OSS – Acidi e Basi
Acidi e basi
Il concetto di equilibrio:
Le reazioni chimiche sono generalmente irreversibili (non si può tornare alla situazione di
partenza). Un esempio semplificato potrebbe essere il seguente: quando brucio un pezzo di legno
non posso trasformare la cenere e farla ridiventare legno.
Normalmente si ha la tendenza a credere che i processi chimici siano irreversibili; questo vale per la
maggior parte dei casi e la scrittura che comunemente si usa per rappresentare un processo chimico,
in termini generici, è la seguente:
aA + bB -----> cC + dD
dove a, b, c e d sono i coefficienti stechiometrici mentre le lettere A, B, C, D rappresentano i
composti. Per completezza possiamo aggiungere che A e B sono gli edotti o reagenti (sostanze di
partenza) mentre C e D sono i prodotti (sostanze ottenute).
Vi sono però delle reazioni che sono reversibili (ossia si può ritornare dai prodotti agli edotti) ed in
generale, usando l’esempio precedente, funziona nel modo seguente: all’inizio siamo in presenza
unicamente degli edotti, la reazione inizia ad avere luogo, la concentrazione degli edotti diminuisce
ed iniziano a formarsi i prodotti per cui la loro concentrazione aumenta. Ad un certo punto si avvia
la reazione inversa (dai prodotti verso gli edotti), nella quale i prodotti reagiscono tra loro e si
ritrasformano negli edotti. La scrittura generica per una reazione reversibile è la seguente:
aA + bB <-----> cC + dD
Essa differisce dalla precedente solo per la doppia freccia che nel caso di una reazione irreversibile
era singola e rivolta verso i prodotti.
Si arriverà ad un certo punto in cui si instaurerà una situazione di equilibrio.
Cosa rappresenta il vocabolo equilibrio? Considerando l’esempio generico riportato qui sopra si ha
equilibrio quando le due reazioni (quella che porta verso i prodotti e quella che compie il percorso
inverso) si compensano; detto in altre parole: scelta un’unità di tempo che potrebbe essere un
secondo, un certo numero di molecole di A e di B si combinano tra loro per dare C e D, nella stessa
unità di tempo lo stesso numero di molecole di C e D reagiscono tra loro per dare A e B. Altra
possibilità per esprimere questo concetto: le concentrazioni di edotti e prodotti rimangono costanti
nel tempo.
Acidi e basi:
Gli acidi appartengono ad una famiglia di sostanze con le quali noi siamo abituati a convivere anche
perché, in alcuni casi, rivestono un ruolo di principale importanza per il funzionamento del nostro
organismo. Al riguardo ricorda che il succo gastrico contiene un acido concentrato molto potente,
l’acido cloridrico, adibito alla scomposizione degli alimenti che raggiungono il nostro stomaco.
Noi riconosciamo al palato una sostanza acida poiché possiede un sapore aspro (pensa per esempio
al limone) e siamo abituati a credere che l’acido sia pericoloso perché corrosivo. Questa affermazione è vera solo in parte; ossia si addice per gli acidi forti presenti in concentrazioni elevate.
La famiglia degli acidi può essere suddivisa in due gruppi: gli acidi organici e quelli inorganici. Il
termine organico si associa a vivente mentre inorganico richiama il mondo inanimato (non vivente).
