Acidi e basi

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.

Figura 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.

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.

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.

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.

Figura 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.

Figura 6. Set-up tipico di una titolazione.