Gli acidi e le basi

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Gli acidi e le basi
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Secondo la teoria di Arrhenius
Le sostanze che dissociandosi in acqua dando ioni
idrogeno sono acide Le sostanze che
dissociandosi in acqua danno ioni idrossido sono
basiche
H2O
HCl H Cl-
H2O
NaOH Na OH-
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Secondo la teoria di Brönsted-Lowry
Un acido è una qualunque sostanza che è capace di
donare uno ione idrogeno (protone) ad un altra
sostanza in una reazione chimica Una base è una
sostanza che accetta lo ione idrogeno dall'acido
Questa definizione non è vincolata alla presenza
del solvente una reazione acido-base può
avvenire  quindi in un solvente qualunque, in
assenza di solvente ed in qualunque stato di
aggregazione delle sostanze.
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Esempi di reazione acido-base secondo Brönsted-
Lowry
HCl(gas) H2O H3O Cl-
H2O
H3O Cl- NH3 NH4 Cl- H2O
HCl(gas) NH3(gas) NH4Cl-(sol)
in assenza di solvente
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Meccanismo molecolare
Cl H O H ? Cl - H O
Acido 2
Acido 1
Base 2
Base 1
Rottura del legame covalente fra H e un non
metallo con formazione di uno ione H che si lega
alla base attraverso una coppia di non legame
della base stessa.
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Gli equilibri acido-base Ka, Kb
HA H2O H3O A-
H3O
A-
Ka
HA
A- H2O OH- HA
OH-
HA
Kb
A -
Ka x Kb H3O OH- Kw 1.0 x 10-14
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Lautoprotolisi dellacqua
Il prodotto della concentrazione di OH- per
quella dello ione H3O in una qualunque soluzione
acquosa è costante a temperatura costante. Esso
corrisponde alla costante dell'equilibrio di
autoprotolisi dell'acqua che a 25C è uguale a
1.0 x 10-14.
H2O H2O H3O OH-
Kw H3O OH- 1.0 x 10-14
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Il pH e la sua scala
pH -log H3O
pOH -log OH-
pH pOH pKw 14
Soluzioni basiche
pH
basicità crescente
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14
14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3
2 1 0
pOH
acidità crescente
Soluzioni acide
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(No Transcript)
10
(No Transcript)
11
(No Transcript)
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Reazioni acido-base
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Il calcolo del pH acidi forti
Si calcoli il pH di una soluzione 0.100 M di
HNO3
HNO3 è un acido forte con Ka gt 1 quindi in H2O si
dissocia completamente H3O derivante
dallacido CHNO3 0.100 M pH -log 0.100
1 Il pH risultante è acido
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Si calcolino il pH ed il pOH di una soluzione
acquosa 1.00 x 10-4 M di HClO4
HClO4 è un acido forte con Ka gt 1 quindi in H2O
si dissocia completamente H3O derivante
dallacido CHClO4 1.00 x 10-4 M pH -log
1.00 x 10-4 4 poiché H3O OH- 1.0 x
10-14 M risulta che OH- 1.0 x 10-14/1.0 x
10-4 1.0 x 10-10 M pOH 10.0 Si noti che pH
pOH pKw 14
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Nel problema non si è tenuto conto del contributo
degli ioni H3O derivanti dalla dissociazione
dellH2O Si verifica a posteriori che
lapprossimazione fatta sia lecita dato che la
OH- 10-10 M deriva dalla dissociazione delle
molecole di H2O, la H3O derivante dalla
medesima dissociazione sarà uguale, cioè pari a
10-10 M Questa concentrazione è trascurabile
rispetto alla concentrazione di H3O derivante
dallacido (10-4 M)
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Si calcoli il pH di una soluzione 1.00 x 10-7 M
di HClO4
HClO4 è un acido forte con Ka gt 1 quindi in H2O
si dissocia completamente CH3O derivante
dallacido CHClO4 1.00 x 10-7 M tale
concentrazione è paragonabile alla dissociazione
delle molecole di H2O che quindi contribuirà al
pH della soluzione H3O 1.00 x 10-7
x dove x è la concentrazione di H3O , e quindi
anche di OH-, derivante dalla dissociazione del
solvente
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quindi Kw (1.00 x 10-7 x) x 1.0 x 10-14 x
0.62 x 10-7 M la concentrazione totale di
H3O 1.62 x 10-7 M pH 6.79 Si noti che il
pH è acido come atteso
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Solo quando gli ioni H3O derivanti da un acido
sono in concentrazione lt 10-6 M occorre tenere
conto del contributo della dissociazione
dellacqua al pH
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Il calcolo del pHacidi deboli
Si calcoli il pH di una soluzione 0.100 M di
CH3COOH

