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Acidi e basi1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi ACIDI E BASI.

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1 acidi e basi1 LICEO SCIENTIFICO STATALE LEONARDO da VINCI di FIRENZE CORSO SPERIMENTALE F DOCENTE Prof. Enrico Campolmi ACIDI E BASI

2 acidi e basi2 DISSOCIAZIONE ELETTROLITICA Sostanze ioniche e covalenti polari si dissociano in acqua, originando ioni Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Cl Na + Il fenomeno è dovuto al legame ione – dipolo tra le molecole di acqua e gli ioni δ– δ+ Cl H+H+ NaCl Na + + Cl - HCl H + + Cl -

3 acidi e basi3 Le sostanze che sciogliendosi in acqua originano ioni si dicono elettroliti La dissociazione da cui si originano si dice dissociazione elettrolitica Le soluzioni che così si formano sono dette soluzioni elettrolitiche Anche per queste reazioni è possibile scrivere una costante di equilibrio; se questa è alta lequilibrio è spostato a destra, quasi tutte le molecole sono dissociate e la sostanza si dice un elettrolita forte Se invece la costante è piccola, lequilibrio è spostato a sinistra, la sostanza è poca dissociata e si dice un elettrolita debole

4 acidi e basi4 ACIDI E BASI Gli acidi sono conosciuti ed utilizzati da molti secoli Il più antico, ed il primo per cui è stato utilizzato il termine di origine latina acidus (aspro), sembra essere lacido acetico contenuto nellaceto. Acido nitrico ed acido solforico sono conosciuti fino dal tardo medioevo ed impiegati in talmente tanti processi che, ancora oggi, il grado di sviluppo industriale di un paese si misura anche dalla sua produzione di H 2 SO 4 Gli acidi hanno sapore aspro, reagiscono coi metalli, producendo idrogeno, e col calcare, producendo CO 2

5 acidi e basi5 Anche le basi, un tempo dette alcali, sono conosciute fin dallantichità Le basi hanno sapore amaro, sono untuose al tatto e reagiscono con gli acidi neutralizzandoli Tuttavia fino alla seconda metà dell800 non si era compreso la relazione tra la formula di un composto e le sue proprietà acide o basiche

6 acidi e basi6 Nel 700 Lavoisier riteneva che gli acidi si caratterizzassero per la presenza dellossigeno, che lui stesso chiamò in questo modo dal greco oxsus ghennao (generatore di acidi) Successivamente si constatò che tutti gli acidi contenevano idrogeno, e non ossigeno, ma non tutti i composti dellidrogeno sono acidi La prima vera teoria sulla natura degli acidi e delle basi appartiene a Svante Arrhenius, chimico svedese di fine 800 premio Nobel La teoria di Arrhenius S. Arrhenius (1859 – 1927) Tutti gli acidi liberano in acqua ioni H +, tutte le basi liberano in acqua ioni OH - HX H + + X MOH M + + OH

7 acidi e basi7 La teoria di Arrhenius aveva però dei limiti: gli acidi e le basi esistevano solo in acqua le uniche basi erano gli idrossidi La teoria di Brønsted e Lowry Nel 1920 il danese Brønsted e linglese Lowry proposero una nuova teoria acido base Lacido è una sostanza capace di donare uno ione H + ad unaltra sostanza; la base è una sostanza capace di accettare uno ione H + da un acido. Acidi e basi non sono più vincolati al mezzo acquoso Un acido può esistere solo in presenza di una base e viceversa Lo ione H + non può esistere isolato, perché troppo reattivo, ma può solo passare da un acido ad una base durante una reazione chimica Brønsted Lowry

8 acidi e basi8 NH 3 + H 2 O NH OH - HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - Gli acidi sono sostanze nella cui molecola vi sia almeno un atomo di idrogeno legato ad un altro atomo molto elettronegativo Le basi sono sostanze con almeno una coppia di elettroni non impegnata in legami: con tale coppia la sostanza formerà un legame covalente dativo con lo ione H +. HA + B BH + + A -. BH + è lacido coniugato della base B A - è la base coniugata dellacido HA acido base acido base acido base Due sostanze che differiscono solo per uno ione H + costituiscono una coppia coniugata acido – base Si definisce anfotera una sostanza che si comporta da base in presenza di un acido e da acido in presenza di una base. La teoria di Bronsted Lowry ingloba quella di Arrhenius, ampliandola

9 acidi e basi9 Carattere acido o basico di un composto XO H Lossigeno è molto elettronegativo ed attira su di se sia gli elettroni di X, sia quelli di H. Se anche X è molto elettronegativo, lossigeno ha difficoltà ad attirare su di se gli elettroni del legame X O ed attirerà solo gli elettroni del legame OH. Il legame con lidrogeno è debole, perché fortemente polarizzato, e facilmente si rompe a contatto con H 2 O o una base secondo la reazione: ClO H XOH XO – + H + HClO ClO – + H + Il composto è un acido. Tanto più il legame O H è polarizzato e debole, tanto maggiore è la tendenza a cedere ioni H +, tanto più forte è lacido. Ad esempio HClO, HNO 3, H 2 SO 4 e tutti gli altri acidi ternari.

