Carácter Acido de Cationes y Propiedades Anfóteras de Hidróxidos

Carácter Acido de Cationes y Propiedades Anfóteras de Hidróxidos

Objetivo 

Observar el comportamiento ácido de unos cationes, como consecuencia de su reacción de hidrólisis; de acuerdo al pH de sus soluciones, se clasificara a estos cationes, en cationes no-ácidos, ácidos muy débiles, ácidos débiles, ácidos moderados, ácidos fuertes y ácidos muy fuertes. También, se comprobará el comportamiento anfótero de los hidróxidos que forman algunos cationes en su reacción de hidrólisis o en su reacción con hidróxido de sodio y el carácter reductor del catión Sn2+ en medio básico, para observar la formación de los aniones hidróxido de Sn2+ y Sn4+.

Introducción 

Los cationes de la mayoría de elementos pueden presentar propiedades ácidas, es decir pueden acidificar sus soluciones o bajar el pH del agua neutra cuando alguna de sus sales se disuelve en ella. Esta propiedad está directamente relacionada con la carga y el tamaño del catión, así, considerando su razón carga cuadrada-radio, Z2/r, los cationes se pueden poner en una categoría de carácter ácido. Cationes que presentan valores medios o altos de la razón Z2/r se comportan como cationes ácidos, debido a que sufren reacciones de hidrólisis, es decir, interaccionan fuertemente con las moléculas de agua de su esfera de coordinación, que fracturan a la molécula. La ecuación general para la reacción de hidrólisis de un catión se puede esquematizar de la siguiente manera:

                [M(OH2)6]Z+  +  H2O  ↔  [M(OH2)5(OH)](Z-1)+  +  H3O+

La extensión de la reacción de hidrólisis depende del carácter ácido del catión. Sí estos son cationes no-ácidos al disolver en agua alguna sal de este tipo de cationes, sólo formará iones hidratados [M(OH2)6]Z+ y [X(OH2)6]n−.

Cuando el catión presenta algún grado de carácter ácido, como catión ácido muy muy débil, únicamente en mediciones muy sensibles podemos detectar la acidez de su solución; la Z2/r de este clase de cationes está en el intervalo de 0.00 a 0.01 si la electronegatividad de Pauling, χP, es mayor de 1.8 y en el intervalo de 0.01 a 0.04 si la electronegatividad de Pauling es menor que 1.8.

Un catión con carácter acido débil, moderado, fuerte y muy fuerte formará soluciones ácidas con diferente grado de acidez o con diferente pH en el intervalo de 7 a 0.

Los cationes ácidos débiles, cuya Z2/r está en el intervalo de 0.01-0.04 (si χP > 1.8) o en intervalo de 0.04-0.10 (si χP < 1.8), formarán en su reacción de hidrólisis únicamente hidroxicationes, [M(OH2)5(OH)](Z-1)+.

Los cationes ácidos moderados, cuya Z2/r está en el intervalo de 0.04-0.10 (si χP > 1.8) o en intervalo de 0.10-0.16 (si χP < 1.8) y formarán en su reacción de hidrólisis los hidróxidos del metal, M(OH)Z, que para está clase de cationes el hidróxido del metal del que proviene el catión, precipitará o dará turbidez a la solución.

La ecuación de la reacción de formación de un hidróxido de metal es:

                Z[M(OH2)5(OH)](Z-1)+  ↔  M(OH)Z  +  (Z-1) [M(OH2)6]Z+ 

Los hidróxidos de metales insolubles pueden formar los óxidos del metal cuando permanecen en solución, ya que es difícil saber cuando pasará esto, no se puede distinguir con certeza entre el hidróxido y el óxido. La reacción de formación del óxido insoluble es:

                M(OH)Z(S)  ↔ MOZ/2(S)  +  Z/2 H2O

La razón carga cuadrada-radio (Z2/r) para los cationes que se comportan como cationes ácidos fuertes está en el intervalo de 0.10-0.16 (si χP > 1.8) y en el intervalo de 0.16-0.22 (si χP < 1.8) formarán en su reacción de hidrólisis el hidróxido del metal, los cuales pueden ser solubles o insolubles en agua; por ejemplo el W6+ puede formar el hidróxido soluble en agua. Los cationes ácidos muy fuertes tienen una Z2/r de 0.16 o mayor, si la χP > 1.8 y mayor de 0.22 si la χP < 1.8. Estos cationes forman en su reacción de hidrólisis hidróxidos insolubles u oxianiones, de fórmula general MOxy−.

La constante de la reacción de hidrólisis de un catión se denota como Ka, análoga a las constantes de acidez de los ácidos débiles. Generalmente se dan los valores de la pKa, debido a que los valores más bajos de pKa y de pH corresponden a una extensión más grande de hidrólisis. La extensión de la hidrólisis se incrementa con la carga del catión, con la χP y con el decrecimiento del radio del catión (rMZ+).

Los aniones hidróxido se pueden formar para cationes que son ácidos moderados, a partir de sus hidróxidos u óxidos insolubles en soluciones fuertemente básicas. Para Al3+ que es un catión ácido moderado su anión hidróxido, AlOH4−, se forma disolviendo el Al(OH)3(S) en solución de NaOH o KOH. Se conocen aniones hidróxido para varios cationes moderados: Be(OH)42−, Cr(OH)63−, Fe(OH)64−, Fe(OH)63−, Ag(OH)2−, Au(OH)4−, Zn(OH)42− y Cd(OH)42−.

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