1 Acidi e basi Il concetto di equilibrio: Le reazioni chimiche sono generalmente irreversibili (non si può tornare alla situazione di partenza). Un esempio semplificato potrebbe essere il seguente: quando brucio un pezzo di legno non posso trasformare la cenere e farla ridiventare legno. Normalmente si ha la tendenza a credere che i processi chimici siano irreversibili; questo vale per la maggior parte dei casi e la scrittura che comunemente si usa per rappresentare un processo chimico, in termini generici, è la seguente: aa + bb > cc + dd dove a, b, c e d sono i coefficienti stechiometrici mentre le lettere A, B, C, D rappresentano i composti. Per completezza possiamo aggiungere che A e B sono gli edotti o reagenti (sostanze di partenza) mentre C e D sono i prodotti (sostanze ottenute). Vi sono però delle reazioni che sono reversibili (ossia si può ritornare dai prodotti agli edotti) ed in generale, usando l esempio precedente, funziona nel modo seguente: all inizio siamo in presenza unicamente degli edotti, la reazione inizia ad avere luogo, la concentrazione degli edotti diminuisce ed iniziano a formarsi i prodotti per cui la loro concentrazione aumenta. Ad un certo punto si avvia la reazione inversa (dai prodotti verso gli edotti), nella quale i prodotti reagiscono tra loro e si ritrasformano negli edotti. La scrittura generica per una reazione reversibile è la seguente: aa + bb <> cc + dd Essa differisce dalla precedente solo per la doppia freccia che nel caso di una reazione irreversibile era singola e rivolta verso i prodotti. Si arriverà ad un certo punto in cui si instaurerà una situazione di equilibrio. Cosa rappresenta il vocabolo equilibrio? Considerando l esempio generico riportato qui sopra si ha equilibrio quando le due reazioni (quella che porta verso i prodotti e quella che compie il percorso inverso) si compensano; detto in altre parole: scelta un unità di tempo che potrebbe essere un secondo, un certo numero di molecole di A e di B si combinano tra loro per dare C e D, nella stessa unità di tempo lo stesso numero di molecole di C e D reagiscono tra loro per dare A e B. Altra possibilità per esprimere questo concetto: le concentrazioni di edotti e prodotti rimangono costanti nel tempo. Acidi e basi: Gli acidi appartengono ad una famiglia di sostanze con le quali noi siamo abituati a convivere anche perché, in alcuni casi, rivestono un ruolo di principale importanza per il funzionamento del nostro organismo. Al riguardo ricorda che il succo gastrico contiene un acido concentrato molto potente, l acido cloridrico, adibito alla scomposizione degli alimenti che raggiungono il nostro stomaco. Noi riconosciamo al palato una sostanza acida poiché possiede un sapore aspro (pensa per esempio al limone) e siamo abituati a credere che l acido sia pericoloso perché corrosivo. Questa affermazione è vera solo in parte; ossia si addice per gli acidi forti presenti in concentrazioni elevate. La famiglia degli acidi può essere suddivisa in due gruppi: gli acidi organici e quelli inorganici. Il termine organico si associa a vivente mentre inorganico richiama il mondo inanimato (non vivente).
2 Gli esempi per gli acidi inorganici sono: HCl, acido cloridrico (pulitura materiali) HNO 3, acido nitrico (industria e agricoltura) H 2 SO 4, acido solforico (industria plastica, pellicole fotografiche, vernici) H 3 PO 4, acido fosforico (molecola ATP, agricoltura, CocaCola) Negli acidi organici troviamo tutta una serie di composti; a livello di esempi possiamo indicare: l acido formico (prodotto dalle formiche), l acido butirrico che dà al burro rancido il suo odore caratteristico, gli acidi capronico, caprilico e caprinico che sono responsabili dell odore disgustoso dei caproni, del sudore e dei piedi non lavati, Possiamo ora provare a costruire la definizione di acido. Prendiamo in considerazione l acido cloridrico (HCl): H Cl si tratta di un legame covalente polare poiché i due elementi sono non metalli e la differenza di En tra cloro e idrogeno è di 0,96. Essendo il cloro quello più elettronegativo, avrà gli elettroni di legame più vicini rispetto all idrogeno perciò sarà caricato parzialmente negativamente. Mettendo HCl in acqua vi saranno delle interazioni di tipo elettrico tra cariche di segno opposto e si potrà scrivere ciò che avviene nel modo seguente: HCl + H 2 O <> H 3 O + + Cl Attenzione: le scritte H e H + non devono essere confuse; la prima rappresenta l atomo di idrogeno nella molecola