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Acidi e basi

Ti sei mai chiesto cosa rende una compressa antiacida così efficace? E il dentifricio? Di cosa è fatta la crema usata per alleviare il dolore causato dalle punture di vespa? Sono esempi quotidiani di reazioni di neutralizzazione tra acidi e basi. 

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Ti sei mai chiesto cosa rende una compressa antiacida così efficace? E il dentifricio? Di cosa è fatta la crema usata per alleviare il dolore causato dalle punture di vespa? Sono esempi quotidiani di reazioni di neutralizzazione tra acidi e basi.

Che cosa sono gli acidi e le basi?

Esistono diverse definizioni di acidi e basi, a seconda della teoria considerata. Prendiamo ad esempio gli acidi.

  • Il chimico-fisico svedese Svanthe Arrhenius definì per la prima volta un acido nel 1884 come una sostanza che si dissocia in ioni idrogeno in soluzione.
  • Nel 1923, due scienziati di nome Johannes Nicolaus Brønsted e Thomas Martin Lowry giunsero indipendentemente a una diversa teoria degli acidi e delle basi. Essi affermarono che un acido è un donatore di protoni.
  • Sempre nel 1923, Gilbert N. Lewis definì un acido come un accettore di coppie di elettroni.

Uno ione idrogeno è in realtà solo un protone. Gli atomi di idrogeno contengono un protone e un elettrone. Se si rimuove l'elettrone in una reazione di ionizzazione, rimane solo un protone.

In questo articolo siamo interessati ad approfondire la teoria formulata da Brønsted e Lowry.

Un acido è un donatore di protoni.

Gli acidi monoprotici donano solo un protone per molecola acida in soluzione, mentre gli acidi diprotici ne donano due.

La parola acido deriva dal termine latino "acidus", che significa acido. Se proviamo a pipettare una soluzione acida sulla cartina tornasole, questa diventerà rossa. Le basi, invece, fanno diventare la cartina tornasole tendente al blu e hanno una consistenza saponosa.

Una base è un accettore di protoni.

Gli acidi e le basi si dissociano in soluzione. Ciò significa che si dividono in ioni. Ad esempio, gli acidi si dividono sempre in protoni e uno ione negativo, mentre le basi si dissociano in ioni idrossido e uno ione positivo.

HA(aq) H+(aq) + A-(aq)

B(aq) + H2O(l) BH+(aq) + OH-(aq)

Suggerimento: non tutte le basi contengono il gruppo OH. Altre basi, come l'ammoniaca NH3. Verranno analizzate in Acidi e Basi di Brønsted-Lowry.

Acidi e basi coniugate

È possibile trovare anche acidi e basi coniugate.

Un acido coniugato è una base che ha guadagnato un protone, mentre una base coniugata è un acido che ha perso un protone.

Gli acidi e le basi sono accompagnati da un acido o una base coniugati. Ad esempio, l'acido coniugato dell'ammoniaca è lo ione ammonio NH4+:

Base Acido coniugato

NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)

Reazioni di neutralizzazione

Acidi e basi reagiscono insieme nelle reazioni di neutralizzazione.

Una reazione di neutralizzazione è una reazione tra un acido e una base.

Le reazioni di neutralizzazione formano i sali. I sali sono composti ionici costituiti da ioni positivi e negativi tenuti insieme in un reticolo gigante. Per denominarli, si indica prima il catione (ione positivo) e poi l'anione (ione negativo). Ad esempio, il cloruro di sodio, che in realtà è il comune sale da cucina. Un altro esempio di sale è il cloruro di calcio, usato per sghiacciare le strade.

Acidi e basi, sale reticolare di cloruro di sodio, StudySmarter

Figura 1. Cloruro di sodio. Gli ioni positivi del sodio (viola) e quelli negativi del cloruro (verde) sono disposti in una struttura reticolare. Fonte: commons.wikimedia.org

Per neutralizzare completamente una soluzione, si aggiunge una quantità di base sufficiente a reagire con tutto l'acido: non devono rimanere né acido né base.

In una soluzione neutra, le concentrazioni di ioni idrogeno e idrossido sono uguali.

Come abbiamo già detto, l'assunzione di compresse antiacide, il lavaggio dei denti e il trattamento delle punture di vespa comportano reazioni di neutralizzazione. Le compresse antiacido contengono basi come l'idrossido di magnesio Mg(OH)2, che neutralizzano l'eccesso di acido cloridrico prodotto dallo stomaco. Il dentifricio, invece, è alcalino e reagisce con gli acidi prodotti dai batteri che vivono nella nostra bocca. Anche le punture di vespa sono alcaline. Per questo motivo, creme e balsami contengono spesso acidi per neutralizzare la puntura e calmare la zona colpita.

