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Le proprietà degli acidi e delle basi, la definizione di Arrhenius e di Bronsted-Lowery, le coppie coniugate acido-base, l'autoionizzazione dell'acqua e il prodotto ionico dell'acqua. Vengono inoltre spiegate le soluzioni acide, basiche e neutre.
Tipologia: Appunti
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le caratteristiche tipiche degli acidi sono: il sapore agro, l’azione solvente, la proprietà di neutralizzazione con le basi, la possibilità di reagire con i metalli liberando idrogeno e la capacità di far cambiare colore ad alcune sostanze, indicatori. Mentre le basi , sono sostanze che reagiscono con gli acidi formando soluzioni neutre di sali e acqua, hanno la proprietà di far cambiare colore alle sostanze e annullano gli effetti degli acidi ripristinando il colore originario, sono scivolose al tatto e hanno un gusto amaro. (acidi) (basi) Liberano idrogenioni liberano ioni idrossido Conducono elettricità conducono elettricità Colorano in rosso il tornasole colorano in blu il tornasole Neutralizzano le basi neutralizzano gli acidi Arrhenius osservò che gli acidi e le basi in soluzione conducevano corrente elettrica, perché davano luogo agli ioni; e anche che gli acidi sono sostanze capaci di rilasciare in acqua idrogenioni H+, mentre le basi in acqua liberano ioni idrossido. Non tutti gli acidi o basi riescono a scindersi in ioni, alcuni sono definiti elettrolita forti (α=1) perché si dissociano al 100%, mentre alcuni sono elettrolita deboli (α<1) , perché si dissociano parzialmente. Lo ione H+^ che si genera da un atomo di idrogeno da cui è stato estratto un elettrone, è un protone. Essendo una carica elettrica elevatissima in un volume così piccolo, dà al protone tanta energia. Perciò il protone non potrebbe esistere da solo e quindi quando un acido si ionizza, lo ione H+, si legame con un legame dativo , all’atomo di ossigeno di una molecola di acqua. Si forma il catione H 3 O+, o detto ione ossonio o ione idronio. Però si iniziarono a vedere i limiti della definizione di arrhenius, infatti ciò si riferiva solo al sovente acqua; e alcune sostanze pur non avendo atomi di idrogeno formavano soluzioni in acqua acide. DEFINIZIONE ARREHENIUS: un acido secondo arrhenius è una sostanza che incrementa la concentrazione di ioni H 3 O+^ in acqua; una base è una sostanza che incrementa la concentrazione di ioni OH-^ in acqua.
Dopo che la teoria di arrehenius era diventata obsoleta, bronsted propose una nuova definizione, secondo lui, un acido, che può essere una molecola o uno ione, rilascia idrogenione a condizione che possa trasferirlo a una base, che è un’altra molecola o un altro ione. Ciò può essere possibile solo se c’è un acido che cede l’idrogenione e una che lo accetta. L’acido è la specie chimica donatore dell’idrogenione mentre la base è la specie chimica accettore. Un acido è una specie chimica capace di cedere un idrogenione a una base; una base è una specie chimica un grado di accettare un idrogenione da un acido.
durante una reazione tra un acido e una base, l’acido cede l’idrogeno alla base e si trasforma anch’esso in una base. Il prodotto della sua trasformazione è una specie chimica che può riacquistare l’idrogenione nella reazione inversa, almeno potenzialmente. La base derivata da un acido che perde l’idrogenione è, base coniugata dell’acido. Mentre una base che acquista l’idrogenione diventando un acido è, acido coniugato di una base. Insieme vengono chiamate coppia coniugata acido-base. Nella reazione tra un acido+ la base quindi per esempio HCOOH+H 2 O l’acido perde un idrogenione e diventa la base HCOO-, mentre la base H 2 O diventa l’acido H 3 O+ quindi l’acqua ha un numero uguale di ioni H 3 O+^ e OH-, ma con l’aggiunta dell’acido aumenta la concentrazione di ioni H 3 O+. nella reazione inversa per esempio base+ acido NH 3 +H 2 O, la base prende un uno ione idrogenione e diventa l’acido NH 4 +^ , mentre l’acido diventa la base OH-^ in questo caso è aumentata la concentrazione degli ioni idrossido OH-^ dell’acqua. Ogni reazione acido-base secondo bronsted, richiede il trasferimento di un idrogeno da un acido a una base e presenta due coppie coniugate acido-base.