10 acidi e basi10 Se X ha elettronegatività inferiore a quello dellidrogeno, lossigeno attira gli elettroni del legame XO più fortemente di quelli del legame OH. Il legame XO sarà quindi più debole del legame OH ed in acqua si romperà secondo la reazione: Il composto è una base. Si comportano in questo modo tutti gli altri idrossidi. XOH X + + OH – Se infine X è un elemento di elettronegatività intermedia, il composto XOH è un elettrolita anfotero, come, ad esempio lacqua, nella quale lelemento X è appunto lidrogeno. NaOH Na + + OH – CuOH Cu + + OH –

11 acidi e basi11 Un generico composto XOH assume un comportamento acido, basico o anfotero, a seconda che lelemento X abbia un valore delettronegatività alto, basso o intermedio (più precisamente maggiore, minore o uguale a quello dellelettronegatività dellidrogeno). Negli acidi binari non cè ossigeno, ma lidrogeno è direttamente legato ad un elemento molto elettronegativo con un legame covalente polare. In presenza di una base tale legame si rompe e lacido cede lo ione H + alla base. XH X – + H + HCl Cl – + H +

12 acidi e basi12 La forza degli acidi e delle basi La teoria di Arrhenius è superata, tuttavia per semplicità continueremo ad usarla nella nostra trattazione Gli acidi e le basi sono elettroliti, misurando la forza con cui si dissociano ne misuriamo anche la forza come acidi o basi. Un acido, o una base, è forte se in acqua dissocia unalta percentuale delle sue molecole lequilibrio della sua reazione di dissociazione è spostato a destra il valore della costante di equilibrio è alto. Un acido, o una base, è debole se in acqua dissocia poche molecole lequilibrio della sua reazione di dissociazione è spostato a sinistra il valore della costante di equilibrio è basso.

13 acidi e basi13 Acidi ternari di formula simile, appartenenti ad elementi diversi HClO, HBrO, HIO La loro forza è proporzionale allelettronegatività del non metallo XO H Più il non metallo attira gli elettroni di legame con lossigeno, più lossigeno scarica la sua attrazione sul legame HO indebolendolo e rendendo la sostanza facilmente dissociabile. Acidi ternari di formula diversa, appartenenti allo stesso elemento HO Cl Acido ipocloroso HClO Acido cloroso HClO 2 HO Cl O Acido clorico HClO 3 O O HO Cl Acido perclorico HClO 4 O O O HO Cl

14 acidi e basi14 HO Cl Acido ipocloroso HClO Acido cloroso HClO 2 HO Cl O Acido clorico HClO 3 O O HO Cl Acido perclorico HClO 4 O O O HO Cl Gli ossigeni privi di protone attirano gli elettroni del legame col cloro, abbassando la densità di carica intorno ad esso Il cloro attira con maggior forza gli elettroni del legame con lossigeno protonato Lossigeno scarica la sua forza attrattiva sullidrogeno, rendendo il legame con esso più polarizzato ed instabile Il legame OH si rompe più facilmente Lacido è più forte

15 acidi e basi15 La forza degli acidi ternari aumenta allaumentare dellelettronegatività del non metallo e del numero di atomi di ossigeno non protonati che si legano ad esso HClO HBrO HIO > > HClO 4 HClO 3 HClO 2 > > > HClO Acidi binari La forza degli acidi binari aumenta spostandosi da sinistra verso destra in un periodo e scendendo lungo un gruppo HI HBr HCl > > > HF Per gli elementi in alto nel gruppo il legame a ponte di idrogeno stabilizza la molecola, rendendo lacido più debole

16 acidi e basi16 Idrossidi Negli idrossidi al diminuire dellelettronegatività del metallo aumenta la debolezza del legame M–OH Lidrossido si dissocerà quindi più facilmente e sarà dunque una base più forte La forza degli idrossidi come basi aumenta scendendo lungo un gruppo, mentre diminuisce spostandosi da sinistra verso destra in un periodo. KOH NaOH LiOH > > Gli equilibri acido - base Anche per le reazioni acido – base si può scrivere una costante di equilibrio che misuri quanto una reazione è avvenuta