polare di acido cloridrico dove siamo alla presenza di un legame covalente polare; la seconda indica che l atomo di idrogeno ha lasciato il suo elettrone al cloro perciò è diventato positivo ed in qualche modo ha reagito con la molecola di acqua (la stessa cosa vale per il cloro). Scrittura generica: Esempi: Per gli acidi vale allora quanto segue: HA + H 2 O <> H 3 O + + A HCl + H 2 O <> H 3 O + + Cl HNO 3 + H 2 O <> H 3 O + + NO 3 H 2 SO 4 + H 2 O <> H 3 O + + HSO 4 HSO 4 + H 2 O <> H 3 O + + SO 4 2 Secondo quanto detto finora l acido risponde alla seguente definizione: una sostanza è detta acida quando è in grado di cedere degli ioni H + (normalmente all'acqua). I criteri per riconoscere se un composto è un acido sono i seguenti: La molecola contiene idrogeno? NaCl non sarà mai un acido poiché non contiene H. HCl e CH 4, per esempio potrebbero esserlo. Siamo alla presenza di legame covalente polare? Se la risposta è affermativa, con buone probabilità hai a che fare con una sostanza acida come nel caso di HCl. Il metano (CH 4 ) contiene idrogeno ma è caratterizzato da legame covalente apolare e non libera H +, di conseguenza non è un acido.
3 Per risolvere qualsiasi dubbio consulta le tabelle sugli acidi che impareremo a leggere correttamente tra poco. La maggior parte delle basi è formata da un metallo e da un gruppo non metallico e queste sostanze, oltre che essere delle basi, sono anche dei sali. Scrittura generica: Esempi: Come dissociano in acqua? BOH <> B + + OH NaOH <> Na + + OH KOH <> K + + OH Ca(OH) 2 <> Ca 2+ + 2 OH La dissociazione di queste basi in acqua segue lo stesso ragionamento che abbiamo fatto per i sali. In conformità a quanto abbiamo detto finora possiamo ricavare la prima definizione di base (vedremo subito che queste ultime sono due), ossia: la base è una sostanza che, in acqua, libera ioni OH. Ci troviamo però di fronte ad un problema: considerando l ammoniaca, essa sembrerebbe essere un acido (contiene l idrogeno H, è formata da non metalli ed è caratterizzata da legame covalente polare) però si comporta come una base. Abbiamo a che fare con un eccezione e siccome questa famiglia di composti (ammoniaca e derivati) riveste un importanza fondamentale, per una volta ci soffermiamo su un caso anomalo. Per risolvere il problema si introduce un secondo tipo di scrittura e quindi una seconda definizione di base. Scrittura generica: Esempio: B + H 2 O <> BH + + OH NH 3 + H 2 O <> NH 4 + + OH La definizione riguardante le basi è modificata nel seguente modo: la base è una sostanza in grado di prendere ioni H +. Come puoi notare, nel caso dell ammoniaca siamo ancora alla presenza di OH, ma questa volta non sono liberati dalla base bensì dall acqua. L ammoniaca prende H + (base) dall acqua (la quale cede ioni H +, comportandosi da acido). Cosa vuol dire acido forte e acido debole? L idea legata a questo modo di esprimersi è la seguente: la forza dell acido è proporzionale alla facilità con la quale perde ioni H +. Ripartiamo con la scrittura generica vista prima: HA + H 2 O <> H 3 O + + A Più l acido è forte, più facilmente libera ioni H + ; un acido forte messo in acqua darà un equilibrio completamente spostato verso destra (nella soluzione ci saranno unicamente H + e A e in pratica non vi saranno molecole iniziali HA). Come esempio possiamo prendere l acido cloridrico: HCl + H 2 O <> H 3 O + + Cl
4 Quando HCl è messo in acqua esso dissocia completamente dando H + e Cl (non troveremo più molecole iniziali di HCl); si dice quindi che HCl è un acido forte. I composti che liberano H + in acqua con difficoltà e lentezza sono detti acidi deboli come nel caso dell acido acetico (CH 3 COOH) che, in acqua, dà la seguente reazione: CH 3 COOH + H 2 O <> H 3 O + + CH 3 COO In questo caso, essendo un acido debole, sono presenti tutte le componenti e si ha equilibrio; occorre quindi rappresentare la reazione con una doppia freccia come abbiamo già fatto nel caso dei sali quando vi era saturazione e s instaurava una situazione di equilibrio. Come si fa a sapere se un acido è forte o debole? Occorre consultare la tabella in cui è riportato il K a o costante d acidità; maggiore è la costante d acidità, più forte è l acido. Per quanto riguarda le basi il discorso è identico a quello fatto per gli acidi. Una base è forte quando libera facilmente in acqua lo ione OH (o prende facilmente ioni H + usando la seconda definizione), come per esempio: NaOH + H 2 O <> Na + + OH L idrossido di sodio (NaOH) è una base molto forte poiché in acqua dissocia completamente originando gli ioni Na + e OH e praticamente non vi sono più molecole iniziali di NaOH. In questo caso l equilibrio è completamente spostato verso destra (come nel caso dell acido forte) e si rappresenta di conseguenza un unica freccia. Se, per contro, la base è debole, vuol dire che libera OH (o prende H + ) in modo difficoltoso, come nel caso dell ammoniaca, la cui reazione è: NH 3 + H 2 O <> NH 4 + + OH Nella soluzione saranno presenti tutte le componenti rappresentate; si ha equilibrio e l equazione è scritta, come per l acido debole, usando la doppia freccia. Come si fa a sapere se la base è forte o debole? Occorre consultare la tabella per le basi nella quale è riportato il K b ; maggiore è la costante di basicità, più forte è la base. Obiettivo della lezione: da proporre Materiale: da proporre Procedimento: LABORATORIO 1 Titolazioni AcidoBase 1 Prelevare con il cilindro graduato da 50 ml, 15 ml di soluzione di acido cloridrico e metterla nel bicchiere. Riempire la buretta con NaOH seguendo le indicazioni del docente. 2 Aggiungere al bicchiere 2 gocce di indicatore colorato, agitare e verificare il colore assunto dalla soluzione. 3 Con il phmetro misurare il ph della soluzione di acido cloridrico. Riportare il dato nella tabella sottostante. 4 Con la buretta fare scendere 1 ml di base nel bicchiere contenente l acido.
5 Agitare e verificare eventuali cambiamenti di colore. 5 Con il phmetro misurare il ph. Riportare il dato nella tabella sottostante. 6 Rifare, nell ordine, i punti 4 e 5 fino a quando non avete aggiunto 20 ml di base Risultati: Riportare i dati in questa tabella: ml NaOH aggiunti ph misurato 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Costruire il grafico della titolazione Scrivete la reazione di neutralizzazione. A cosa è dovuto l andamento della curva? Quale utilità può avere il grafico? Questionario Partendo dal presupposto che la concentrazione di NaOH sia esatta, calcolate la concentrazione di HCl. Come fare a sapere se una soluzione è acida, basica o neutra? Come fare a sapere se una soluzione è molto o poco acida oppure molto o poco basica? Una prima possibilità sarebbe di misurare le concentrazioni di H + e quelle di OH presenti in acqua e stabilire di conseguenza una graduatoria del tipo: Se [H + aq] > [OH aq] la soluzione è acida. Se [H + aq] = [OH aq] la soluzione è neutra. Se [H + aq] < [OH aq] la soluzione è basica.
6 Inoltre Maggiore sarà la [H + aq] più acida sarà di conseguenza la soluzione. Maggiore sarà la [OH aq] più basica sarà di conseguenza la soluzione. Questo modo di procedere, anche se rende bene l idea di acidità, rispettivamente di basicità, è scomodo dal punto di vista pratico quando, per esempio, occorre fare dei paragoni tra due soluzioni. Alla domanda: è più acida una soluzione contenente una [H + aq] = 3x10 2 M oppure una con [H + aq] = 4x10 3 M?; la risposta di per sé non è complicata, basterebbe fare dei paragoni, ma il modo di procedere non è pratico. Occorre introdurre una scala direttamente collegata alla concentrazione di H + alla quale si è dato il nome di ph e sarà appunto questa scala che noi utilizzeremo praticamente sempre. Questa scala si basa sulla quantità di H + e OH presenti in un litro di acqua distillata. L acqua ha in effetti una debole capacità di dissociazione chiamata autoprotolisi dell acqua. Una piccola quantità di molecole di acqua si dissociano in H + e OH. Nell acqua distillata [H + ] = [OH ] e quindi il ph è neutro ed il suo valore è 7. Obiettivo della lezione: da proporre Materiale: da proporre Procedimento: LABORATORIO 2 Le soluzioni tampone 1 Prelevare con il cilindro graduato da 50 ml, 15 ml di soluzione CH 3 COOH e metterla nel primo bicchiere. Risciacquare il cilindro, prelevare 15 ml di soluzione tampone e metterla nel secondo bicchiere. Risciacquare il cilindro, prelevare 15 ml di soluzione CH 3 COONa e metterla nel terzo bicchiere. 2. Risciacquare il cilindro e prelevare 20 ml di soluzione di HCl e metterla in un bicchiere. 3 Aggiungere ad ogni bicchiere delle tre soluzioni succitate 1 ml di soluzione di acido cloridrico e misurarne il ph. 4. Ripetere l operazione 6 volte. 5. Prelevare con l altro cilindro graduato da 50 ml, 20 ml di soluzione di NaOH e metterla in un bicchiere. 6 Aggiungere ad ogni bicchiere delle tre soluzioni succitate 1 ml di soluzione di idrossido di sodio e misurarne il ph. 7. Ripetere l operazione 6 volte.
