Acidi e basi. Il pH

Gli acidi e le basi sono due classi di composti appartenenti alla categoria degli elettroliti.In questo video vediamo anche altre caratteristiche degli acidi e delle basi e scopriamo che cosa è il pH:

Nel seguente video una prova sperimentale con acidi e basi molto  comuni

https://www.youtube.com/watch?v=Y9IrY8WFaig

Soluzioni elettrolitiche

Quando si prepara una soluzione acquosa le molecole di acqua circondano le particelle del soluto in un processo detto idratazione. Questo fenomeno si verifica per qualsiasi tipo di soluto. Alcuni tipi di soluto a contatto con l’acqua generano ioni e tali soluzioni si dicono elettrolitiche perché conducono la corrente elettrica. Vediamo come in questo video:

I soluti che danno soluzioni elettrolitiche sono di tre tipi:

-I sali solubili in acqua sono composti ionici e in acqua liberano i loro ioni. Il fenomeno sia chiama dissociazione:

NaCl_(s)  =  Na⁺_(aq)  +  Cl^-_(aq)

-Gli idrossidi solubili in acqua danno lo stesso fenomeno:

NaOH (s) =  Na⁺_(aq)  + OH- (aq)

-Gli acidi sono composti molecolari polari e in acqua danno luogo ad una vera e propria reazione chimica in cui si spezza i legame covalente tra l’idrogeno che diventa positivo e il resto della molecola che genera un anione. Il processo si chiama ionizzazione:

HCl_(g) = H⁺_(aq)  +  Cl^–_(aq)

Nella dissociazione e nella ionizzazione gli ioni vengono circondati dalle molecole d’acqua orientate in modo che il polo positivo sia rivolto verso lo ione negativo, e il polo negativo verso lo ione positivo.

Altre sostanze molecolari polari come il saccarosio si sciolgono in acqua idratandosi, senza formare ioni. Queste soluzioni non conducono la corrente elettrica.

Esistono altre proprietà delle soluzioni: per esempio l'innalzamento ebullioscopico per il quale una soluzione bolle a temperatura più elevata del solvente puro, e l'abbassamento crioscopico per cui una soluzione congela a temperatura più bassa rispetto al solvente puro. Quest'ultimo fenomeno spiega il motivo per cui le strade innevate vengono cosparse di sale. I dettagli in questo link:

http://www.chimicare.org/curiosita/la-chimica-nella-vita-domestica/come-agisce-il-sale-antighiaccio/

Reazioni chimiche e stechiometria

La stechiometria è il ramo della chimica che si occupa delle relazioni quantitative fra i reagenti e i prodotti di una reazione. Quando si deve far avvenire una reazione la quantità dei reagenti non può essere scelta a caso, ma tenendo conto  della composizione dei prodotti che si ottengono e oltre che della quantità che si desidera ottenere .

La reazione bilanciata ci indica il numero di molecole coinvolte per ciascuna specie, ma per passare dal livello microscopico a quello macroscopico è necessario calcolare le quantità in grammi. Tali quantità, nella giusta proporzione, vengono indicate come quantità stechiometriche. Le quantità da utilizzare in concreto potranno essere multipli o sottomultipli delle quantità stechiometriche.

In pratica è necessario considerare che  i coefficienti stechiometrici indicano sia il numero di molecole che partecipa alla reazione, sia il numero di moli. I passaggi da effettuare sono:

-scrivere la reazione bilanciata;

-determinare le masse molari delle specie coinvolte;

-calcolare la massa della specie richieste moltiplicando il numero di moli per le masse molari.

Esempio:

Riguardo alla reazione bilanciata:   2 H₂  + O₂  =  2 H₂O

sappiamo che due molecole di idrogeno reagiscono con una molecola di ossigeno per formare due molecole d’acqua. Allo stesso modo possiamo dire che due moli di idrogeno reagiscono con una mole di ossigeno per formare due moli d’acqua

Per passare ai grammi calcoliamo le masse molari:

 H₂ = 2 g/mol,

O₂ = 32 g/mol,

H₂O = 18 g/mol

Le quantità stechiometriche sono:

2 moli di H₂ = 2 mol x 2 g/mol = 4 g

1 mole di O₂ = 1 mol x 32 g/mol = 32 g

2 moli di H₂O = 2 x 18 g/mol = 36 g

dunque potremo far reagire 4 g di idrogeno con 32 di ossigeno per ottenere 36 g di acqua. E potremo scegliere quantità diverse, purché proporzionali a queste.