17 acidi e basi17 La posizione dellequilibrio dipende simultaneamente dalla forza dellacido (nel cedere il protone) e dalla forza della base (nellaccettarlo) Non potendo separare questi due effetti, risulta impossibile misurare individualmente la forza dellacido o quella della base nella reazione o in assoluto La forza assoluta di un acido o di una base può invece essere misurata attraverso la tendenza del composto a cedere o ad acquistare un protone da una medesima sostanza di riferimento: lacqua HNO 3 H + + NO – 3 NaOH Na + + OH –

18 acidi e basi18 Ka prende il nome di costante acida; Per Ka o Kb 1 acidi o basi forti o fortissimi Per 1 Ka o Kb acidi o basi di media forza Per Ka o Kb acidi o basi deboli o debolissimi. Kb prende il nome di costante basica

19 acidi e basi19 La dissociazione dellacqua Lacqua è un composto anfotero, in quanto presenta sia le caratteristiche degli acidi, che quelle delle basi Essa infatti spontaneamente da luogo alla seguente reazione: H 2 O H + + OH – Per la quale è possibile scrivere la seguente costante di equilibrio: Lequilibrio è completamente spostato a sinistra, solo una molecola ogni 10 7 si dissocia La concentrazione molare dellacqua resta quindi praticamente sempre costante, costante è quindi anche il suo prodotto con la costante di equilibrio

20 acidi e basi20 Questa espressione è detta prodotto ionico dellacqua e vale per qualsiasi soluzione acquosa Dalla dissociazione di ogni molecola dacqua otteniamo uno ione H + e uno ione OH – Nellacqua pura abbiamo allora che: Indipendentemente dal valore assunto da [H + ] o da [OH¯] nota una delle due concentrazioni si può ricavare laltra dalle relazioni: H 2 O H + + OH – Lacqua è quindi anfotera perchè presenta sempre al suo interno quantità sia pur piccolissime di ioni H + e OH –

21 acidi e basi21 Soluzioni acide, neutre e basiche. Il pH Soluzione acida [H + ] [ OH – ] e [H + ] Soluzione neutra [H + ]=[ OH – ] e [H + ]=10 -7 Soluzione basica [H + ] [ OH – ] e [H + ] Le concentrazioni di H + e OH – sono legate matematicamente dal prodotto ionico dellacqua; per caratterizzare le proprietà acido – base di una soluzione è sufficiente quindi indicare una sola delle due concentrazioni Per convenzione si è scelto la concentrazione di H + Per evitare luso delle potenze negative di 10, nella misura della [H + ] di una soluzione si usa una scala logaritmica Si definisce logaritmo in base 10 di un numero X la potenza da dare a 10 per avere X Se Log 10 X = a allora 10 a = X Ovvero Log = -7 Log = -14 e Log 10 1 = 0

22 acidi e basi22 I logaritmi si usano per evitare di utilizzare numeri esponenziali quando si hanno grandezze con unampia variazione. Si definisce pH di una soluzione il logaritmo cambiato di segno della sua concentrazione idrogenionica pH[H + ][ OH - ]soluzione Acida Acida Acida Acida Acida Acida Acida Neutra Basica Basica Basica Basica Basica Basica Basica Soluzione acida pH<7 Soluzione neutra pH=7 Soluzione basica pH>7 SoluzionepH Soluzione 1M di HCl0 Succo gastrico1.4 Succo di limone2.3 Aceto3 Piogge acide3.4 Coca Cola3.8 Succo di pomodoro4.2 Caffè4.5 Urina6.2 Latte6.5 Acqua minerale gassata6.6 Acqua distillata7 Sangue7.4 Acqua di mare8.5 Sapone neutro10 Ammoniaca commerciale Soluzione 1M di NaOH14

23 acidi e basi23 Il pH si misura attraverso sostanze dette indicatori, che cambiano di colore a seconda dellacidità o basicità della soluzione con cui entrano in contatto Esistono vari indicatori ognuno dei quali è utilizzato per misurare uno specifico valore di pH, detto punto di viraggio, a cui avviene il cambiamento di colore Indicatore universale tornasole Esistono inoltre apparecchi elettronici con sonda ad immersione detti pHmetri pHmetro