l’acqua è in grado di dissociare, oltre ai composti ionici, i composti molecolari in cui sono presenti legami covalenti eteropolari. le molecole di acqua sono formate proprio da questi e quindi anche se in modo limitato l’acqua pura può dissociarsi. Infatti due molecole d’acqua che si ionizzano cedono un idrogenione H+^ alle altre molecole d’acqua, quindi nella reazione si formerà uno ione ossonio H 3 O+^ e un ione idrosido o ossidrilione OH-. Questa reazione di dissociazione ionica dell’acqua è un autoionizzazone. Una molecola di acqua si comporta da acido e perde uno ione idrogenione, mentre l’altra molecola di acqua si comporta da base e lo acquisisce. E nelle reazioni con una soluzione acida o basica, l’acqua si comporta come una base in presenza di un acido e si comporta come un acido in presenza di una base. Questa caratteristica è definita elettrolita anfotero. La dissociazione ionica dell’acqua è una reazione reversibile, poiché K ha un valore bassissimo l’equilibrio è spostato a sinistra. Kw è la costante del prodotto ionico dell’acqua , che a 25 gradi va 10- Il prodotto delle concentrazioni dello ione ossonio e dello ione idrossido in acqua ha valore costante di 10-14-^ a 25 gradi Nell’acqua la concentrazione dello ione ossonio è uguale a quella dello ione idrossido
Nell’acqua le due concentrazioni dello ione ossonio H 3 O+^ e dello ione idrossido OH-, sono uguali. Per questo equilibrio tra gli ioni l’acqua è neutra, come tutte le soluzioni che hanno gli ioni ossonio e idrossido concentrazioni uguali. Una soluzione neutra ha la concentrazione degli ioni ossonio uguale a quella degli ioni idrossido. Se aggiungessimo un acido o una base all’acqua pura il valore di dissociazione in equilibrio cambierebbe; Infatti aggiungendo un acido, aumentano gli ioni di H 3 O+, una
Se x ha un valore medio di elettronegatività, si comporta da acido in presenza di una base, e da base in presenza di un acido, si comporta da elettrolita anfotero. Un generico composto X—O—H si comporta da acido, da base o da elettrolita anfotero a seconda che X abbia, rispettivamente, un valore alto basso o medi di elettronegatività. Se il composto non ha atomi di ossigeno tra l’elemento X e l’idrogeno. L’elemento molto elettronegativo attira gli elettroni di legame, con l’aiuto dell’acqua, libera l’idrogenione. Nel caso degli idruri, l’elemento X è un metallo con un basso valore di elettronegatività, l’acqua non è in grado di strappare l’idrogenione. Gli idruri nell’acqua non si comportano da acidi.
Più basso è il valore del pH, più idrogenioni sono liberi, più l’acido è dissociato. Tutti gli acidi e le basi in soluzioni si dissociano in ioni e quindi sono elettroliti. Però possono essere elettroliti forti o deboli. Gli acidi e basi che in acqua sono molto dissociati sono detti acidi forti e basi forti. in questo caso l’equilibrio di dissociazione della reazione è spostato a destra e la costante di equilibrio ha un valore alto. in un acido forte la concentrazione degli ioni H 3 O+, in soluzione è uguale alla concentrazione dell’acido prima della dissociazione. Gli acidi e basi che in acqua sono parzialmente dissociati sono detti acidi deboli o basi deboli. Un acido debole in acqua ha la concentrazione degli H 3 O+ molto inferiore rispetto alla concentrazione dell’acido prima della dissociazione. L’equilibrio di dissociazione è spostato a sinistra , K<1. Ka è la costante di dissociazione dell’acido mentre Kb è la costante di dissociazione della base. Per esempio la costante di dissociazione di una base debole NH 3 è: NH 3 +H 2 O NH 4 ++OH- Kb= [OH-][NH 4 +]/[NH 3 ] (la concentrazione dell’acqua è costante) Un valore alto di Ka indica che i prodotti nella reazione di dissociazione sono favoriti rispetto ai reagenti, quindi l’acido è forte. Più forte è l’acido più debole è la sua base coniugata; più debole è l’acido più forte questa sarà; maggiore è il valore Ka più baso sarà Kb e viceversa poiché il loro prodotto deve essere 10 -14. Gli acidi, con un solo idrogeno, e che quindi possono cedere un solo idrogenione sono gli acidi monoprotici. Gli acidi che contengono più atomi di idrogeno riescono con la dissociazione a liberare più idrogenioni e sono detti acidi poliprotici , e a seconda di quanti idrogenioni cedono sono acidi diprotici, triprotici o tetraprotici. Il valore di Ka diminuisce man mano che diminuiscono gli idrogeni ionizzabili. Cosi anche le basi, quelle che contengono più OH-^ , possono rilasciare più ioni idrossido, base polibasiche , tipo base dibasica, tribasica ecc..