Quando in una reazione le quantità dei reagenti non rispettano il rapporto stechiometrico, si è in presenza:

-          di un reagente limitante se in quantità inferiore a quella stechiometrica;

-          di un reagente in eccesso se in quantità superiore rispetto alla quantità stechiometrica.

La quantità di prodotto che si forma dipende dalla quantità di reagente limitante. La quantità di reagente in eccesso si ritrova inalterata al termine della reazione.

Nomenclatura dei composti ternari

Nomenclatura degli idrossidi

Gli idrossidi sono composti ternari; contengono un metallo (catione) e tanti gruppi ossidrile OH ^– (anione) quante sono le cariche positive del metallo. Quando tali gruppi sono più di uno vengono indicati tra parentesi

Es.       NaOH idrossido di sodio contiene Na ⁺ e OH ^-

            Mg(OH)₂ idrossido di magnesio contiene Mg ²⁺ e due gruppi OH ^-

Gli idrossidi si ottengono facendo reagire un ossido metallico con l’acqua

Na₂O + H₂O  = 2 NaOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Al₂O₃ + 3 H₂O = 2 Al(OH)₃

La nomenclatura segue le stesse regole indicate per gli ossidi.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
LiOH	Idrossido di litio	Idrossido di litio
Ca(OH)2	Biidrossido di calcio	Idrossido di calcio
Fe(OH)2	Biidrossido di ferro	Idrossido ferroso
Fe(OH)3	Triidrossido di ferro	Idrossido ferrico

L'idratazione dell'ossido di calcio è uno dei passaggi fondamentali per la preparazione della calce aerea, materiale legante in edilizia.

Nomenclatura degli acidi ternari o ossiacidi

Gli ossiacidi contengono nell’ordine  H, un non metallo e O.

Si ottengono facendo reagire un ossido non metallico o anidride con l’acqua

SO₂ + H₂O = H₂SO₃

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

La nomenclatura IUPAC utilizza il nome acido seguito dal prefisso osso e il nome dell’elemento terminante in ico indipendentemente dal numero di ossidazione che viene indicato tra parentesi in numero romano. Secondo la nomenclatura tradizionale si utilizza la parola acido seguita dal nome del non metallo, con il suffisso oso o ico secondo il numero di ossidazione del non metallo. Quindi si ottiene lo stesso nome dell’anidride con la sola sostituzione della parola anidride con acido.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
HNO2	Acido diossonitrico (III)	Acido nitroso
HNO3	Acido triossonitrico (V)	Acido nitrico
H2SO3	Acido triossosolforico (IV)	Acido solforoso
H2SO4	Acido tetraossosolforico (VI)	Acido solforico

Le piogge acide 

La pioggia è per sua natura leggermente acida poiché normalmente reagisce con il biossido di carbonio  dell'aria formando acido carbonico. Da alcuni anni, però, si registrano in tutto il mondo, e con sempre maggiore frequenza, precipitazioni con valori di acidità molto più elevata. Il fenomeno è dovuto alla presenza, nell'atmosfera, di ossidi di zolfo e di azoto le cui principali fonti sono le emissioni delle centrali termoelettriche e dei motori a combustione interna. I gas, combinandosi con il vapore acqueo generano acido solforico e acido nitrico che cadono con la pioggia, la neve o la nebbia. Queste molecole, prima di precipitare, possono essere trascinate dai venti anche a grandi distanze dal sito in cui si sono formate. Le piogge acide corrodono edifici e monumenti, inoltre danneggiano irreparabilmente le foreste e le coltivazioni dilavando dal suolo preziosi sali come calcio e magnesio, avvelenano le acque dei laghi e dei fiumi con gravi conseguenze sulla fauna.

Nomenclatura dei sali ternari

 I sali ternari contengono nell’ordine un metallo, un non metallo e O. Si possono considerare derivati dagli acidi ternari per sostituzione dell’H con un metallo.

La nomenclatura IUPAC segue le stesse regole indicate per gli acidi ternari. La nomenclatura tradizionale utilizza il nome dell’acido sostituendo il suffisso ito se l’acido termina in oso, e il suffisso ato se l’acido termina in ico.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
KNO2	Diossonitrato (III) di potassio (I)	Nitrito di potassio
NaNO3	Triossonitrato (V) di sodio (I)	Nitrato di sodio
Li2SO3	Triossosolfato (IV) di litio (I)	Solfito di litio
CaSO4	Tetraossosolfato (VI) di calcio (II)	Solfato di calcio
CaCO3	Triossocarbonato (IV) di calcio(II)	Carbonato di calcio

Tra i sali ternari rivestono particolare importanza in edilizia il carbonato di calcio che è il composto di partenza per la preparazione della calce aerea e del cemento e il solfato di calcio alla base della composizione del gesso (materiali leganti).