24 acidi e basi24 Calcolo del pH di una soluzione Il pH di una soluzione dipende dalla concentrazione degli ioni H + I vari acidi possono liberare un numero variabile di ioni H + a seconda del numero di atomi di idrogeno presenti nella loro formula HCl H + + Cl - HClO 4 H + + ClO 4 - Acidi monoprotici liberano uno ione H + per molecola (HCl; HClO 4 ; HBr; HNO 3 ecc.) Acidi bioprotici liberano due ioni H + per molecola (H 2 SO 4 ; H 2 CO 3 ; H 2 SO 3 ecc.) H 2 SO 4 2H + + SO 4 2- H 2 SO 3 2H + + SO 3 2- H 3 BO 3 3H + + BO 3 3- H 3 PO 3 3H + + PO 3 3- Acidi triprotici liberano tre ioni H + per molecola (H 3 PO4; H 3 PO 3 ; H 3 BO 3 ecc.) Per gli acidi poliprotici si scrivono tanti equilibri diversi quanti sono gli ioni H + ceduti; per ogni equilibrio si definisce una Ka, il cui valore diviene progressivamente più basso, via via che si sono già ceduti ioni H +.

25 acidi e basi25 Considerazioni analoghe si possono fare per gli idrossidi, le uniche basi che considereremo Basi monoacide liberano uno ione OH ¯ per unità di formula (NaOH, AgOH, CuOH ecc.) Basi biacide liberano due ioni OH ¯ per unità di formula [Ca(OH)2; Cu(OH) 2 ; ecc.] Basi triacide liberano tre ioni OH¯ per unità di formula [Al(OH) 3 ;Fe(OH) 3 ecc.] NaOH Na + + OH - Ca(OH) 2 Ca OH - Pb(OH) 4 Pb OH - Al(OH) 3 Al OH - Basi tetracide liberano quattro ioni OH¯ per unità di formula [Pb(OH) 4 ;Sn(OH) 4 ecc.] Anche per le basi poliacide si scrivono tanti equilibri diversi quanti sono gli ioni OH¯ ceduti; per ogni equilibrio si definisce una Kb, il cui valore diviene progressivamente più basso, via via che si sono già ceduti ioni OH¯.

26 acidi e basi26 Gli acidi e le basi, possono essere forti o deboli, a seconda del valore assunto dalla loro Ka o Kb. Acidi e basi forti o fortissimi si ritiene che siano completamente dissociati nella soluzione; ovvero per ogni molecola di acido si ottiene uno ione H +, mentre per ogni unità di formula dell'idrossido si ottiene uno ione OH ¯. Per acidi e basi deboli o di media forza la trattazione è invece più complessa Per semplicità, nella nostra trattazione considereremo solo acidi monoprotici forti o fortissimi e basi monoacide forti o fortissime. Calcoliamo adesso il pH di una soluzione, ricordando che esso è una grandezza intensiva della soluzione, che dipende solo dalla concentrazione molare di H + e non dal quantitativo di soluzione preso in esame Acidi forti monoprotici: la concentrazione molare di H + è pari a quella dellacido Basi forti monoacide: la concentrazione molare di OH ¯ è pari a quella della base. In questo caso la concentrazione molare di H + si ottiene dalla relazione:

27 acidi e basi27 Neutralizzazioni e titolazioni Un acido reagisce con una base neutralizzandola e viceversa Se la reazione avviene in soluzione acquosa si ottiene un sale e dellacqua NaOH + HCl NaCl + H 2 O NaOH Na + + OH – HCl H + + Cl – Utilizziamo solo acidi forti monoprotici e basi forti monoacide Se in soluzione abbiamo ugual numero di molecole di acido e di unità di formula di base queste si neutralizzano e la soluzione è neutra (pH=7) Se le molecole di acido superano quelle della base la soluzione è acida, con pH tanto minore quanto più lacido supera la base. Se invece le molecole della base superano quelle dellacido la soluzione è basica, con pH tanto maggiore quanto più la base supera lacido.

28 acidi e basi28 Reazioni di neutralizzazione: aggiungiamo un acido ad una soluzione basica (o viceversa) per spostare il pH verso 7 Titolazioni: le reazioni di neutralizzazione sono impiegate per calcolare il titolo (concentrazione) incognito di una soluzione acida o basica Determiniamo ora il titolo incognito di una soluzione di un acido forte, (la concentrazione dello ione H + è pari a quella dellacido) Prendiamo un volume noto della soluzione da titolare ed aggiungiamo alcune gocce di un indicatore che vira a pH 7 Con una buretta aggiungiamo (piccoli) volumi noti di una soluzione a titolo noto (soluzione titolante), fino a raggiungere pH 7, (viraggio dellindicatore)

29 acidi e basi29 Ricordiamo che moli = volume concentrazione A pH 7 dunque volume acido concentrazione acido = volume base concentrazione base moli H + = moli OH ¯ Nella titolazione di una soluzione basica lespressione diventa:

30 acidi e basi30 Negli esercizi le incognite possono essere anche i volumi


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