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OSS – Acidi e Basi
Gli esempi per gli acidi inorganici sono:
• HCl, acido cloridrico (pulitura materiali)
• HNO3, acido nitrico (industria e agricoltura)
• H2SO4, acido solforico (industria plastica, pellicole fotografiche, vernici)
• H3PO4, acido fosforico (molecola ATP, agricoltura, Coca-Cola)
Negli acidi organici troviamo tutta una serie di composti; a livello di esempi possiamo indicare:
l’acido formico (prodotto dalle formiche), l’acido butirrico che dà al burro rancido il suo odore
caratteristico, gli acidi capronico, caprilico e caprinico che sono responsabili dell’odore disgustoso
dei caproni, del sudore e dei piedi non lavati, …
Possiamo ora provare a costruire la definizione di acido. Prendiamo in considerazione l’acido
cloridrico (HCl):
H ________ Cl
si tratta di un legame covalente polare poiché i due elementi sono non metalli e la differenza di En
tra cloro e idrogeno è di 0,96. Essendo il cloro quello più elettronegativo, avrà gli elettroni di
legame più vicini rispetto all’idrogeno perciò sarà caricato parzialmente negativamente. Mettendo
HCl in acqua vi saranno delle interazioni di tipo elettrico tra cariche di segno opposto e si potrà
scrivere ciò che avviene nel modo seguente:
HCl + H2O <-----> H3O+ + ClAttenzione: le scritte H e H+ non devono essere confuse; la prima rappresenta l’atomo di idrogeno
nella molecola polare di acido cloridrico dove siamo alla presenza di un legame covalente polare; la
seconda indica che l’atomo di idrogeno ha lasciato il suo elettrone al cloro perciò è diventato
positivo ed in qualche modo ha reagito con la molecola di acqua (la stessa cosa vale per il cloro).
Per gli acidi vale allora quanto segue:
Scrittura generica:
Esempi:
HA + H2O <-----> H3O+ + AHCl + H2O
HNO3 + H2O
<-----> H3O++ Cl<-----> H3O+ + NO3-
H2SO4 + H2O <-----> H3O+ + HSO4HSO4- + H2O <-----> H3O+ + SO42Secondo quanto detto finora l’acido risponde alla seguente definizione:
una sostanza è detta acida quando è in grado di cedere degli ioni H+ (normalmente all'acqua).
I criteri per riconoscere se un composto è un acido sono i seguenti:
•
•
La molecola contiene idrogeno? NaCl non sarà mai un acido poiché non contiene H. HCl e
CH4, per esempio potrebbero esserlo.
Siamo alla presenza di legame covalente polare? Se la risposta è affermativa, con buone
probabilità hai a che fare con una sostanza acida come nel caso di HCl. Il metano (CH4)
contiene idrogeno ma è caratterizzato da legame covalente apolare e non libera H+, di
conseguenza non è un acido.
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OSS – Acidi e Basi
•
Per risolvere qualsiasi dubbio consulta le tabelle sugli acidi che impareremo a leggere
correttamente tra poco.
La maggior parte delle basi è formata da un metallo e da un gruppo non metallico e queste sostanze,
oltre che essere delle basi, sono anche dei sali.
Come dissociano in acqua?
Scrittura generica:
Esempi:
BOH
<-----> B + + OH-
NaOH <-----> Na + + OHKOH <-----> K + + OHCa(OH)2 <-----> Ca 2+ + 2 OH-
La dissociazione di queste basi in acqua segue lo stesso ragionamento che abbiamo fatto per i sali.
In conformità a quanto abbiamo detto finora possiamo ricavare la prima definizione di base
(vedremo subito che queste ultime sono due), ossia:
la base è una sostanza che, in acqua, libera ioni OH .
Ci troviamo però di fronte ad un problema: considerando l’ammoniaca, essa sembrerebbe essere un
acido (contiene l’idrogeno H, è formata da non metalli ed è caratterizzata da legame covalente
polare) però si comporta come una base. Abbiamo a che fare con un’eccezione e siccome questa
famiglia di composti (ammoniaca e derivati) riveste un’importanza fondamentale, per una volta ci
soffermiamo su un caso anomalo.
Per risolvere il problema si introduce un secondo tipo di scrittura e quindi una seconda definizione
di base.
Scrittura generica:
Esempio:
B + H2O <-----> BH + + OHNH3 + H2O <-----> NH 4+ + OH-
La definizione riguardante le basi è modificata nel seguente modo: la base è una sostanza in grado
di prendere ioni H+.
Come puoi notare, nel caso dell’ammoniaca siamo ancora alla presenza di OH-, ma questa volta non
sono liberati dalla base bensì dall’acqua. L’ammoniaca prende H+ (base) dall’acqua (la quale cede
ioni H+, comportandosi da acido).
