¿Es el ácido ortobórico un ácido de Brönsted-Lowry?

Desde el momento que escribimos H3BO3 comienza la duda. Por su fórmula química (y si comparamos con el ácido ortofosfórico, H3PO4, por ejemplo) puede parecer un ácido triprótido o triprótico (con 3 átomos de hidrógeno ácidos, “3 protones” en la jerga del químico) pero lo cierto es que no (ver nota 4). El ácido ortobórico no es un ácido triprótico. Es más, el estudio del comportamiento ácido-base del ácido ortobórico va más allá de la teoría de Brönsted-Lowry (recuerda que las teorías ácido-base más empleadas en Química fueron explicadas en Nunca le preguntes a un químico qué es un ácido o una base si tienes prisa).  Llegamos a una “polémica química”: para muchos químicos, el ácido ortobórico no debe ser considerado un ácido de Brönsted-Lowry propiamente dicho. ¿Cómo es posible? Seguro que todos hemos leído en muchos libros reacciones de este tipo (ver nota 5):

H3BO3 (ac) + H2O (l) ⇌ H2BO3 (ac) + H3O+ (ac)

Incluso algunos libros antiguos de Química consideraban HBO2 como fórmula para el ácido bórico a fin de poner de manifiesto que el ácido bórico “sólo cede un protón” (ver nota 2).

HBO2 (ac) + H2O (l)⇌ BO2(ac) + H3O+  (ac)

No obstante, esto es incorrecto pues el HBO2 no es el ácido ortobórico sino el ácido metabórico (el prefijo orto suele omitirse en los oxoácidos de B, P, As, Sb y Si). Entonces, ¿qué ocurre con el ácido ortobórico?¿Cómo explicar que una disolución acuosa de ácido ortobórico tenga pH<7? En definitiva, ¿cómo justificar la acidez del ácido ortobórico?

 

Modelo molecular del ácido ortobórico elaborado por Sergio Cuesta Galisteo, un olímpico de la Química (¡literalmente!), que rápidamente dio con la respuesta a la acidez del ácido ortobórico a través de @ehfdquimica. Tal y como nos adelantaba Sergio: “Ese orbital p vacío Lewis Moreno”. 

Para responder a esta pregunta, que surge tanto en Bachillerato (ver nota 1) como en las enseñanzas universitarias (ver nota 2), debemos atender al átomo central de esta especie: el boro. El boro presenta hibridación sp2, estando unido a 3 grupos OH en la molécula de ácido ortobórico. Así, en lugar de H3BO3, podríamos escribir perfectamente B(OH)3, lo cual concuerda con el nombre trihidroxidoboro de acuerdo con la nomenclatura de adición según las normas de Formulación y Nomenclatura IUPAC (libro rojo) actuales (vernota 3). Visto así podía parecer un hidróxido y podríamos pensar que es una base… ¡Pero no!

En estado sólido, las moléculas de ácido ortobórico se unen mediante enlaces de hidrógeno formando capas, las cuales se unen entre sí mediante fuerzas de Van der Waals; lo que explica que el ácido ortobórico sea empleado como lubricante y que tenga tacto resbaladizo.  Fuente: Cerawiki.

El B(OH)3 actua como ácido de Lewis o mejor dicho, en todo rigor, el átomo de B actúa como ácido de Lewis debido a que presenta un orbital 2pz vacío y estable que puede alojar un par de electrones aportado por el oxígeno de una molécula de agua (base de Lewis). Así se forma la especie B(OH)3(H2O) que es el auténtico ácido de Brönsted-Lowry (equivale a un ácido monoprótico de pKa= 9, un ácido bastante débil) pues cede un protón a una molécula de agua, formando la especie B(OH)4.

Las reacciones correctas serían por tanto:

B(OH)3 (ac) + H2O (l)⇌ B(OH)3(H2O) (ac)

B(OH)3(H2O) (ac) + H2O (l)⇌ B(OH)4 (ac) + H3O(ac)

Lo que en ocasiones se suele escribir como:

B(OH)3 (ac) + 2H2O (l) está en equilibrio con B(OH)4 (ac) + H3O+(ac)

Ecuación química que resulta de sumar las dos ecuaciones químicas superiores y algo engañosa, pues si no se tiene en cuenta de qué ecuaciones químicas procede puede confundirnos ya que da la impresión de que es la molécula de ácido ortobórico la que cede el protón… ¡Y no es así! Al menos, de forma preferente. (ver nota 5)

Ácido ortobórico preparado por Javier Corpas Pardo (@javicorpas94), joven estudiante de Química de la Universidad Autónoma de Madrid con gran pasión por la Química que nos envió las imágenes a @ehfdquimica. 

