Acidi e Basi

ACIDI E BASI

Gli acidi e le basi possiedono alcune proprietà tra loro collegate. Le loro soluzioni possono cambiare il colore di pigmenti vegetali: se un acido ha fatto virare al rosso una cartina tornasole, l’aggiunta di una base inverte l’effetto riportando la cartina al colore blu.

• Definizione di Arrhenius (1887)

Acidi e basi sono composti che in acqua danno luogo a DISSOCIAZIONE ELETTRONICA. 'Un acido libera H⁺, una base libera OH^-.

Na⁺ (aq)+ OH^- (aq) + H⁺ (aq) + Cl^- (aq) → H₂O (l) + 55,9 kJ/mole

Insufficienza della definizione di Arrhenius! Molte basi, come ad esempio l'ammoniaca NH₃, non possono formare OH^- per dissociazione elettrolitica. Per questo motivo, la reazione acido-base deve essere di tipo diverso.

• Definizione di Brønsted e Lowry (1923)

Se, come abbiamo detto, gli ioni H⁺ non sono liberi da soli in soluzione, vuol dire che qualcuno se li prende. L'accettore di questi protoni è la base. L'acido, invece, è la sostanza che in soluzione trasferisce un H⁺ ad una sostanza accettrice, ossia la base.

Le COPPIE ACIDO-BASE CONIUGATI sono quelle sostanze che differiscono solo di 1 protone. L'acido ha un protone in più, la base ha un protone in meno!

• Definizione di Lewis

Un acido è una sostanza con un orbitale vuoto che può mettere a disposizione per fare legame dativo mentre una base è quella sostanza che presenta un doppietto elettronico disponibile per legare l'altra specie.

BASE → IN GRADO DI CEDERE UN DOPPIETTO PER FARE LEGAME DATIVO ~~ POSSEDENDO UN LONE PAIR.

DISSOCIAZIONE DI ACIDI FORTI

Quando un acido forte si scioglie in acqua, esso si DISSOCIA COMPLETAMENTE, producendo ioni H₃O⁺ e A^-; alla fine della reazione sono pressoché assenti le molecole di HA (acido generico).

HA(aq/g) + H₂O(ℓ) → H₃O⁺(aq) + A^-(aq)

DISSOCIAZIONE DI ACIDI DEBOLI

Quando un acido debole si scioglie in acqua, esso rimane IN PREVALENZA INDISSOCIATO, producendo relativamente pochi ioni H₃O⁺ e A^-. Per evidenziare anche questa alta la doppia freccia.

HA(aq) + H₂O(ℓ) ⇄ H₃O⁺(aq) + A^-(aq)

LA COSTANTE DI DISSOCIAZIONE ACIDA K_a

Per ricordare: [La costante di equilibrio K_c è quell'espressione che ci fa capire quanto la reazione si è spostata verso i prodotti o verso i reagenti, quando il rapporto tra i prodotti delle concentrazioni dei prodotti elevate ai loro coefficienti stechiometrici e i prodotti delle concentrazioni dei reagenti elevate ai loro coefficienti stechiometrici.]

Un acido forte sarà un acido la cui reazione sarà molto spostata verso i prodotti, dunque avrà un K_c elevato.

Qual è la concentrazione molare dell'acqua? Dividiamo 1000 (massa in grammi) per 18 (peso molecolare), otteniamo 55.5, ossia un numero molto grande rispetto alle moli piccole che vengono aggiunte nelle reazioni, dunque LA VARIAZIONE DI CONCENTRAZIONE DELL'ACQUA A SEGUITO DELLA DISSOCIAZIONE DI UN HA È TRASCURABILE.

K_c = [A^-][H₃O⁺] / [HA][H₂O]

K_c · [H₂O] = K_a = [A^-][H₃O⁺] / [HA]

Più alto è il valore di K_a, più forte sarà l'acido.

AUTOPROTOLISI DELL'ACQUA K_w

Sappiamo che l'acqua è anfiprotica, ossia può fungere sia da base che da acido. A volte stesso due molecole di acqua possono reagire tra loro producendo un H₃O⁺ e un OH^-.