Cosa vuol dire acido forte e acido debole? L’idea legata a questo modo di esprimersi è la seguente:
la forza dell’acido è proporzionale alla facilità con la quale perde ioni H+. Ripartiamo con la
scrittura generica vista prima:
HA + H2O <-----> H 3O+ + APiù l’acido è forte, più facilmente libera ioni H+; un acido forte messo in acqua darà un equilibrio
completamente spostato verso destra (nella soluzione ci saranno unicamente H+ e A- e in pratica non
vi saranno molecole iniziali HA). Come esempio possiamo prendere l’acido cloridrico:
HCl + H2O <-----> H 3O+ + Cl-
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OSS – Acidi e Basi
Quando HCl è messo in acqua esso dissocia completamente dando H+ e Cl- (non troveremo più
molecole iniziali di HCl); si dice quindi che HCl è un acido forte.
I composti che liberano H+ in acqua con difficoltà e lentezza sono detti acidi deboli come nel caso
dell’acido acetico (CH 3COOH) che, in acqua, dà la seguente reazione:
CH3COOH + H2O <-----> H3O+ + CH3COOIn questo caso, essendo un acido debole, sono presenti tutte le componenti e si ha equilibrio;
occorre quindi rappresentare la reazione con una doppia freccia come abbiamo già fatto nel caso dei
sali quando vi era saturazione e s’instaurava una situazione di equilibrio.
Come si fa a sapere se un acido è forte o debole? Occorre consultare la tabella in cui è riportato il
Ka o costante d’acidità; maggiore è la costante d’acidità, più forte è l’acido.
Per quanto riguarda le basi il discorso è identico a quello fatto per gli acidi. Una base è forte quando
libera facilmente in acqua lo ione OH- (o prende facilmente ioni H+ usando la seconda definizione),
come per esempio:
NaOH + H2O <-----> Na + + OHL’idrossido di sodio (NaOH) è una base molto forte poiché in acqua dissocia completamente
originando gli ioni Na+ e OH- e praticamente non vi sono più molecole iniziali di NaOH. In questo
caso l’equilibrio è completamente spostato verso destra (come nel caso dell’acido forte) e si
rappresenta di conseguenza un’unica freccia.
Se, per contro, la base è debole, vuol dire che libera OH- (o prende H+) in modo difficoltoso, come
nel caso dell’ammoniaca, la cui reazione è:
NH3 + H2O <-----> NH4+ + OHNella soluzione saranno presenti tutte le componenti rappresentate; si ha equilibrio e l’equazione è
scritta, come per l’acido debole, usando la doppia freccia.
Come si fa a sapere se la base è forte o debole? Occorre consultare la tabella per le basi nella quale
è riportato il Kb; maggiore è la costante di basicità, più forte è la base.
LABORATORIO 1
Titolazioni Acido-Base
Obiettivo della lezione: da proporre
Materiale: da proporre
Procedimento:
1 - Prelevare con il cilindro graduato da 50 ml, 15 ml di soluzione di acido cloridrico e metterla nel
bicchiere. Riempire la buretta con NaOH seguendo le indicazioni del docente.
2 - Aggiungere al bicchiere 2 gocce di indicatore colorato, agitare e verificare il colore assunto dalla
soluzione.
3 - Con il pH-metro misurare il pH della soluzione di acido cloridrico. Riportare il dato nella tabella
sottostante.
4 – Con la buretta fare scendere 1 ml di base nel bicchiere contenente l’acido.
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OSS – Acidi e Basi
Agitare e verificare eventuali cambiamenti di colore.
5 - Con il ph-metro misurare il pH. Riportare il dato nella tabella sottostante.
6 - Rifare, nell’ordine, i punti 4 e 5 fino a quando non avete aggiunto 20 ml di base
Risultati:
Riportare i dati in questa tabella:
ml NaOH aggiunti pH misurato
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
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17
18
19
20
Costruire il grafico della titolazione
Questionario
Scrivete la reazione di neutralizzazione.