Nomenclatura dei composti binari

La nomenclatura chimica è regolamentata dalla IUPAC (International Union of Pure and  Applied Chemistry)  cioè Unione internazionale di chimica pura e applicata) una  associazione internazionale che stabilisce la regole per assegnare i nomi ai composti. Questo sistema è il più semplice per denominare qualsiasi composto chimico senza ambiguità. Sono tuttavia in uso altri sistemi di nomenclatura tradizionale che vengono ugualmente utilizzati, facendo parte, in qualche caso, del linguaggio comune: per esempio il nome ammoniaca è un nome d’uso che non ci dice nulla della sua formula. Il nome IUPAC dell’ammoniaca è triidruro di azoto, che ci suggerisce immediatamente l’esistenza di 3 atomi di idrogeno e 1 di azoto. La formula dell’ammoniaca è infatti NH₃.

Nella nomenclatura IUPAC si utilizzano sempre i prefissi:

 mono = 1,      di (o bi) = 2,               3 = tri,             4 = tetra,         5 = penta,        6 = esa  

Nomenclatura degli ossidi

Una volta che la formula di un composto binario è stata riconosciuta come ossido, cioè contiene un elemento e l'ossigeno, si può assegnare il nome specifico tenendo conto del fatto che nel nome IUPAC si mette in evidenza per prima la presenza dell’ossigeno e poi quella dell’altro elemento. Nella nomenclatura tradizionale, a differenza di quella internazionale, non si usano i prefissi; in tal caso quando l’elemento forma due ossidi con due numeri di ossidazione diversi, per poterli distinguere, si usano le desinenze oso (per il numero di ossidazione più basso)  e ico (per il numero di ossidazione più alto). Sempre nella nomenclatura tradizionale, quando il primo elemento è un non metallo è obbligatorio chiamarlo anidride.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
Li2O	Ossido di bilitio	Ossido di litio
CaO	Ossido di calcio	Ossido di calcio
CO	Ossido di carbonio	Anidride carboniosa
CO2	Biossido di carbonio	Anidride carbonica
FeO	Ossido di ferro	Ossido ferroso
Fe2O3	Triossido di biferro	Ossido ferrico
Cl2O	Ossido di bicloro	Anidride ipoclorosa
Cl2O3	Triossido di bicloro	Anidride clorosa
Cl2O5	Pentossido di bicloro	Anidride clorica
Cl2O7	Eptossido di bicloro	Anidride perclorica

Diversi ossidi e anidridi entrano nella composizione del cemento (materiali leganti).

Nomenclatura dei Sali binari

I sali binari contengono un metallo seguito da non metallo. Per i sali valgono le stesse regole degli ossidi, ma in tal caso al posto della parola “ossido” si usa il nome del non metallo seguito da suffisso uro. Nella nomenclatura tradizionale si usano i suffissi oso e ico.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
NaF	Fluoruro di sodio	Fluoruro di sodio
CaCl2	Bicloruro di calcio	Cloruro di calcio
AlBr3	Tribromuro di alluminio	Bromuro di alluminio
Al2S3	Trisolfuro di dialluminio	Solfuro di alluminio
CuCl	Cloruro di rame	Cloruro rameoso
CuCl2	Bicloruro di rame	Cloruro rameico

Nomenclatura degli acidi binari o idracidi

Esistono solo cinque acidi binari. Tutti contengono H seguito da un non metallo. La nomenclatura IUPAC utilizza le stesse regole dei sali. La nomenclatura tradizionale utilizza la parola acido il suffisso idrico.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
HF	Fluoruro di idrogeno	Acido fluoridrico
HCl	Cloruro di idrogeno	Acido cloridrico
HBr	Bromuro di idrogeno	Acido bromidrico
HI	Ioduro di idrogeno	Acido iodidrico
H2S	Solfuro di biidrogeno	Acido solfidrico

Nomenclatura degli idruri

Negli idruri troviamo un metallo o un non metallo seguito da H.