Sin duda, una Química particular (como toda la Química del boro) que si no se conoce puede llevar a error. Un ácido para comentar en clase. ¡Hay mucha Química curiosa detrás de este ácido “doblemente” engañoso!

Notas:

1) Para la enseñanza preuniversitaria: Cabe destacar que aunque la mayoría de libros de texto de Química de 2º de Bachillerato (primer curso en el que se estudia la Química ácido-base con más detalle en el temario español) no incluyen la Teoría ácido-base de Lewis, los libros de Química para 2º Bachillerato de la editorial SM y de la editorial Bruño incluyen una explicación bastante elaborada sobre la teoría electrónica de ácidos y bases (Gilbert Newton Lewis, 1938), no incluida en los temarios oficiales de Química de 2º Bachillerato  ya que aunque el BOE sí contempla la revisión de la interpretación del carácter ácido-base de una sustancia, la mayoría de textos se centran en las reacciones de transferencia de protones, que sí aparecen recogidas en el temario de forma explícita, lo que implica trabajar con las teorías de Arrhenius y de Brönsted-Lowry en exclusividad.

2) Para la enseñanza universitaria: En las asignaturas de Química General, Equilibrios iónicos y aplicaciones analíticas, Química Analítica y cálculos químicos en disolución de los primeros cursos de Grado en Química y en Ciencias suele adoptarse la postura de considerar al ácido ortobórico como HBO2 (aunque es erróneo) y realizar los cálculos como si se tratase de un ácido monoprótico. Aunque los resultados numéricos son los mismos (se obtiene el mismo valor de pH al resolver los problemas), es especialmente importante no incurrir en esta mala práctica pues estaríamos aplicando una teoría química, la teoría de Brönsted-Lowry, más allá de sus “condiciones de contorno”; un error que en Ciencia no debemos cometer.

Fragmento de apéndice con valores de pKa de varios ácidos en el que podemos observar la formulación incorrecta del ácido (orto)bórico. También se incluye al ácido carbónico en esa lista. ¿Podemos considerar al ácido carbónico como una especie química real en disolución? Otro tema químico “polémico”, que se sigue discutiendo, y que abordaremos más adelante en este espacio.

3) Las normas de Formulación y Nomenclatura Inorgánica mencionadas en el artículo se pueden encontrar en la web de la IUPAC (en inglés). En FisQuiWeb puedes encontrar varias recomendaciones didácticas elaboradas por Luis Ignacio García, muy recomendables. También puedes encontrar una tabla resumen en los modelos de exámenes PAU de Química de la Comunidad de Madrid (el modelo 2013-2014 se encuentra disponible en este enlace).

4) Aunque es habitual hablar de protones, catión hidrógeno (H+), realmente esta especie no tiene existencia en disolución y por ello debemos escribir H3Oen todas las reacciones de disociación ácida en medio acuoso. Ello no excluye la formación de especies hidratadas superiores aunque a efectos de estudio de fenómenos ácido-base, el catión oxonio o hidronio (H3O+) suele ser el considerado habitualmente.

5) Algunos libros, sobre todo clásicos, de Química Inorgánica sostienen que el ácido ortobórico sí puede actuar como ácido de Brönsted-Lowry con un valor de pKa=9,22. No obstante, aunque la reacción se produzca, es más recomendable en términos químicos actuales, el estudio de la acidez del ácido ortobórico atendiendo a la teoría electrónica ácido-base de Lewis para la formación de la especie B(OH)3(H2O), ácido de Brönsted-Lowry con mayor tendencia a ceder un protón (pKa=9) que la molécula de ácido ortobórico de la que procede (pKa=9,22), que además conduce a la formación de B(OH)4, especie presente en disoluciones acuosas de ácido bórico y que además tiene existencia en estado sólido.

6) Este post participa en la edición Ga del Carnaval de Química que organiza ZTFnews.

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