Un alcali è una base solubile in acqua.

Acidi e basi concentrate e diluite

Probabilmente avrai sentito parlare dei pericoli degli acidi e ti saranno venute in mente, immagini di cartelli di avvertimento corrosivi. Sebbene sia vero che sia gli acidi che le basi possono essere estremamente pericolosi, in genere ci si deve preoccupare solo degli acidi e delle basi concentrate.

La concentrazione si riferisce al numero di molecole di acido o di base in soluzione. Un acido o una base concentrati contengono molte molecole disciolte in soluzione, mentre un acido o una base diluiti ne contengono meno.

Acidi e basi forti e deboli

Osserva le seguenti equazioni:

HCl H+ + Cl-

CH3COOH H+ + CH3COO-

Sia l'acido cloridrico HCl che l'acido etanoico (o acido acetico) CH3COOH sono acidi, come suggeriscono i loro nomi. Entrambi si dissociano donando protoni in soluzione. Tuttavia, noterai qualcosa di diverso nelle loro equazioni. Mentre la reazione che coinvolge l'acido cloridrico va a compimento, quella che coinvolge l'acido etanoico è reversibile. Questo accade perché l'acido cloridrico è un acido forte, mentre l'acido etanoico è debole.

Gli acidi e le basi forti sono acidi e basi che si dissociano completamente in soluzione. Al contrario, gli acidi e le basi deboli si dissociano solo parzialmente in soluzione.

Esempi di acidi forti sono l'acido cloridrico, presente nei succhi gastrici, e l'acido solforico. Esempi di acidi deboli sono invece l'acido etanoico, presente nell'aceto di malto, e l'acido citrico, presente negli agrumi come i limoni. Le basi forti comprendono l'idrossido di sodio e le basi deboli l'ammoniaca. Gli acidi e le basi deboli verranno approfonditi in acidi e le basi deboli.

Anche se la differenza tra un acido forte e uno debole può sembrare banale, diventa importante quando si calcola il pH, come si vedrà più avanti. Ma prima di esplorare questo aspetto, dobbiamo definire che cos'è effettivamente il pH.

Che cos'è la scala di pH?

pH = - log [H+] È una misura della concentrazione di ioni idrogeno in soluzione.

La scala del pH è stata inventata da un chimico danese di nome Søren Peder Lauritz Sørensen, che cercava di controllare l'acidità della sua birra. Le soluzioni con un'alta concentrazione di ioni idrogeno hanno un pH basso e viceversa.

Ora sai che gli acidi rilasciano protoni (ioni idrogeno) in soluzione. Ciò significa che gli acidi hanno un pH basso. Le basi, invece, hanno un pH elevato.

Acidi e basi Scala del pH StudySmarterFigura 2. Scala di pH.

Calcolo del pH

Il calcolo del pH può essere un po' complicato. Ci sono molte equazioni da imparare ed è facile confondersi tra moli e concentrazioni. La tabella seguente fornisce alcuni dei valori che è necessario conoscere per calcolare il pH, nonché le equazioni che li collegano.

Valore
Equazione
Spiegazione
pH

pH = - log [H+]

Misura della concentrazione di ioni idrogeno in soluzione

pOH

pOH = - log [OH-]

Misura della concentrazione di ioni idrossido in soluzione

Ka

Ka = [H+] [A-] / [HA]

Costante di dissociazione per acidi deboli

Kb

Kb = [BH+] [OH-] / [B]

Costante di dissociazione per basi deboli

Kw
Kw = [H+] [OH-]

Kw = Ka x Kb

Costante di dissociazione per l’acqua. A temperatura ambiente 25°C,

Kw = 1.00 x 10-14

pKa

pKa = - log (Ka)

pKb e pKw possono essere calcolate tramite il log negativo di Kw e Kb

pKw

pKw = pKa + pKb

pKw = pH + pOH

A temperatura ambiente pKw = 14

Tabella 1. Grandezze importanti per gli acidi e le basi.

Nei prossimi articoli esamineremo tutti questi valori in modo più dettagliato e ti illustreremo i diversi metodi di calcolo del pH. Tuttavia, il processo può essere riassunto con il seguente diagramma di flusso:

Acidi e basi, diagramma di flusso del pH acido-base, StudySmarterFigura 3. Un diagramma di flusso utilizzato per calcolare il pH di acidi e basi.

Misura del pH

Se si sta eseguendo una reazione acido-base come una neutralizzazione, che analizzeremo di seguito, si potrebbe voler conoscere il pH di una soluzione a intervalli regolari. Calcolare il pH ogni volta potrebbe essere un po' laborioso. Fortunatamente, esistono diversi modi per trovare il pH istantaneamente.