7 Risultati: Riportate i dati in tabella e disegnate un grafico, sia per l acido cloridrico sia per l idrossido di sodio. ml agg 0 1 2 3 4 5 6 sol x sol y sol z ml agg 0 1 2 3 4 5 6 sol x sol y sol z Domande: 1. Osservate il grafico e date una spiegazione delle differenze fra le curve. 2. Spiegate il funzionamento di questa soluzione tampone sapendo che contiene acido acetico ed acetato di sodio in uguale concentrazione e volume. Come hai potuto verificare il sistema tampone (fatto di acetato di sodio e acido acetico) ha la caratteristica di assorbire aggiunte di acido o base (da qui il nome tampone) senza che il ph vari di molto. Qui si tratta di un tampone chimico ma, a livello di applicazione ci concentriamo ora su un tampone biologico che possiede le stesse caratteristiche di quello chimico ma è molto più interessante visto che lo troviamo all interno del nostro organismo, ossia il sistema tampone del sangue. Il corpo umano ha molti meccanismi per mezzo dei quali mantiene costante il suo ambiente interno; questo concetto è chiamato omeostasi (vedi biologia). Il sistema omeostatico che ci interessa in questo caso è l equilibrio acido base (una delle analisi del sangue che si possono fare va proprio in questa direzione). La principale funzione del meccanismo regolatore dell equilibrio acido base è di mantenere il ph del sangue entro un limite ristretto che va da 7,35 a 7,45. Se il ph del sangue scende al di sotto di 6,8 o sale al di sopra di 7,8 generalmente ne consegue la morte (pensa a questo proposito l influsso che può avere l acidità o la basicità su proteine e grassi presenti nelle nostre cellule; gli acidi denaturano le proteine mentre le basi saponificano i grassi). Lo stato dell equilibrio acido base è determinato, controllando la condizione di acidità del sistema circolatorio. Pertanto il controllo del sangue o sistema di trasporto riflette le complesse funzioni dei sistemi: respiratorio, renale e circolatorio. Poiché questo è un sistema dinamico, il controllo condotto per un certo periodo fornisce un quadro più indicativo dello stato acido base della persona, di quanto non si ottenga con una singola determinazione effettuata in un momento qualsiasi. I normali processi metabolici producono quantità di acido in eccesso (pensa, per esempio, all acido lattico prodotto dalle cellule muscolari). Questi acidi devono essere trasportati, mantenendo costante il ph del sangue ed eliminati per ripristinare il meccanismo di trasporto. Questo meccanismo di trasporto è il sistema tampone del sangue.
