16/01/2019. Acidi e basi. Arrhenius

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1 Acidi e basi Per la chimica tradizionale gli acidi erano sostanze dal sapore aspro, mentre le basi avevano un tipico sapore amaro. Sia gli acidi che le basi, avevano la capacità di far cambiare colore a certe sostanze chiamate indicatori, perché, in base al colore assunto, servivano a determinare se sostanza fosse un acido o una base senza bisogno di assaggiarla. Acido deriva dal latino acidus, che significa acre. Base deriva dal fatto che si pensava fossero la base per la formazione dei sali. In origine le basi venivano dette alcali (con l accento sulla prima a) dall arabo al-qalyi che significa potassa ma, più in generale, indica le sostanze con sapore amaro. Alcalino è quindi sinonimo di basico. Arrhenius La più semplice definizione chimica di acidi e basi fu proposta dal chimico svedese Svante Arrhenius nel Basandosi sul comportamento delle sostanze disciolte in acqua egli definì: acidi tutte quelle che, in soluzione acquosa, liberano ioni H + basi tutte quelle che, in soluzione acquosa, liberano ioni OH Gli ioni H +, detti anche idrogenioni, corrispondono ad un protone libero. Gli ioni OH vengono detti ioni ossidrile o ossidrilioni. 1

2 Arrhenius Arrhenius definì anche la forza di un acido o di una base: chiamò forti quegli acidi o quelle basi che si dissociano pressoché completamente, e chiamò deboli quelli che invece si dissociano solo parzialmente. Questa definizione si applica però solo alle sostanze che possiedono ioni H + e ioni OH. Esistono numerosi altri composti che si comportano da acidi o da basi e non possiedono né l uno né l altro tipo di ioni. Inoltre essa si riferisce esclusivamente alle soluzioni acquose delle sostanze: esistono molti composti le cui caratteristiche acide o basiche si manifestano anche allo stato gassoso! Nasce quindi la necessità di una definizione più ampia di acido e di base. Nel 1923 il chimico danese Johannes Brønsted e l inglese Thomas Lowry, indipendentemente l uno dall altro, proposero una nuova definizione di acido e base. La nuova definizione cambia completamente il modo di considerare sia gli acidi che le basi. Secondo loro essere un acido o una base non è una caratteristica propria della sostanza, ma un comportamento che può cambiare a seconda delle condizioni in cui si trova. In altre parole, la composizione chimica di una certa sostanza non giustifica il suo comportamento acido o basico, ma sono le condizioni in cui essa si trova a determinarne l acidità o la basicità. Secondo si definisce: acido, una sostanza in grado di cedere protoni (H + ) base, una sostanza in grado di accettare protoni (H + ) Poiché non esistono protoni liberi, se una sostanza si comporta da acido deve necessariamente essercene un altra che si comporta da base. Si parla di coppie acido-base e non di soli acidi o basi. Una stessa sostanza può dunque comportarsi da acido o da base a seconda dell ambiente in cui si trova. 2

3 Consideriamo, per esempio, la seguente reazione: HNO 3 + H 2 O NO 3 + H 3 O + HNO 3 si comporta da acido perché cede un H + all acqua, mentre l acqua si comporta da base perché acquista l H + ceduto dall acido. Consideriamo ora quest altra reazione: NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH Stavolta è l acqua a comportarsi da acido cedendo un H + a NH 3 mentre questa, accettando l H +, si comporta da base. L acqua, quindi, può comportarsi sia da acido che da base, a seconda delle condizioni in cui si trova. Le sostanze di questo tipo e vengono dette anfiprotiche. Possiamo allora meglio definire gli acidi e le basi come: acido, sostanza da cui è possibile rimuovere H + base, sostanza in grado di rimuovere H + Quando una sostanza si comporta da acido, si trasforma inevitabilmente in una base perché potrà recuperare il protone perduto e ritornare al suo stato iniziale; allo stesso modo, ma in senso inverso, per le basi. Si hanno così le coppie coniugate acido-base. Una coppia coniugata è l acido (o la base) e la base (o l acido) in cui essa si trasforma dopo aver ceduto (acquistato) un protone. In conclusione non esistono sostanze acidi o basi per sé, ma l acidità o la basicità sono comportamenti che cambiano a seconda dell ambiente in cui le sostanze si trovano. I protagonisti di tutto sono le basi: se un acido ha un protone che potrebbe cedere, è necessario che ci sia una base sufficientemente forte da portarglielo via, altrimenti se lo tiene. Arriviamo così a definire meglio la forza di una base: una base forte è una sostanza in grado di strappar via con molta facilità un protone. 3

4 Analogamente possiamo dare una definizione di acido forte: un acido forte è una sostanza che si lascia facilmente portar via un protone. Possiamo allora dire che, in una coppia coniugata, se l acido è forte la sua base coniugata è debole e viceversa. Naturalmente la forza di un acido o di una base è un concetto relativo: con una base debolissima qualunque acido si sente forte e si tiene il suo protone, mentre in presenza di una base fortissima quasi tutti gli acidi cedono il loro protone. Prima di, il chimico americano Gilbert, elaborando la sua teoria del legame chimico, era arrivato alle stesse conclusioni, ma non essendo al momento molto interessato all argomento non divulgò i suoi risultati. Quando vennero pubblicati i lavori di, ci si accorse che le sue definizioni di acido e di base non solo confermavano le definizioni di, ma addirittura prospettavano un notevole ampliamento. L idea di partenza di è che non sono i protoni i responsabili dell acidità o della basicità, ma le coppie di elettroni. Prendiamo per esempio HNO 3 e scriviamone la formula secondo : Si nota un atomo di ossigeno che lega un atomo di idrogeno. Quest ultimo è poco elettronegativo e quindi gli elettroni di legame sono tutti spostati verso l ossigeno. Ne deriva che l acido può perdere facilmente un H + e comportarsi da acido (purché sia presente una base sufficientemente forte da portarglielo via). 4

5 Sia l azoto che l ossigeno hanno un alta elettronegatività, di conseguenza il legame tra idrogeno e ossigeno sarà fortemente indebolito e basta poco per portar via l idrogeno: in HNO 3 è uno degli acidi più forti. Consideriamo adesso l acido acetico. Ci sono ben 4 atomi di idrogeno, ma tre sono legati al carbonio e solo uno all ossigeno. La differenza di elettronegatività tra idrogeno e carbonio è modesta e i tre atomi di idrogeno rimarranno saldamente attaccati al carbonio; l altro idrogeno è invece facilmente disponibile (non proprio facilmente, perché il carbonio stabilizza la molecola e rende l acetico acetico debole). Finora abbiamo considerato gli acidi e le basi sotto la stessa prospettiva di, vediamo adesso la novità di. ribalta il loro punto di vista e mette in primo piano gli acidi, che non vengono più visti come sostanze in grado di donare H +, ma in grado di accettare una coppia di elettroni: acido è una sostanza in grado di accettare una coppia di elettroni base è, di conseguenza, una sostanza capace di mettere a disposizione una coppia di elettroni La sostanza in grado di mettere a disposizione la coppia di elettroni è una base di, mentre è un acido di la sostanza in grado di accettare quella coppia. Per la loro affinità alle coppie di elettroni gli acidi di vengono anche detti elettrofili, mentre le basi di vengono dette nucleofili. Un classico esempio di acido di è il tricloruro di alluminio (e, in genere, tutti gli alogenuri metallici). Lo ione H +, si comporta anch esso da acido di, accogliendo la coppia di elettroni messa a disposizione da una base di, ad esempio la stessa ammoniaca, con la formazione dello ione ammonio NH 4+. 5