  • Gli indicatori sono sostanze che mostrano un cambiamento netto e osservabile quando cambiano le condizioni in cui si trovano. Nella maggior parte dei casi si tratta di un cambiamento di colore. L'indicatore universale è una miscela di diversi indicatori che copre l'intero spettro di colori a seconda che una sostanza sia acida o alcalina.
  • I pH-metri (piaccametri) sono strumenti digitali che misurano con precisione il pH di una soluzione. Lo fanno misurando le differenze di potenziale elettrico.

Acidi e basi Indicatore universale StudySmarterFigura 4. Indicatore universale. Ricorda che un pH basso è acido mentre un pH alto è alcalino. Fonte: commons.wikimedia.org

Che cosa sono le soluzioni tampone?

Una soluzione tampone è una soluzione che mantiene un pH costante quando vi si aggiungono piccole quantità di acido o di alcali.

In Soluzioni tampone scoprirai come funzionano queste soluzioni straordinariamente utili. Ci sono molti sistemi che semplicemente non funzionerebbero se il loro pH fluttuasse al di fuori di un intervallo ristretto, come ad esempio il sistema circolatorio.

Il pH del sangue è mantenuto da tre sistemi, in particolare da quello chiamato sistema tampone del bicarbonato. Un pH costante di circa 7,4 è necessario per mantenere le condizioni ottimali per l'attività enzimatica. Quando le cellule respirano, rilasciano CO2 nel sangue. Questo reagisce con l'acqua e si trasforma nello ione bicarbonato, che esiste in equilibrio con l'acido carbonico. Gli acidi prodotti dall'attività cellulare, ad esempio l'acido lattico, vengono neutralizzati dagli ioni bicarbonato HCO3-, mentre le basi vengono neutralizzate dall'acido carbonico H2CO3. Nel complesso, questo mantiene un pH costante.

Cosa sono le titolazioni?

Supponiamo di avere una soluzione di acido cloridrico ma di non essere sicuri della sua concentrazione. Un modo comune per scoprire la concentrazione di un acido o di una base sconosciuta è la reazione di titolazione. Per farlo, si neutralizza un volume fisso di un acido o di una base a concentrazione nota con l'acido o la base a concentrazione sconosciuta e si misura il volume di sostanza sconosciuta necessario.

Per eseguire con precisione una titolazione, è necessario conoscere il suo punto di equivalenza.

Il punto di equivalenza è il punto in cui è stata aggiunta una quantità di base sufficiente a neutralizzare un acido in soluzione, o viceversa.

Per determinare quando si è raggiunto il punto di equivalenza, si usa un indicatore, come abbiamo detto sopra. Gli indicatori sono utili perché cambiano colore a un determinato pH. Questo è noto come punto finale.

Il punto finale di una titolazione è il punto in cui l'indicatore cambia colore.

Se il punto finale di una titolazione coincide con il suo punto di equivalenza, si può usare il cambiamento di colore dell'indicatore per capire quando si è aggiunta una quantità di base sufficiente a neutralizzare l'acido, o viceversa. Si può quindi utilizzare l'equazione chimica della reazione per calcolare la concentrazione dell'acido o della base incogniti. Per saperne di più, consulta Curve di pH e Titolazioni.

Curve di pH e indicatori adeguati

Tracciando la variazione del pH in una reazione di neutralizzazione in funzione del volume di acido o di base aggiunto si ottiene un grafico curvilineo noto come curva di pH. Essa presenta tre sezioni distinte:

  • Una sezione iniziale a bassa pendenza, in cui il pH cambia appena.
  • Un tratto a forte pendenza, dove il pH cambia rapidamente.
  • Un'altra sezione a bassa pendenza, dove il pH cambia appena.

Il punto di equivalenza di una titolazione si trova a metà di questa sezione a forte pendenza. Se anche il punto finale di un indicatore si trova in questa sezione, è possibile utilizzare l'indicatore nella titolazione.

Curva di titolazione di acidi e basi pH StudySmarterFigura 5. Curva di pH per l'aggiunta di una base forte a un acido debole. Sono mostrati i punti finali di due indicatori. In questo caso, la fenolftaleina sarebbe un indicatore adatto, poiché il suo punto finale si trova nella sezione a forte pendenza del grafico, che contiene anche il punto di equivalenza.

