier sal posee anfoterismo, ya que su catión es un ácido y su anión es una base. En la práctica, este fenómeno es notable en sales formadas por la combinación de una base débil y un ácido débil. Un ejemplo ideal es el acetato de amonio ($CH_3COONH_4$). La fuerza de sus partes constituyentes (el catión $NH_4^+$ y el anión $CH_3COO^-$) es absolutamente igual. Durante la hidrólisis, las concentraciones de iones hidronio ($H_3O^+$) y de hidróxido ($OH^-$) coinciden y ascienden a $1 \cdot 10^{-7}$ mol/L, lo que da un medio estrictamente neutro ($pH = 7$).
Las propiedades duales también son características de las sales ácidas, por ejemplo, aquellas que contienen el ion bicarbonato ($HCO_3^-$). En solución, se somete simultáneamente a hidrólisis (como base, formando $OH^-$) y a disociación (como ácido, formando $H_3O^+$).
En la práctica, el anfoterismo del bicarbonato de sodio se confirma mediante reacciones:
- Con hidróxido de sodio se forma una sal neutra (carbonato de sodio) y agua.
- Con ácido cítrico se libera dióxido de carbono.
Si a una solución saturada de bicarbonato de sodio (con una fracción de masa del 8,8%) y sedimento no disuelto se le añaden gránulos de $NaOH$ sólido y se mezcla, el sedimento desaparecerá. Esto demuestra directamente la manifestación de propiedades ácidas. Sin embargo, en la solución acuosa de bicarbonato de sodio, las propiedades básicas prevalecen sobre las ácidas, por lo que el medio resulta ser ligeramente alcalino.
Compuestos orgánicos
En química orgánica, el anfoterismo tiene una importancia colosal para los sistemas biológicos. Los representantes destacados de los compuestos con propiedades duales son los aminoácidos, los monómeros estructurales de las cadenas polipeptídicas. Las propias proteínas también conservan la capacidad de comportarse tanto como ácidos como bases, lo que determina sus propiedades amortiguadoras (buffers) en el plasma sanguíneo y en los tejidos.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué grupos funcionales determinan las propiedades anfóteras de los aminoácidos?
Las propiedades anfóteras de los aminoácidos se deben a la presencia de dos tipos de grupos funcionales en sus moléculas.
- El grupo carboxilo ($-COOH$) determina las propiedades ácidas.
- El grupo amino ($-NH_2$) determina las propiedades básicas.
En solución acuosa, los aminoácidos existen como iones dipolares debido a la neutralización interna. Sin embargo, este proceso no elimina la actividad química de los grupos ácidos y básicos, por lo que conservan la capacidad de reaccionar tanto con ácidos como con bases.
¿Mediante qué residuos de aminoácidos las proteínas del plasma sanguíneo realizan la función amortiguadora?
El sistema amortiguador de proteínas de la sangre funciona debido a los grupos carboxilo y amino libres que forman parte de los radicales de los aminoácidos ácidos y básicos.
- Aminoácidos ácidos (glutamato, aspartato): contienen un grupo carboxilo adicional que confiere una carga negativa.
- Aminoácidos básicos (lisina, arginina): contienen un grupo amino adicional que confiere una carga positiva.
Cuando entran ácidos en la sangre, los grupos amino se unen al exceso de protones, y cuando entran bases, los grupos carboxilo ceden protones para neutralizarlos. En la sangre funciona predominantemente el buffer proteico aniónico.
Para memorizar los metales que forman hidróxidos anfóteros típicos, utilice la frase: «Cromo, Aluminio, Plomo, Estaño, Zinc — CaAPSZn» (o la regla mnemotécnica correspondiente). Y el cobre y el hierro (II) son solo una «sombra débil» del anfoterismo.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el hidróxido de zinc se disuelve en exceso de álcali?
En un medio alcalino, el hidróxido de zinc muestra propiedades ácidas. Se une a iones hidróxido adicionales, lo que da como resultado la formación de una sal compleja soluble en agua: el tetrahidroxozincato de sodio.
¿Es neutra la solución de bicarbonato de sodio?
No. En la solución de bicarbonato de sodio ocurren en paralelo la hidrólisis y la ionización del residuo ácido. Dado que las propiedades básicas del ion bicarbonato están expresadas con más fuerza, la reacción final del medio se vuelve ligeramente alcalina.
¿Es posible detectar propiedades ácidas en el hidróxido de hierro (II)?
Sí, pero es un hidróxido con anfoterismo débil. Sus propiedades ácidas solo se pueden fijar al exponerlo a soluciones alcalinas concentradas.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismo de formación de complejos de hidroxi en reacciones con álcalis
- Ionización escalonada de hidróxidos anfóteros en soluciones acuosas
- Hidrólisis competitiva y disociación de sales ácidas
- Fusión de óxidos anfóteros con álcalis sólidos: condiciones y productos
- Propiedades de los hidróxidos con anfoterismo débil (cobre, hierro)
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