2 H₂O ⇄ H₃O⁺ + OH^-

Il K_c di questa reazione sarebbe stata: K_c = [H₃O⁺][OH^-] / (H₂O)²dunque K_w = [H₃O⁺][OH^-] = 10^-14

TIPI DI SOLUZIONI

• soluzione neutra → [H₃O⁺] = [OH^-]
• soluzione acida → [H₃O⁺] > [OH^-]
• soluzione basica → [H₃O⁺] < [OH^-]

Facendo il cologaritmo (-logx) delle concentrazioni di H⁺ otteniamo dei numeri interi più semplici. Il cologarittmo viene indicato con la lettera minuscola p, quindi in questo parleremo di pH.

Che relazione c'è tra pH e pOH?

pH + pOH = 14

Che relazione c'è tra K_a e pK_a?

pK_a = - log₁₀ (K_a)

L'acido più è forte, più è grande la K_a, quanto più è piccolo pK_a.

• SOLUZIONE BASICA

Prendiamo ad esempio il nitrito di sodio NaNO₂, si dissocia in ione nitrito NO₂^- e ione sodio spettatore Na⁺. Lo ione nitrito è la base coniugata di HNO₂, un acido debole.

HNO₂ + H₂O ⇋ HNO₂ + OH^-

0,15 - x x

K_b = x²

K_b = K_w

x = 0,15

6. SOLUZIONE TAMPONE

Una soluzione con un acido debole e la sua base coniugata, con concentrazioni cA e cB paragonabili, è una soluzione tampone. L'aggiunta di una piccola quantità di acido sposta la reazione a destra, l'aggiunta di una piccola quantità di base sposta la reazione a sinistra.

HCOO^- + H₂O ⇋ CH₃ + H₃O⁺

in. c_a c_b

eq. c_a-x c_b+x x

K_a = [C]= c)+x)= = c_a

x = K_a c_a

RIEPILOGONE MAGICO

acido debole: [H⁺]≃K_ac_a idrolisi acida: [H⁺]≃

base debole: [OH^-] K_b: c_b idrolisi basica: [OH^-]≃

tampone A_d+base coniugata: [H⁺]≃Ka: c_a: K?:

tampone B_d+acido coniugato: [OH^-]≃K_b: c_b

ESERCIZIO SOLUZIONE TAMPONE (CON TITOLAZIONE)

CH₃COOH + H₂O ⇋ CH₃COO^- + H₃O⁺

in. 0,1 0,1

eq. 0,1-x 0,1+x x

K_a = 0,1 x = 1,8 x 10^-5

pH = -log [H⁺] = 4,7

Immaginiamo di aggiungere 0,01 moli di acido HCl che vorrà reagire con una base (se ce ne fosse stata più di una, con la più forte).

HCl + CH₃COO^- → CH₃COOH + Cl^-

in. 0,04

eq. 0,1=0,04 0,04

Nuove concentrazioni: CH₃COOH + H₂O ⇋ CH₃COO^- + H₃O⁺

in. 0,14 0,09

eq. 0,14-x 0,09+x x

K_a = 0,09 x = 2,2 x 10^-5

pH = -log 2,2 x 10^-5 = 4,6

Calcolare il pH di una soluzione 0,08 M di acido carbonico sapendo che la Ka vale 4,5·10^-7.

H₂CO₃ + H₂O ⇌ HCO₃^- + H₃O⁺

IN.     0,08                       -             -

EQ.   0,08 - x           x             x

Ka = ^x2/_0,08 = ^{√4,5·10-7·0,08}/_0,08 = 1,9·10^-4

pH = -log x = 3,7

Alla temperatura di 25°C, 15 ml di una soluzione 0,1 M di NaOH vengono aggiunti a 20 ml di una soluzione 0,2 M in NaOH. Qual è il pH finale?

c = ^mol/_V ⇒ mol = c·V     {   mol NaOH (1) = 0,1 · 0,015 = 1,5·10^-3 mol

              mol NaOH (2) = 0,2 · 0,02 = 0,004 mol

[NaOH] = ^{mol T_OT}/_VTOT = ^{1,5·10-3 + 0,004}/_0,035 = 0,157 M

pOH = -log[NaOH] = 0,8

pH = 14 - pOH = 13,2

10 ml di una soluzione 0,1 di HCl vengono aggiunti a 20 ml di una soluzione 0,2 M in HCl, pH finale?

0,1 M · 0,01 L   = 0,001 mol

0,2 M · 0,02 L   = 0,004 mol         { mol T_OT = 0,005 mol

[HCl] = ^{mol T_OT}/_VTOT = ^{0,005 mol}/_{0,03 L} = 0,16 M

pH = -log 0,16 = 0,8