Formula	Nome IUPAC	Nome tradizionale
NaH	Idruro di sodio	Idruro di sodio
MgH2	Biidruro di magnesio	Idruro di magnesio
AlH3	Triidruro di alluminio	Idruro di alluminio
CH4	Tetraidruro di carbonio	Idruro di carbonio (metano)
NH3	Triidruro di azoto	Idruro di azoto (ammoniaca)

Classificazione dei composti inorganici

I composti binari contengono due tipi di elementi e nella loro formula compaiono i simboli dei due elementi con opportuni indici numerici che indicano il numero di atomi di ciascuna specie. Esempio: CO₂ indica che nella molecola sono presenti 1 atomo di C e due di O. I composti binari si dividono in tre tipi: ossidi, idruri, acidi binari o idracidi e sali binari.

I composti ternari contengono tre tipi di elementi e nella loro formula compaiono i simboli dei tre elementi con opportuni indici numerici che indicano il numero di atomi di ciascuna specie. Esempio:  H₂SO4 indica che nella molecola sono presenti 2 atomi di H, 1 atomo di  S (zolfo) e 4 di O. I composti ternari si dividono in tre tipi: idrossidi, acidi ternari o ossiacidi e sali ternari.

Nel video che segue viene costruito uno schema della classificazione:

https://www.youtube.com/watch?v=p-jQJozf8c0

La valenza e il numero di ossidazione

I composti contengono almeno due tipi di elementi e nella loro formula compaiono i simboli degli elementi seguiti da opportuni indici numerici che indicano il numero di atomi di ciascuna specie.

Per scrivere le formule dei composti e quindi sapere quali indici mettere accanto ai simboli degli elementi, è necessario conoscere la valenza o il numero di ossidazione.

Valenza

La valenza di un elemento è un numero che rappresenta la capacità degli atomi di legarsi ad altri atomi e quindi il numero di legami che esso può formare. Per esempio l’idrogeno è monovalente cioè può formare un unico legame con un altro atomo. La valenza dipende dagli elettroni di valenza e, più precisamente dal numero degli elettroni di valenza utilizzati per la formazione di legami. Infatti spesso la valenza coincide con il numero di tali elettroni, ovvero con il numero di puntini presenti nel simbolo di Lewis, altre volte coincide con il numero degli elettroni spaiati presenti nel simbolo di Lewis. Molti elementi manifestano più di una valenza cioè hanno diverse capacità di combinazione. Gli elementi si dicono quindi monovalenti, bivalenti, trivalenti, tetravalenti...
Anche nei modelli molecolari gli atomi sono "forniti" di valenza come si vede dall'immagine:

Le formule dei composti binari dalla conoscenza delle valenze 

Per ricavare la formula basta incrociare le valenze dei 2 elementi e porle come indici in basso a destra dei simboli degli elementi. L’indice 1 viene sempre sottinteso. Se i due numeri sono semplificabili è necessario farlo. In questo modo la valenza totale di un elemento è uguale a quella dell’altro elemento.

Per esempio dovendo legare il fosforo P con valenza 5 all’ossigeno O con valenza 2 si ha:

5           2        

P      O                P₂O₅           

valenza totale = 5 x 2 atomi di P = 2 x 5 atomi di O

Numero di ossidazione

Questo numero (che si trova sulla tavola periodica) è un  numero positivo o negativo che, per semplificazione, possiamo immaginare come il  numero degli elettroni che vengono persi o acquistati dagli elementi quando si legano tra di loro. Il segno positivo indica la perdita di elettroni, quello negativo indica l’acquisto. Come per la valenza, molti elementi manifestano più di un numero di ossidazione, cioè hanno diverse capacità di combinazione.

Le formule dei composti binari dalla conoscenza dei numeri di ossidazione

Per ricavare la formula basta incrociare i numeri di ossidazione, (senza i segni + o -) e porli come indici in basso a destra dei simboli degli elementi. L’indice 1 viene sempre sottinteso. Se i due numeri sono semplificabili è necessario farlo. Operando in questo modo si verifica che la somma dei numeri di ossidazione degli elementi presenti nella formula è pari a 0.

ESEMPI:

+2        -2

C      O                CO    ( monossido di carbonio)

+4        -2

C      O                C₂O₄  semplificando   CO₂  (biossido di carbonio o anidride carbonica)

+1        -1

H      Cl               H₁Cl_{1 eliminando l’indice 1} HCl  (acido cloridrico)

+1        -1

Na    Cl               Na₁Cl₁  eliminanado l’indice 1 NaCl (cloruro di sodio)

Da notare che il carbonio (come molti altri elementi) può assumere 2 numeri di ossidazione diversi. Al contrario, l’idrogeno ha sempre numero di ossidazione +1 e l’ossigeno ha sempre numero di ossidazione -2 (ma esistono eccezioni).

Rivedi la lezione in video: