Acidi e basi
Gli acidi, le basi e i sali, prodotti dalla reazione fra acidi e basi,
costituiscono una delle principali classificazioni delle sostanze
chimiche.
Queste categorie di composti furono definite molto tempo prima che venissero
chiariti sia la loro natura fisica, sia ciò che determinava le loro proprietà
caratteristiche (v. chimica, storia della). In origine gli acidi furono
identificati a causa del gusto aspro delle loro soluzioni in acqua e anche
perché erano capaci di attaccare e sciogliere alcuni metalli. La parola acido
è derivata dal termine latino acetum (aceto). Le basi furono invece
identificate come quelle sostanze saponose al tatto e in grado di reagire in
acqua con gli acidi per formare i sali.
I tentativi di definire con maggiore precisione gli acidi e le basi ebbero
origine nel 1777, quando il chimico francese Antoine Laurent Lavoisier suggerì
che gli acidi venissero identificati come composti contenenti ossigeno. Ma
successivamente fu scoperto che l'acido cloridrico
non conteneva ossigeno. Il chimico inglese sir Humphry Davy propose, nel 1810,
che fosse l'idrogeno, piuttosto che l'ossigeno, l'elemento necessario per
identificare gli acidi. Nel 1838 il chimico tedesco Justus von Liebig offrì la
prima definizione realmente utile di un acido: un composto contenente idrogeno
che può reagire con un metallo per produrre idrogeno gassoso.
Circa 50 anni dopo, un altro chimico tedesco, Wilhelm Ostwald, e il chimico
svedese Svante August Arrhenius misero in evidenza che quando gli acidi, le basi
e i sali sono disciolti in acqua, essi si separano (dissociano), parzialmente o
completamente, in particelle cariche dette ioni: i cationi sono carichi
positivamente, mentre gli anioni sono ioni negativi. Poiché le soluzioni di
ioni sono buoni conduttori elettrici, le sostanze che li producono sono dette
elettroliti. Da questa definizione, furono considerati acidi quegli elettroliti
che producono lo ione idrogeno mentre le basi furono identificate come
elettroliti capaci di liberare ioni ossidrile.
Sebbene estremamente utile, la definizione di acidi e basi basata sulla
produzione di ioni idrogeno e ioni ossidrile poteva essere applicata, per la sua
natura, solo a soluzioni contenenti acqua, e non era applicabile, quindi, a
soluzioni in solventi organici. Nel 1923 il chimico danese Johannes Nicolaus
Bronsted e il chimico inglese Thomas Martin Lowry formularono, indipendentemente
l'uno dall'altro, una definizione più generale. Essi proposero che fosse
chiamata "acido" ogni specie
che potesse cedere un protone (in quel periodo era ormai noto che gli
ioni idrogeno erano identificabili con le particelle nucleari positive, dette
protoni), mentre le basi erano quelle specie in grado di accettare un protone.
Il termine "specie" comprende sia ioni che molecole e il protone
corrisponde ad un atomo di idrogeno che ha perso un elettrone.
Sebbene la definizione di un acido non avesse subito un gran cambiamento
rispetto alle precedenti teorie, la definizione di una base divenne più
generale. Ogni acido, per definizione,
produce una base, coniugata all'acido, per perdita di un protone. Allo stesso
modo una base, acquistando un protone, si trasforma nel suo acido coniugato.
Poiché alcuni acidi, detti poliprotici,
possono cedere due o più protoni, uno alla volta in fasi successive della loro
dissociazione, alcune specie prodotte possono agire sia come basi che come
acidi: esse vengono dette composti
anfoteri.
Nel 1923 il chimico americano Gilbert Newton Lewis definì gli acidi e le
basi in termini di trasferimento di elettroni, piuttosto che di protoni. Secondo
questa teoria, un acido è una specie che può accettare elettroni da una base,
in grado quindi di offrirli per formare un legame chimico. La definizione di
Lewis si è dimostrata utile, specialmente per descrivere quei sistemi che non
contengono idrogeno. Tuttavia essa non è stata accettata così largamente come
la definizione di Bronsted-Lowry, forse perché essa non riconosce il ruolo
speciale dello ione idrogeno. Comunque la dizione acidi e basi di Lewis è
generalmente riservata a quei reagenti che funzionano da accettori di elettroni
da parte di molecole donatrici e viceversa, senza la partecipazione di ioni
idrogeno o ossidrile.
La forza di un acido o di una base
in acqua è valutata dalla loro capacità di dissociarsi in ioni. La
dissociazione è la separazione di un acido in ioni idrogeno e nella sua base
coniugata. In modo equivalente, una base può dissociarsi in ioni ossidrile ed
in ioni metallici. Acidi e basi forti sono altamente dissociati in acqua, mentre
acidi e basi deboli possono essere dissociati per una percentuale molto bassa,
spesso assai inferiore all'1%.
La forza di una soluzione di un acido o di una base è indicata dal suo pH su
una scala da 0 a 14. Un pH = 7 è definito come neutro; soluzioni con un pH
minore di 7 sono acide, mentre quelle con un pH maggiore sono basiche o
alcaline. La scala di pH è in relazione con la concentrazione degli ioni
idrogeno in soluzione, così che un aumento o una diminuzione di dieci volte
nella concentrazione di ioni idrogeno riduce o aumenta il pH della soluzione di
una unità.
Per determinare la forza di una soluzione acida o basica si utilizzano acidi o
basi organiche deboli che presentano un caratteristico cambiamento di colore in
funzione del pH (indicatori). Uno dei più comuni è la fenoftaleina,
un liquido incolore che vira al rosa in presenza di ioni ossidrile.
Gli acidi e le basi possono reagire gli uni con gli altri per formare
soluzioni neutre di sali. Per esempio, quando viene mescolato in acqua uno
stesso numero di molecole di idrossido di sodio
e di acido cloridrico gli ioni idrogeno e gli ioni ossidrile reagiscono per
formare molecole di acqua, lasciando in soluzione solo gli ioni sodio e gli ioni
cloro. Facendo evaporare la soluzione, l'acqua pura va via e si separa cloruro
di sodio solido.
Le basi e gli acidi inorganici sono sostanze ottenibili per manipolazione
delle sostanze minerali naturali. L'acido solforico,
l'acido inorganico, è di gran lunga il più comune prodotto dell'industria
chimica. Esso è usato per la fabbricazione di fertilizzanti, nell'industria
petrolifera e nel decapaggio dei metalli. L'acido
nitrico è usato per la fabbricazione di esplosivi e materie coloranti. Fra
le basi, l'idrossido di sodio e l'idrossido di
potassio sono usati nel ciclo di produzione e di raffinamento dei saponi e
l'ammoniaca per ottenere materiali fertilizzanti.
La maggior parte delle classi di acidi organici contengono gruppi acidi
caratteristici attaccati ad uno o più gruppi idrocarburici. Una importante
classe di basi organiche è costituita dalle ammine. Esse formano i loro acidi
coniugati attaccando un protone addizionale all'atomo di azoto.
Vedi anche: tamponi; titolazioni.
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