1 Generalità. Teoria acido-base 1. Il ph. HCl H + + Cl (acido) NaOH Na + + OH (base)

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1 Il p 1 Generalità O 104 δ+ δ- igura 1 La struttura molecolare dell acqua (in evidenza la sua polarità) L acqua ( 2 O) è il solvente più diffuso in natura. Realizza miscugli di ogni genere sia con sostanze inorganiche (minerali) che con sostanze organiche (composti del carbonio). In questa sede ci occuperemo delle soluzioni ioniche, ovvero quei miscugli omogenei che l acqua realizza con le sostanze ioniche solubili, completamente o parzialmente, in essa. L acqua è una sostanza polare. Ciò è dovuto al fatto che essa è composta da 2 atomi di idrogeno () e 1 di ossigeno (O). L idrogeno ha un elettronegatività pari a 2,1; l ossigeno ha un elettronegatività pari a 3,5. Questa differenza fa sì che l ossigeno tiri a sé parte della carica negativa (δ-) dell idrogeno (δ+) producendo così un dipolo permanente (figura 1) nella molecola (per maggiori approfondimenti si veda il Percorso 3). Tutte le sostanze che posseggono all interno della loro struttura molecolare dipoli sono polari, ed avendo una certa affinità con l acqua vengono sciolte da quest ultima. Citiamo ad esempio il cloruro di sodio (NaCl), l alcol etilico (C 2 5 O), il glucosio (C 6 12 O 6 ). Vi è anche un altra categoria di sostanze, le cui strutture molecolari sono ordinate e i legami coinvolti sono covalenti. Ricordiamo che gli atomi che producono legami covalenti puri mettono in comune gli elettroni spaiati del guscio esterno; queste molecole sono molto simmetriche e stabili. Le molecole covalenti pure, avendo una distribuzione di carica elettronica (negativa) molto simmetrica, sono classificate come apolari e non vengono sciolte dall acqua che, come abbiamo detto, è una molecola con una certa polarità. Esempi di molecole perfettamente apolari e insolubili in acqua sono gli idrocarburi come ad esempio l esano (C 6 14 ). Teoria acido-base 1 La teoria acido-base di Arrhenius afferma che un acido è una sostanza che in acqua sviluppa ioni idrogeno ( + ), mentre una base in acqua sviluppa ioni ossidrili (O ): 2O Cl + + Cl (acido) 2O NaO Na + + O (base) igura 2 Svante Arrhenius ( ) 1

2 Il p La regola della solubilizzazione afferma che il simile scioglie il simile. Ovviamente la solubilità non è infinita. Infatti, mescolando un soluto con un solvente il primo verrà sciolto fino a che non si sarà raggiunta la saturazione: continuando ad aggiungere dell altro soluto si osserverà che questo non verrà più sciolto. L acqua può sciogliere le sostanze ad essa affini con due tipi di meccanismi: 1) idratazione dei centri polari delle molecole idrofile. L acqua si «coordina» attorno alle molecole polari come lo zucchero da cucina (saccarosio, C1222O11), realizzando delle deboli interazioni dipolo-dipolo di natura elettrostatica e solvatando (sciogliendo) le molecole stesse; 2) formazione di specie ioniche, come il cloruro di potassio (KCl) che si scioglie in acqua scindendosi completamente in ioni (K+ e Cl ). Le sostanze che in acqua producono ioni vengono dette elettroliti e si dividono in elettroliti forti come l acido nitrico (NO3), l acido cloridrico (Cl), l idrossido di sodio (NaO) ecc., che si dissociano completamente in ioni, ed elettroliti deboli come l acido formico (COO), l acido acetico (C3COO), l idrossido d ammonio (N4O) ecc., che si scindono solo parzialmente in ioni. Teoria acido-base 2 La teoria acido-base di Bronsted afferma che un acido è una sostanza che cede protoni (ioni +) mentre una base li acquista. Qualsiasi equilibrio di dissociazione di un acido o di una base è sempre un equilibrio acido-base: Acido Base + + Base + + Acido igura 3 Joannes Nicolaus Bronsted ( ) Teoria acido-base 3 La teoria acido-base di Lewis afferma che un acido è una sostanza che acquista un doppietto elettronico, mentre una base è una sostanza che cede un doppietto elettronico. Un esempio è la reazione tra trifluoruro di boro e ammoniaca. B Acido di Lewis igura 4 Gilbert Newton Lewis ( ) 2 + N Base di Lewis B N

3 Il p 2 Equilibrio di dissociazione dell acqua L acqua ( 2 O) è un elettrolita molto debole. L equilibrio di dissociazione è dato dalla seguente reazione: 2 O + + O Dalla quale, per la legge dell equilibrio chimico, possiamo scrivere la costante di dissociazione relativa alla concentrazione molare delle specie all equilibrio (tra parentesi quadre): K = [ + ] [O ] / [ 2 O] La concentrazione dell acqua è costante e si può inglobare alla costante K di cui sopra. Il risultato porta ad ottenere una nuova costante: K w = [ + ] [O ] = La costante K w viene detta prodotto ionico dell acqua (la «w» deriva dall inglese water o dal tedesco wasser, appunto «acqua» ). Dalla reazione di dissociazione: 2 O + + O possiamo notare che per ogni idrogenione ( + ) che si forma dalla dissociazione dell acqua si forma contemporaneamente un ossidrilione (O ), così, sempre in acqua pura, la concentrazione di idrogenioni è uguale alla concentrazione degli ossidrilioni: [ + ] = [O ] Questa condizione comporta la seguente relazione: K w = [ + ] [ + ] = [ + ] 2 = Per cui, sempre in acqua pura, la concentrazione idrogenionica sarà: [ + ] = K w = = moli/l Lo stesso vale per lo ione ossidrile (O ): K w = [O ] [O ] = [O ] 2 = Per cui la concentrazione ossidrilionica, sempre in acqua pura, sarà: [O ] = K w = = moli/l 3

4 Il p Il prodotto ionico dell acqua La costante di dissociazione dell acqua è: K = [ + ] [O ] / [ 2 O] Numericamente la costante è: K = 1, La concentrazione dell acqua a temperatura costante è anch essa costante. Per calcolarla consideriamo 1 litro d acqua alla sua massima densità. La massa di 1 litro d acqua è grammi. Dividendo la massa di 1 litro d acqua per la sua massa molecolare (18,0152 g/mol) si ottengono le moli: n acqua =1.000 g / 18,0152 g/mol = 55,5 mol/l Dividendo per il volume in litri otteniamo la molarità: [ 2 O] = 55,5 mol/1l = 55,5 M Dalla matematica sappiamo che il prodotto di due costanti è costante, quindi: K [ 2 O] = 1, ,5 = Questa nuova costante è detta prodotto ionico dell acqua e viene così indicata: K w = IMPORTANTE! I testi più moderni affermano che in realtà la dissociazione dell acqua porta alla formazione dello ione 3 O + e non dello ione + secondo la seguente reazione: 2 2 O 3 O + + O Preferiamo comunque per comodità affrontare i calcoli utilizzando lo ione + poiché i risultati finali sono identici. 3 Il p Le concentrazioni, sia degli ioni idrogeno che degli ossidrili, espresse con la molarità non danno un immediato riscontro di quella che può essere la minore o maggiore acidità o basicità di una soluzione acquosa, e per questo motivo è stato introdotto il p. 4

5 Il p p acido p neutro p basico po acido po neutro po basico In matematica l operatore «p» corrisponde al meno logaritmo decimale (-log). In questo caso il p corrisponde al meno logaritmo decimale della concentrazione molare degli ioni idrogeno (-log[ + ]). L acqua pura ha un p dato dall equazione: p = -log [ + ] = -log = A p = 7 la soluzione si dice neutra poiché, come abbiamo visto, la concentrazione degli ioni idrogeno equivale a quella degli ioni ossidrili ([ + ] = [O - ]). igura 5 Un p minore di 7 corrisponde a un p acido e un p Andamento di p e po maggiore di 7 a un p basico. Vi è un altra funzione matematica legata alla concentrazione degli ioni ossidrili ([O - ]): il po (figura 5). Questa è poco usata e corrisponde al meno logaritmo decimale della concentrazione molare degli ossidrili (-log[o ]). Per l acqua pura si ha: po = -log [O ] = -log = 7 Come notazione storica, vale la pena di ricordare che il p fu introdotto nel 1909 dal chimico danese Sorensen. La lettera p è l iniziale dei termini potenz (tedesco), power (inglese) e puissance (francese), che in italiano significano potenza. Il logaritmo decimale Un numero espresso in forma esponenziale, ad esempio 10 8, è composto da una base che corrisponde al numero da elevare (in questo caso 10) e da un esponente che corrisponde alla potenza della stessa base (in questo caso 8). Il logaritmo di un numero reale «y» maggiore di zero (quindi positivo) rispetto ad una base «b», anche essa maggiore di zero e diversa da 1, è l esponente «x» a cui bisogna elevare la base «b» per avere «y»: x = log b y Per cui si ottiene anche: b x = y Il logaritmo è un operazione inversa rispetto all elevazione a potenza e le sue proprietà sono analoghe. Il logaritmo di un prodotto è uguale alla somma dei logaritmi dei singoli fattori, e il logaritmo di una frazione è uguale alla differenza tra il logaritmo del numeratore e il logaritmo del denominatore. I logaritmi usati per il calcolo del p sono in base dieci (b = 10), o logaritmi decimali. Con le moderne calcolatrici scientifiche è molto semplice eseguire il calcolo dei logaritmi decimali. 5

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