• CH3COOH è un acido debole con Ka 1.8 x 10-5,
  quindi in H2O non si dissocia completamente
• La concentrazione di H3O derivante dalla sua
  dissociazione si può ricavare dalla Ka.
• Ka ___________________ 1.8 x 10-5
• Ka ________ ? _______ 1.8 x 10-5

H3O
CH3COO-
CH3COOH
x2
x2
0.100-x
0.100
molto meno acido di quello di un acido forte
della stessa concentrazione
x 1.34 x 10-3 pH 2.9
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Il calcolo del pH di basi forti e debolisi
effettua in maniera analoga
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Le soluzioni tampone

• Se in una soluzione acquosa sono presenti un
  acido ed una base coniugati (CH3COOH e CH3COO-
  NH4 e NH3, etc.) si ha una soluzione tampone
  quando il rapporto fra le concentrazioni
  stechiometriche dellacido e della base è
  compreso tra 0.1 e 10
• Le soluzioni tampone hanno proprietà chimiche
  peculiari
• Il pH non varia al variare della diluizione
• Il pH tende a rimanere costante per piccole
  aggiunte di acidi e basi forti

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CH3COOH H2O CH3COO- H3O
CH3COO-
H3O
Ka
CH3COOH
dalla quale si ha
CH3COOH
Ka
H3O
CH3COO-
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e quindi
CH3COOH
pKa - log

pH
CH3COO-
Se le concentrazioni delle due specie CH3COOH e
CH3COO- sono uguali, pHpKa.
Le concentrazioni dellacido e della base
coniugata allequilibrio sono prese uguali a
quelle iniziali per effetto dello ione a comune
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Il calcolo del pH soluzioni tampone
Si calcoli il pH di una soluzione 0.321 M di
CH3COOH e 0.281 M di CH3COO-.
Si tratta di una soluzione tampone (0.321/0.281
1.14).
CH3COOH
Ka
H3O
CH3COO-
0.321
2.06 x 10-5
1.8 x 10-5
H3O
0.281
pH 4.69
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Effetto tampone
Il pH varia poco per piccole aggiunte di acidi e
basi, anche forti, purché in quantità piccole
rispetto a quelle delle specie che costituiscono
la soluzione tampone.
Es. Calcolare la variazione di pH che si verifica
per aggiunta di 6.25 x 10-3 mol di HCl alla
soluzione tampone dellesempio precedente.
Laggiunta di HCl fa avvenire la reazione
CH3COO- H3O ? CH3COOH H2O Con aumento di
CH3COOH e diminuzione di CH3COO-.
(0.321 6.25x10-3)
2.14 x 10-5
1.8 x 10-5
H3O
(0.281 - 6.25x10-3)
Leffetto di unanaloga aggiunta di HCl in H2O è
di portare il pH a 2.2.
pH 4.67
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Alcuni sistemi tampone
Coppia HA/A- Ka Intervallo di pH
CH3COOH/CH3COO- 1.8 x 10-5 3.75-5.75
H2CO3/HCO3- 4.3 x 10-7 5.37-7.37
H2S/HS- 9.1 x 10-8 6.04-8.04
H2PO4-/HPO42- 6.2 x 10-8 6.21-8.21
NH4/NH3 5.6 x 10-10 8.25-10.25
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Acidi e basi polifunzionali