A cosa è dovuto l’andamento della curva?
Quale utilità può avere il grafico?
Partendo dal presupposto che la concentrazione di NaOH sia esatta, calcolate la concentrazione di
HCl.
Come fare a sapere se una soluzione è acida, basica o neutra? Come fare a sapere se una soluzione è
molto o poco acida oppure molto o poco basica? Una prima possibilità sarebbe di misurare le
concentrazioni di H+ e quelle di OH- presenti in acqua e stabilire di conseguenza una graduatoria del
tipo:
• Se [H+ aq] > [OH- aq] la soluzione è acida.
• Se [H+ aq] = [OH- aq] la soluzione è neutra.
• Se [H+ aq] < [OH- aq] la soluzione è basica.
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OSS – Acidi e Basi
Inoltre
Maggiore sarà la [H aq] più acida sarà di conseguenza la soluzione.
+
Maggiore sarà la [OH- aq] più basica sarà di conseguenza la soluzione.
Questo modo di procedere, anche se rende bene l’idea di acidità, rispettivamente di basicità, è
scomodo dal punto di vista pratico quando, per esempio, occorre fare dei paragoni tra due soluzioni.
Alla domanda: è più acida una soluzione contenente una [H+ aq] = 3x10-2 M oppure una con [H+ aq]
= 4x10-3 M?; la risposta di per sé non è complicata, basterebbe fare dei paragoni, ma il modo di
procedere non è pratico.
Occorre introdurre una scala direttamente collegata alla concentrazione di H+ alla quale si è dato il
nome di pH e sarà appunto questa scala che noi utilizzeremo praticamente sempre.
Questa scala si basa sulla quantità di H+ e OH- presenti in un litro di acqua distillata. L’acqua ha in
effetti una debole capacità di dissociazione chiamata autoprotolisi dell’acqua. Una piccola quantità
di molecole di acqua si dissociano in H+ e OH-. Nell’acqua distillata [H+] = [OH-] e quindi il pH è
neutro ed il suo valore è 7.
LABORATORIO 2
Le soluzioni tampone
Obiettivo della lezione: da proporre
Materiale: da proporre
Procedimento:
1 - Prelevare con il cilindro graduato da 50 ml, 15 ml di soluzione CH3COOH e metterla nel primo
bicchiere. Risciacquare il cilindro, prelevare 15 ml di soluzione tampone e metterla nel secondo
bicchiere. Risciacquare il cilindro, prelevare 15 ml di soluzione CH3COONa e metterla nel terzo
bicchiere.
2. - Risciacquare il cilindro e prelevare 20 ml di soluzione di HCl e metterla in un bicchiere.
3 - Aggiungere ad ogni bicchiere delle tre soluzioni succitate 1 ml di soluzione di acido cloridrico e
misurarne il pH.
4. - Ripetere l’operazione 6 volte.
5. - Prelevare con l’altro cilindro graduato da 50 ml, 20 ml di soluzione di NaOH e metterla in un
bicchiere.
6 - Aggiungere ad ogni bicchiere delle tre soluzioni succitate 1 ml di soluzione di idrossido di sodio
e misurarne il pH.
7. - Ripetere l’operazione 6 volte.
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OSS – Acidi e Basi
Risultati:
Riportate i dati in tabella e disegnate un grafico, sia per l’acido cloridrico sia per l’idrossido di
sodio.
ml agg
0
1
2
3
4
5
6
sol x
sol y
sol z
ml agg
sol x
sol y
sol z
0
1
2
3
4
5
6
Domande:
1. Osservate il grafico e date una spiegazione delle differenze fra le curve.
2. Spiegate il funzionamento di questa soluzione tampone sapendo che contiene acido acetico ed
acetato di sodio in uguale concentrazione e volume.
Come hai potuto verificare il sistema tampone (fatto di acetato di sodio e acido acetico) ha la
caratteristica di assorbire aggiunte di acido o base (da qui il nome tampone) senza che il pH vari di
molto. Qui si tratta di un tampone chimico ma, a livello di applicazione ci concentriamo ora su un
tampone biologico che possiede le stesse caratteristiche di quello chimico ma è molto più
interessante visto che lo troviamo all’interno del nostro organismo, ossia il sistema tampone del
sangue.
Il corpo umano ha molti meccanismi per mezzo dei quali mantiene costante il suo ambiente interno;
questo concetto è chiamato omeostasi (vedi biologia). Il sistema omeostatico che ci interessa in
questo caso è l’equilibrio acido – base (una delle analisi del sangue che si possono fare va proprio
in questa direzione).
La principale funzione del meccanismo regolatore dell’equilibrio acido – base è di mantenere il pH
del sangue entro un limite ristretto che va da 7,35 a 7,45. Se il pH del sangue scende al di sotto di
6,8 o sale al di sopra di 7,8 generalmente ne consegue la morte (pensa a questo proposito l’influsso
che può avere l’acidità o la basicità su proteine e grassi presenti nelle nostre cellule; gli acidi
denaturano le proteine mentre le basi saponificano i grassi).
Lo stato dell’equilibrio acido – base è determinato, controllando la condizione di acidità del sistema
circolatorio. Pertanto il controllo del sangue o sistema di trasporto riflette le complesse funzioni dei
sistemi: respiratorio, renale e circolatorio. Poiché questo è un sistema dinamico, il controllo
condotto per un certo periodo fornisce un quadro più indicativo dello stato acido – base della
persona, di quanto non si ottenga con una singola determinazione effettuata in un momento
qualsiasi.
I normali processi metabolici producono quantità di acido in eccesso (pensa, per esempio, all’acido
lattico prodotto dalle cellule muscolari). Questi acidi devono essere trasportati, mantenendo
costante il pH del sangue ed eliminati per ripristinare il meccanismo di trasporto.
Questo meccanismo di trasporto è il sistema tampone del sangue.
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OSS – Acidi e Basi
Un tampone è una miscela di acido debole e del suo sale corrispondente. Lo
scopo di un tampone è di mantenere il pH entro un limite ristretto.
Nel caso del sangue, il sistema tampone principale è la miscela di acido carbonico e ione
bicarbonato.
H2CO3 + H2O <-----> H3O++ (aq.) + HCO3- (aq.)
Acido
base
(ione bicarbonato)
Riprendiamo le definizioni di un acido e di una base come loro sono in rapporto all’equilibrio acido
– base.
L’acido carbonico è un acido perché può cedere ioni H +:
H2CO3 + H2O <-----> H3O+ + HCO3- (aq.)
Lo ione bicarbonato è una base perché può prendere ioni H+:
HCO3- (aq.) + H+ (aq.) <------> H2CO3
L’aggiunta, pertanto, di un acido a questo sistema tampone sposta l’equilibrio a sinistra. Gli ioni
idrogeno dell’acido in eccesso reagiscono con gli ioni bicarbonato per produrre più acido carbonico.
Il risultato, quindi, è una lieve diminuzione della concentrazione dello ione bicarbonato, un
aumento della concentrazione dell’acido carbonico ed essenzialmente nessuna variazione della
concentrazione degli ioni idrogeno o del pH.
Per ripristinare la condizione tampone originaria è necessario fare due cose:
• L’acido carbonico prodotto in più deve essere rimosso.
• Il bicarbonato consumato deve essere rimpiazzato.
I polmoni controllano l’anidride carbonica; alterando la frequenza della respirazione il corpo
elimina o trattiene CO2.
I reni controllano l’eliminazione o la ritenzione degli ioni H+ e, attraverso questo processo, rendono
il bicarbonato disponibile secondo quanto richiesto dall’equilibrio acido – base.
Poiché, con il loro metabolismo, i tessuti producono rifiuti acidi, ci sono, nell’organismo, numerosi
ioni H+ che reagiscono con gli ioni bicarbonato del sistema tampone del sangue, producendo acqua
e CO2. La CO2 è eliminata dai polmoni.
