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.

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.

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

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.

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.

$\mathrm{HA}\left(\mathrm{aq}\right)\to {\mathrm{H}}^{+}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{A}}^{-}\left(\mathrm{aq}\right)$

Acidi e basi coniugate

È possibile trovare anche acidi e basi coniugate.

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

${\mathrm{NH}}_3\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\left(\mathrm{l}\right)\to {{\mathrm{NH}}_4}^{+}\left(\mathrm{aq}\right)+{\mathrm{OH}}^{-}\left(\mathrm{aq}\right)$

Reazioni di neutralizzazione

Acidi e basi reagiscono insieme nelle reazioni di neutralizzazione.

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.

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.

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.

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.

Acidi e basi forti e deboli

Osserva le seguenti equazioni:

$\mathrm{HCl}\to {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{Cl}}^{-}$

${\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COO}}^{-}$

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.

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?

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.

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.

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:

Figura 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.

Figura 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?

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.

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.