Esperimento di titolazione

Un'attività pratica divertente potrebbe essere l'esecuzione di una semplice titolazione o di una reazione di neutralizzazione generale. In effetti, nel corso dei vostri studi probabilmente effettuerete molte titolazioni. Se state eseguendo una titolazione, assicurati di usare un indicatore adatto, ma puoi anche usare un misuratore di pH. Esaminiamo il processo utilizzando l'acido cloridrico e l'idrossido di sodio.

  • Misurare 30 mL di HCl con un matraccio tarato. Versare la soluzione in una beuta.
  • Aggiungere 2-3 gocce del proprio indicatore e agitare la beuta.
  • Sciacquare una buretta, prima con acqua distillata e poi con NaOH. Preparare la buretta con un supporto e una pinza in modo che sia sospesa sopra la beuta.
  • Riempire la buretta con il titolante. Annotare il valore di questa soluzione sulla buretta. Questo è il valore di partenza.
  • Aggiungere il titolante alla beuta a intervalli di 1 mL, agitando dopo ogni aggiunta, finché la soluzione nella beuta non cambia colore. Annotare il valore indicato sulla buretta. Questo è il valore finale.
  • Per calcolare il titolo, sottrarre il valore finale da quello iniziale. In questo modo si ottiene il volume di titolante aggiunto alla beuta.
  • Ripetere l'esperimento finché non si ottengono tre valori di titolo entro 1 mL l'uno dall'altro. Quando si raggiunge la fine della titolazione, vicino al punto di cambiamento del colore, aggiungere il titolante a goccia. Il cambiamento di colore avviene in un intervallo di volume molto piccolo e quindi l'aggiunta del titolante in quantità ridotte consente di essere più precisi.

Se si utilizza un pH-metro, misurare il pH della soluzione nella beuta ogni volta che si aggiunge il titolante. Quando ci si avvicina al punto di viraggio del colore, aggiungere il titolante in quantità minori come spiegato sopra.

Titolazione di acidi e basi: preparazione pratica StudySmarterFigura 6. Set-up tipico di una titolazione.

Le titolazioni hanno molte applicazioni utili nella vita quotidiana. Ad esempio, vengono utilizzate per determinare il grado di contaminazione delle acque reflue e per scoprire il contenuto nutrizionale di alcuni alimenti, come la percentuale di acidi grassi saturi e insaturi presenti. Anche l'industria cosmetica utilizza le titolazioni per assicurarsi che il pH dei propri prodotti rimanga entro un intervallo sicuro per la pelle umana.

Acidi e basi - Punti chiave

  • Esistono diverse definizioni di acidi e basi. La definizione di Brønsted-Lowry definisce gli acidi come donatori di protoni e le basi come accettori di protoni.

  • Gli acidi e le basi si dissociano in soluzione. Gli acidi si dissociano in ioni idrogeno e le basi in ioni idrossido.

  • Mentre gli acidi e le basi forti si dissociano completamente in soluzione, gli acidi e le basi deboli si dissociano solo parzialmente.

  • La concentrazione è una misura del numero di molecole di acido o di base in soluzione.

  • Una reazione di neutralizzazione è una reazione tra un acido e una base che forma un sale. Una soluzione neutra contiene concentrazioni uguali di ioni idrogeno e idrossido.

  • Il pH è una misura della concentrazione di ioni idrogeno in soluzione. Possiamo calcolare il pH di varie soluzioni utilizzando valori come Ka, Kb, Kw e pOH.

  • Le reazioni di titolazione aiutano a determinare la concentrazione di un acido o di una base. Utilizzano indicatori per mostrare quando si è raggiunto il punto di equivalenza della reazione.

  • Le soluzioni tampone sono soluzioni che mantengono un pH costante quando vi si aggiungono piccole quantità di acidi o basi.

Domande frequenti riguardo Acidi e basi

Esistono diverse definizioni di acidi e basi, a seconda della teoria considerata. Prendiamo ad esempio gli acidi.


  • Il chimico-fisico svedese Svanthe Arrhenius definì per la prima volta un acido nel 1884 come una sostanza che si dissocia in ioni idrogeno in soluzione.
  • Nel 1923, due scienziati di nome Johannes Nicolaus Brønsted e Thomas Martin Lowry giunsero indipendentemente a una diversa teoria degli acidi e delle basi. Essi affermarono che un acido è un donatore di protoni.
  • Sempre nel 1923, Gilbert N. Lewis definì un acido come un accettore di coppie di elettroni.

Un acido si riconosce poichè in soluzione acquosa libera ioni H+. Una base invece, dissociandosi in una soluzione acquosa libera ioni idrossido OH-

Una base coniugata deriva dalla perdita di un protone da parte di un acido.

Una soluzione tampone è una soluzione che mantiene un pH costante quando vi si aggiungono piccole quantità di acido o di alcali.  

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