L’acido prodotto dal metabolismo è stato eliminato ma, per ripristinare il sistema tampone del
sangue, i reni producono o sostituiscono il bicarbonato che è stato consumato.
L’acido carbonico si scompone, restituendo lo ione bicarbonato al sistema tampone del sangue e gli
ioni H+ sono eliminati con l’urina. Il sistema tampone del sangue è ora ricostituito.
Poiché la CO2 e l’acido carbonico sono sotto il controllo dei polmoni, sono detti componente
respiratoria. Analogamente, poiché il bicarbonato è sotto il controllo dei reni, è detto componente
metabolica. Entrambi gli organi, in condizioni normali, hanno la capacità sia di aumentare sia di
diminuire il livello del loro rispettivo costituente del tampone al fine di mantenere il pH del sangue.
Consideriamo, ora, quattro alterazioni del metabolismo che influenzano questo equilibrio acido –
base del nostro sangue.
• La condizione di acidosi metabolica è caratterizzata dall’incapacità del rene a produrre
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OSS – Acidi e Basi
una quantità sufficiente di ione bicarbonato come conseguenza dell’incapacità ad
eliminare sufficienti ioni H+.
La concentrazione degli ioni H+ aumenta e di conseguenza il pH tende a diminuire. Aumentando gli
H+, essi si legano con più ioni bicarbonato, l’equilibrio si sposta verso sinistra facendo aumentare la
concentrazione di acido carbonico e quindi di anidride carbonica. I polmoni eliminano più CO2
(iperventilazione) e questo diminuirà la concentrazione di acido carbonico e quindi anche la
concentrazione di ioni H+.
• La condizione di alcalosi metabolica è caratterizzata dall’accumulo di bicarbonato in
eccesso come conseguenza della perdita di acido dal corpo e dell’ingestione di basi:
Se lo ione bicarbonato è in eccesso si legherà maggiormente agli ioni H+ la cui concentrazione
diminuirà (il pH tende quindi a salire), la concentrazione di acido carbonico tende a diminuire e di
conseguenza vi sarà meno CO2. Come reazione, i polmoni tratterranno maggiori quantità di CO2
diminuendo la ventilazione (ipoventilazione) così la concentrazione di anidride carbonica
aumenterà come quella di acido carbonico. Questo porterà ad un aumento della concentrazione di
H+ che ristabilirà il pH abituale.
• La condizione di acidosi respiratoria è caratterizzata dall’incapacità del polmone di
eliminare sufficiente CO2 :
Se la quantità di CO2 aumenta, l’equilibrio è spostato verso destra e aumenta la concentrazione di
acido carbonico. Questo fa aumentare la concentrazione di ioni H+; il pH tende a diminuire. I reni
reagiscono eliminando gli ioni H+ in eccesso facendo diminuire la concentrazione di acido
carbonico. Diminuisce anche la concentrazione di CO2 . Il pH si riavvicina alla norma.
• La condizione di alcalosi respiratoria è caratterizzata dai polmoni che eliminano quantità
eccessive di CO2 :
Se la quantità di CO2 diminuisce, l’equilibrio si sposterà verso sinistra e diminuirà la concentrazione
di acido carbonico. Questo fa diminuire la quantità di H+ per cui il pH tende ad aumentare. I reni
compensano trattenendo ioni H+ che aumentano in quantità. Aumenta la concentrazione di acido
carbonico e aumenta la quantità di CO2. Il pH si riavvicina alla norma.
Le anomalie dello stato acido – base di una persona possono essere causate dai cambiamenti delle
condizioni respiratorie e metaboliche.
Alcune delle cause respiratorie dello squilibrio acido – base sono: variazioni della ventilazione,
variazioni della circolazione sistemica o polmonare, diffusione alveolare – capillare diminuita,
meccanismo del controllo respiratorio difettoso.
Alcune condizioni metaboliche che possono causare lo stesso squilibrio sono: le malattie renali, le
malattie del fegato, le disfunzioni endocrine.
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