8 Un tampone è una miscela di acido debole e del suo sale corrispondente. Lo scopo di un tampone è di mantenere il ph entro un limite ristretto. Nel caso del sangue, il sistema tampone principale è la miscela di acido carbonico e ione bicarbonato. H 2 CO 3 + H 2 O <> H 3 O + + (aq.) + HCO 3 (aq.) Acido base (ione bicarbonato) Riprendiamo le definizioni di un acido e di una base come loro sono in rapporto all equilibrio acido base. L acido carbonico è un acido perché può cedere ioni H + : H 2 CO 3 + H 2 O <> H 3 O + + HCO 3 (aq.) Lo ione bicarbonato è una base perché può prendere ioni H + : HCO 3 (aq.) + H + (aq.) <> H 2 CO 3 L aggiunta, pertanto, di un acido a questo sistema tampone sposta l equilibrio a sinistra. Gli ioni idrogeno dell acido in eccesso reagiscono con gli ioni bicarbonato per produrre più acido carbonico. Il risultato, quindi, è una lieve diminuzione della concentrazione dello ione bicarbonato, un aumento della concentrazione dell acido carbonico ed essenzialmente nessuna variazione della concentrazione degli ioni idrogeno o del ph. Per ripristinare la condizione tampone originaria è necessario fare due cose: L acido carbonico prodotto in più deve essere rimosso. Il bicarbonato consumato deve essere rimpiazzato. I polmoni controllano l anidride carbonica; alterando la frequenza della respirazione il corpo elimina o trattiene CO 2. I reni controllano l eliminazione o la ritenzione degli ioni H + e, attraverso questo processo, rendono il bicarbonato disponibile secondo quanto richiesto dall equilibrio acido base. Poiché, con il loro metabolismo, i tessuti producono rifiuti acidi, ci sono, nell organismo, numerosi ioni H + che reagiscono con gli ioni bicarbonato del sistema tampone del sangue, producendo acqua e CO 2. La CO 2 è eliminata dai polmoni. L acido prodotto dal metabolismo è stato eliminato ma, per ripristinare il sistema tampone del sangue, i reni producono o sostituiscono il bicarbonato che è stato consumato. L acido carbonico si scompone, restituendo lo ione bicarbonato al sistema tampone del sangue e gli ioni H + sono eliminati con l urina. Il sistema tampone del sangue è ora ricostituito. Poiché la CO 2 e l acido carbonico sono sotto il controllo dei polmoni, sono detti componente respiratoria. Analogamente, poiché il bicarbonato è sotto il controllo dei reni, è detto componente metabolica. Entrambi gli organi, in condizioni normali, hanno la capacità sia di aumentare sia di diminuire il livello del loro rispettivo costituente del tampone al fine di mantenere il ph del sangue. Consideriamo, ora, quattro alterazioni del metabolismo che influenzano questo equilibrio acido base del nostro sangue. La condizione di acidosi metabolica è caratterizzata dall incapacità del rene a produrre
9 una quantità sufficiente di ione bicarbonato come conseguenza dell incapacità ad eliminare sufficienti ioni H +. La concentrazione degli ioni H + aumenta e di conseguenza il ph tende a diminuire. Aumentando gli H +, essi si legano con più ioni bicarbonato, l equilibrio si sposta verso sinistra facendo aumentare la concentrazione di acido carbonico e quindi di anidride carbonica. I polmoni eliminano più CO 2 (iperventilazione) e questo diminuirà la concentrazione di acido carbonico e quindi anche la concentrazione di ioni H +. La condizione di alcalosi metabolica è caratterizzata dall accumulo di bicarbonato in eccesso come conseguenza della perdita di acido dal corpo e dell ingestione di basi: Se lo ione bicarbonato è in eccesso si legherà maggiormente agli ioni H + la cui concentrazione diminuirà (il ph tende quindi a salire), la concentrazione di acido carbonico tende a diminuire e di conseguenza vi sarà meno CO 2. Come reazione, i polmoni tratterranno maggiori quantità di CO 2 diminuendo la ventilazione (ipoventilazione) così la concentrazione di anidride carbonica aumenterà come quella di acido carbonico. Questo porterà ad un aumento della concentrazione di H + che ristabilirà il ph abituale. La condizione di acidosi respiratoria è caratterizzata dall incapacità del polmone di eliminare sufficiente CO 2 : Se la quantità di CO 2 aumenta, l equilibrio è spostato verso destra e aumenta la concentrazione di acido carbonico. Questo fa aumentare la concentrazione di ioni H + ; il ph tende a diminuire. I reni reagiscono eliminando gli ioni H + in eccesso facendo diminuire la concentrazione di acido carbonico. Diminuisce anche la concentrazione di CO 2. Il ph si riavvicina alla norma. La condizione di alcalosi respiratoria è caratterizzata dai polmoni che eliminano quantità eccessive di CO 2 : Se la quantità di CO 2 diminuisce, l equilibrio si sposterà verso sinistra e diminuirà la concentrazione di acido carbonico. Questo fa diminuire la quantità di H + per cui il ph tende ad aumentare. I reni compensano trattenendo ioni H + che aumentano in quantità. Aumenta la concentrazione di acido carbonico e aumenta la quantità di CO 2. Il ph si riavvicina alla norma. Le anomalie dello stato acido base di una persona possono essere causate dai cambiamenti delle condizioni respiratorie e metaboliche. Alcune delle cause respiratorie dello squilibrio acido base sono: variazioni della ventilazione, variazioni della circolazione sistemica o polmonare, diffusione alveolare capillare diminuita, meccanismo del controllo respiratorio difettoso. Alcune condizioni metaboliche che possono causare lo stesso squilibrio sono: le malattie renali, le malattie del fegato, le disfunzioni endocrine.