Teoria protonica degli acidi e delle basi

PARTE 3.
TEMA 4. Teoria protonica degli acidi e delle basi.

Le teorie degli acidi e delle basi costituiscono un insieme di concetti fondamentali della fisico-chimica che descrivono la natura e le proprietà degli acidi e delle basi. Tutte queste teorie forniscono definizioni di acidi e basi — due classi di sostanze che reagiscono tra loro. Lo scopo delle teorie è prevedere i prodotti della reazione tra un acido e una base e la possibilità che essa avvenga, per cui si utilizzano caratteristiche quantitative della forza di acidi e basi. Le differenze tra le teorie risiedono nelle definizioni di acidi e basi, nelle caratteristiche della loro forza e, di conseguenza, nelle regole per prevedere i prodotti della loro reazione. Ogni teoria ha il proprio ambito di applicazione, che può sovrapporsi parzialmente con quello delle altre.

Sulla base della teoria moderna degli acidi e delle basi sono stati sviluppati settori delle scienze chimiche come la chimica delle soluzioni acquose e non acquose di elettroliti, la pH-metria in ambienti non acquosi, la catalisi acido-base omogenea ed eterogenea, la teoria delle funzioni di acidità e molti altri.

Evoluzione dei concetti sulle interazioni acido-base.
Le concezioni sulle interazioni acido-base appartengono ai fondamenti della chimica. I concetti di "acido" e "base" si sono formati già nel XVII secolo, ma il loro contenuto è stato più volte rivisto e chiarito. Ad esempio, R. Boyle riteneva che gli acidi fossero corpi i cui atomi presentavano sporgenze appuntite (e quindi un gusto acido), mentre le basi avevano pori (e un gusto astringente). Secondo lui, la reazione di neutralizzazione avveniva perché le sporgenze dell'acido si inserivano nei pori della base.

Una teoria figurativa degli acidi e delle basi fu proposta da N. Lemery. Nel suo "Corso di chimica" (1675) cercò di spiegare le proprietà fisiche e chimiche delle sostanze con il linguaggio della forma e della struttura. Secondo Lemery, gli acidi hanno sulla loro superficie spine affilate che provocano sensazioni pungenti sulla pelle. Le basi, da lui chiamate alcali, sono corpi porosi. Le "spine" degli acidi penetrano nei "pori", spezzandosi o smussandosi, trasformando così gli acidi in sali neutri.

Le concezioni scientifiche sulla natura degli acidi e delle basi iniziarono a formarsi alla fine del XVIII secolo. Nei lavori di A. Lavoisier le proprietà acide venivano associate alla presenza di atomi di ossigeno nella sostanza. Gli acidi minerali e organici allora conosciuti contenevano effettivamente ossigeno. Questa ipotesi si dimostrò rapidamente insostenibile quando, grazie ai lavori di H. Davy e J. Gay-Lussac, furono scoperte numerose sostanze acide prive di ossigeno (ad esempio, gli acidi alogenidrici, l’acido cianidrico), mentre molti composti contenenti ossigeno non mostravano proprietà acide.

Con l’introduzione della teoria della dissociazione elettrolitica di S. Arrhenius (1887), fu possibile descrivere le proprietà acido-base a partire dai prodotti di ionizzazione dell’elettrolita. Grazie ai lavori di W. Ostwald, la teoria fu estesa agli elettroliti deboli.

All'inizio del XX secolo, i chimici americani G. Cady, E. Franklin e C. Kraus svilupparono la teoria dei sistemi solventi, estendendo i principi della teoria di Arrhenius-Ostwald a tutti i solventi capaci di autodissociarsi.

Le moderne teorie degli acidi e delle basi si basano sulle concezioni di J. Brønsted e G. Lewis. Esistono anche tentativi, parzialmente riusciti, di creare teorie generalizzate (M. Usanovich, 1939), ma queste non hanno trovato ampia applicazione.

Teoria dell’idrogeno di Liebig
Definizioni. Un acido è una sostanza in grado di reagire con un metallo con sviluppo di idrogeno. In questa teoria manca il concetto di base.
Prodotti della reazione. Nella reazione dell’acido con un metallo si forma un sale e si libera idrogeno.
Esempi. Acido — HCl:
Reazione: 2HCl + Zn = ZnCl₂ + H₂↑
Criteri di reazione. Gli acidi forti reagiscono con i metalli che si trovano a sinistra dell’idrogeno nella serie di reattività. Più debole è l’acido, più attivo deve essere il metallo perché la reazione avvenga.
Caratteristiche quantitative. Poiché questa teoria è raramente utilizzata, non sono stati sviluppati criteri quantitativi della forza acida (e quindi della direzione della reazione) nell’ambito della teoria.
Ambito di applicazione. Previsione dell’interazione di sostanze contenenti idrogeno con metalli in qualsiasi solvente.
Caratteristiche specifiche. Secondo questa teoria, l’etanolo e l’ammoniaca sono acidi deboli, poiché possono reagire con metalli alcalini:
2C₂H₅OH + 2Na = 2C₂H₅ONa + H₂↑
2NH₃ + 2Na = 2NaNH₂ + H₂↑

Teoria della dissociazione elettrolitica di Arrhenius–Ostwald
Schema della dissociazione elettrolitica dell’acido acetico in soluzione acquosa
Articolo principale: Teoria della dissociazione elettrolitica
Definizioni. Gli acidi sono sostanze che in soluzione acquosa formano ioni idrogeno idratati H⁺ (ioni idrossonio) e anioni del residuo acido. Le basi sono sostanze che in soluzione acquosa si dissociano formando cationi metallici o di ammonio e anioni idrossido OH⁻. I sali si dissociano formando cationi metallici o di ammonio e anioni del residuo acido.
Prodotti della reazione. Nella reazione tra un acido e una base (reazione di neutralizzazione) si formano un sale e acqua.
Esempi. Acido — HCl (residuo acido Cl⁻):
HCl + H₂O ↔ H₃O⁺ + Cl⁻
Base — NaOH:
NaOH ↔ Na⁺ + OH⁻
Reazione di neutralizzazione (sale — NaCl):
HCl + NaOH = NaCl + H₂O
Criteri di reazione. Gli acidi forti reagiscono con basi forti. Più debole è l’acido, più forte deve essere la base perché la reazione avvenga.
Caratteristiche quantitative. La forza di un acido o di una base è caratterizzata dalla loro costante di dissociazione K.
Per un acido HA: K = [H⁺]·[A⁻]/[HA]
Per una base MeOH: K = [Me⁺]·[OH⁻]/[MeOH]
Affinché la reazione tra acido e base avvenga, il prodotto delle loro costanti di dissociazione deve essere maggiore di 10⁻¹⁴ (prodotto ionico dell’acqua).
Ambito di applicazione. Questa teoria descrive abbastanza bene le reazioni tra acidi e basi forti e le proprietà delle loro soluzioni acquose. Sulla base delle nozioni di grado e costante di dissociazione è stata introdotta la classificazione degli elettroliti in