• Acido poliprotico acido che ha la possibilità
  di cedere più di uno ione H.
• H3PO4 H2O ? H2PO4- H3O Ka 7.5 x 10-3
• H2PO4- H2O ? HPO42- H3O Ka 6.0 x 10-8
• HPO42- H2O ? PO43- H3O Ka 4.4 x 10-13
• Base poliacida base che può accettare più di un
  protone
• PO43- H2O ? HPO42- OH- Kb 2.3 x 10-2
• HPO42- H2O ? H2PO4- OH- Kb 1.7 x 10-7
• H2PO4- H2O ? H3PO4 OH- Kb 1.3 x 10-12

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Titolazioni acido-base

• Titolazione è una operazione il cui scopo è la
  determinazione del titolo di una soluzione.
• Consiste nellaggiungere volumi noti di una
  soluzione a concentrazione nota di un titolante
  ad un volume noto di una soluzione a
  concentrazione ignota.
• Il titolante deve reagire in modo rapido,
  completo e con stechiometria ben definita con la
  sostanza da titolare.
• Nel caso delle titolazioni acido-base, il
  titolante è costituito quindi da acidi e basi
  forti.
• La sostanza da titolare può essere una base o un
  acido qualsiasi.

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Punto equivalente

• Una titolazione termina quando le moli di
  titolante uguagliano quelle della sostanza da
  titolare
• MAVA MBVB

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Reazione tra acido forte e base forte

• 25.00 mL HCl 0.150 M quantità crescenti di
  0.100 M NaOH.
• OH- H ?H2O
• VB 0
• VB 20.00 mL
• Punto equivalente?
• VB 45.00 mL

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Acidi e basi forti

• prima del punto equivalente il pH e determinato
  dalla concentrazione di acido che non ha ancora
  reagito
• al punto equivalente il pH 7.0
• dopo il punto equivalente il pH e determinato
  dalleccesso di base

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Reazione tra acido debole e base forte

• 25.00 mL CH3COOH 0.150 M quantità crescenti di
  0.100 M NaOH.
• OH- H ?H2O
• VB 0
• VB 20.00 mL
• Punto equivalente?
• VB 45.00 mL

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Acido debole (CH3COOH) base forte

• Il pH iniziale e gt che nel caso dell/acido forte
• Per concentrazioni confrontabili di CH3COOH e
  CH3COO- si ha una soluzione tampone

• Al punto equivalente tutto il CH3COOH si e
  trasformato in CH3COO-. Il pH del punto
  equivalente e quindi determinato dalla reazione
  di idrolisi dellacetato in acqua (in questo caso
  pH 8.8, ed in generale diverso da 7).
• Dopo il punto equivalente la situazione e
  analoga a quella di un acido forte e il pH e
  determinato dalleccesso di base forte.

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Gli indicatori

• Indicatore sostanza che cambia colore tra la
  sua forma acida e quella basica
• HIn H2O ? In- H3O
• Lintervallo di viraggio dellindicatore si
  ricava considerando che
• H3O Ka(ind)Hin/In-
• ed è compreso fra Ka(ind)/10 e 10Ka(ind)

Indicatori universali Cartina tornasole
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Il pH-metro

• Il pH-metro misura il pH di una soluzione usando
  un elettrodo che risponde alla concentrazione di
  H.
• Lelettrodo produce un voltaggio proporzionale
  alla conc. di H.
• Il voltaggio viene convertito in misura di pH su
  un display.

Deve essere calibrato prima delluso utilizzando
soluzioni standard a pH noto.
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Acidi e basi di Lewis

• Acidi di Lewis specie che possono accettare in
  compartecipazione una coppia di elettroni da
  unaltra specie.
• Base di Lewis specie che può cedere in
  compartecipazione una coppia di elettroni ad
  unaltra sostanza.

H
F
F
N
H
B
F

B
F
H
F
F