Nel caso di acidi e basi forti la concentrazione dello ione ossonio o dello ione idrossido è uguale alla concentrazione della soluzione iniziale. Esempio: se ho una soluzione di 0,1M di un acido forte HNO 3 , la concentrazione di H 3 O+= 0,1M (10-1) Ph=-Log[H 3 O+]=-Log10-1=-(-1)= E cosi per il Poh. Nel caso di acidi o di basi deboli, quindi che si dissociano parzialmente, la concentrazione di ioni ossonio o di ioni idrossido è sempre inferiore alla concentrazione della soluzione iniziale. Quindi il Ph di un acido debole è sempre più alto del pH un acido forte alla stessa
concentrazione il Poh di una base debole è sempre più basso del pOH di una base forte alla stessa concentrazione. Per determinare il Ph delle soluzioni di acidi o basi deboli bisogna considerare il Ka o Kb. esempio: se ho una soluzione 0,1M di un acido debole CH 3 COOH, con costante di dissociazione Ka =1,8 10-5. CH 3 COOH+H 2 O CH 3 COO- +H 3 O+ Ka= [CH 3 COO-] [H 3 O+] / [CH 3 COOH] Ka=[H 3 O+]^2 /Ma [H 3 O+] = √1,8 10-5^ x 0,1= 1,3 10-3M pH=-Log [H 3 O+] = -Log1,3 10-3=2, [H 3 O+] = √Ka Ma pH=-Log√Ka Ma [OH-]=√Kb Mb pOH=-Log √Kb Mb
Se facciamo reagire una soluzione di un acido monoprotico con una soluzione equimolecolare di una base monobasica si ottiene una soluzione di un sale: HCl+NaOH NaCl+H 2 O (acido) (base) (sale) (acqua) Avevamo quindi una soluzione acida e una basica. Unendo un numero uguale di moli abbiamo ottenuto una soluzione neutra con pH=7, come quella del sale e acqua. La soluzione dell’acido ha neutralizzato la soluzione della base, e viceversa. In una reazione di neutralizzazione una soluzione di una base aggiunta a una quantità equimolare di un acido in soluzione, o viceversa, produce una soluzione di un sale in acqua. Se l’acido è monoprotico e la base monobasica, dalla relazione di una mole di acido e una di base si ha la formazione di una mole di sale e di una di acqua. Se invece l’acido è di, tri o tetraprotico è diverso. Per esempio un acido triprotico forma tre tipi di sale, acido diprotico, ne dà due.
Alcuni Sali non fanno variare il pH dell’acqua, ma ci sono alcuni Sali che possono dare soluzione acide e altri che le danno basiche. Esempio: se sciogliamo NH 4 Cl in acqua, questo si dissocia in NH 4 +^ e Cl-. Gli ioni di NH 4 +^ reagiscono con le molecole d’acqua e formano NH 3 , una base debole poco dissociata e ioni H 3 O+. gli ioni di Cl-^ non reagiscono ne con l’acqua ne con gli ioni ossonio., perché hanno la minima tendenza a formare composti indissociati, HCl è un acido forte infatti. Nella soluzione perciò aumenta la concentrazione di ioni ossonio e per la costanza del prodotto ionico Kw, diminuisce la concentrazione di ioni di idrossido. La soluzione NH 4 Cl risulta acida. L’idrolisi salina è il fenomeno per cui una soluzione di un sale è acida o basica. Nel caso di un sale proveniente da una base debole [NH 3 ] e un acido forte[HCl] , si tratta di un’ idrolisi acida (pH acido). Esempio: se invece sciogliamo CH 3 COONa in acqua, questo si dissocia completamente in Na+^ e CH 3 COO-. Na+^ non reagisce con le molecole d’acqua mentre gli ioni di CH 3 COO- ,^ reagiscono con l’acqua e formano CH 3 COOH e rilasciano ioni di idrossido. Aumenta cosi la concentrazione di OH-^ e diminuisce la concentrazione di H 3 O+, la soluzione è diventata basica. Un sale proveniente da una base forte [NaOH] e un acido debole [CH 3 COOH] è una reazione di idrolisi basica. La reazione di idrolisi acida avviene nelle soluzioni dei Sali provenienti da un acido