Le prime teorie sugli acidi e le basi

Da secoli i chimici cercano di capire cosa rende acida una sostanza e cosa la rende basica. La prima teoria che funziona davvero è quella di Arrhenius del 1887, che si basa su un'idea semplice: tutto dipende da quello che succede quando dissolvi una sostanza in acqua.

Secondo Arrhenius, gli acidi sono sostanze che in acqua liberano ioni H⁺ (ioni idrogeno positivi), mentre le basi liberano ioni OH⁻ (ioni ossidrile negativi). È una teoria limitata perché funziona solo in presenza di acqua, ma è perfetta per iniziare a capire.

Un esempio classico è l'acido cloridrico (HCl) che in acqua si trasforma in H⁺ + Cl⁻, oppure l'idrossido di sodio (NaOH) che diventa Na⁺ + OH⁻. Gli acidi si riconoscono facilmente perché iniziano sempre con H nella formula chimica.

Ricorda: In realtà gli ioni H⁺ non esistono liberi in acqua, ma si combinano subito con l'acqua formando lo ione idronio H₃O⁺. Per semplicità però usiamo H⁺.

La teoria di Brønsted-Lowry e l'acqua speciale

Brønsted e Lowry hanno fatto un passo avanti eliminando il vincolo dell'acqua. Per loro un acido è qualsiasi sostanza che può donare un protone (H⁺), mentre una base può accettarlo. Questo significa che acidità e basicità esistono sempre insieme - serve qualcuno che dona e qualcuno che riceve.

Da questa idea nasce il concetto di acidi e basi coniugati: quando un acido dona un protone diventa una base (la sua base coniugata), e quando una base accetta un protone diventa un acido. È come un gioco di scambio continuo.

L'acqua è protagonista assoluta perché ha un comportamento anfoterico - può fare sia l'acido che la base a seconda di cosa ha davanti. Anche l'acqua pura contiene sempre qualche ione grazie all'auto-ionizzazione: due molecole di H₂O si scambiano un protone formando H₃O⁺ e OH⁻.

A 25°C, il prodotto ionico dell'acqua Kw vale sempre 1,00×10⁻¹⁴, il che significa che $H⁺$ × $OH⁻$ è sempre questo valore, qualsiasi cosa tu ci aggiunga.

Punto chiave: Nell'acqua pura $H⁺$ = $OH⁻$ = 10⁻⁷ M, ed è per questo che diciamo che è neutra.

Il pH: la scala che misura tutto

Il pH è semplicemente il logaritmo negativo della concentrazione di ioni H⁺: pH = -log$H⁺$. È una scala da 0 a 14 dove 7 è il neutro (come l'acqua pura).

Se il pH è minore di 7 la soluzione è acida (più ioni H⁺), se è maggiore di 7 è basica (più ioni OH⁻). Il bello è che ogni unità di pH rappresenta una differenza di 10 volte nella concentrazione - il pH 3 è 10 volte più acido del pH 4.

Esiste anche il pOH che misura la basicità, e vale sempre: pH + pOH = 14. Se sai uno, calcoli subito l'altro.

Acidi forti come HCl si dissociano completamente in acqua - metti 1 mole di HCl e ottieni 1 mole di H⁺. Acidi deboli invece si dissociano solo parzialmente, mantenendo un equilibrio tra forma molecolare e forma ionica.

Attenzione: "Forte" non significa "concentrato"! Un acido forte può essere diluito, e un acido concentrato può essere debole. Sono due concetti diversi.

Acidi poliprotici e le loro costanti

Gli acidi poliprotici hanno più di un idrogeno da cedere, come l'acido carbonico H₂CO₃. Questi acidi perdono i protoni uno alla volta, e ogni passaggio ha la sua costante acida (Ka).

La prima dissociazione è sempre più facile della seconda perché nella seconda stai strappando un protone da uno ione già negativo, che ovviamente cerca di trattenerlo. Per questo Ka₁ > Ka₂ > Ka₃.

Per calcolare il pH degli acidi forti è semplicissimo: pH = -log$acido iniziale$, perché si dissociano completamente. Per gli acidi deboli devi usare la Ka e fare: $H⁺$ = √(Ka × [acido]).

La stessa logica vale per le basi forti e deboli, ma lavori con gli ioni OH⁻ e le costanti basiche Kb. C'è una relazione fondamentale: Ka × Kb = Kw per ogni coppia acido-base coniugata.

Formula utile: Se hai la Ka di un acido, puoi trovare la Kb della sua base coniugata: Kb = Kw/Ka

Indicatori e idrolisi dei sali

Gli indicatori sono sostanze che cambiano colore a seconda del pH - alcuni li trovi anche in natura, come il cavolo rosso che diventa rosso in ambiente acido e verde in quello basico.

Anche i sali possono influenzare il pH attraverso l'idrolisi. Quando un sale si scioglie, i suoi ioni possono reagire con l'acqua cambiandone l'acidità. Gli anioni che derivano da acidi deboli si comportano da basi, mentre i cationi che derivano da basi deboli si comportano da acidi.

Per esempio, l'acetato di sodio (CH₃COONa) in acqua rende la soluzione leggermente basica perché lo ione acetato reagisce con l'acqua sottraendo protoni.

Le basi forti come gli idrossidi dei metalli alcalini (NaOH, KOH) e alcalino-terrosi (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂) si dissociano completamente rilasciando tutti i loro ioni OH⁻.

Curiosità: Molti prodotti di pulizia sfruttano l'idrolisi basica dei sali per mantenere un pH alto senza usare basi forti pericolose.

Le soluzioni tampone: il sistema perfetto

Le soluzioni tampone sono il sistema di difesa della natura contro i cambiamenti di pH. Contengono sempre un acido debole e la sua base coniugata in concentrazioni simili, oppure una base debole e il suo acido coniugato.

Il meccanismo è geniale: se arrivano ioni H⁺ extra, la base coniugata li "cattura" riformando l'acido debole. Se arrivano ioni OH⁻, l'acido debole reagisce con loro formando acqua e più base coniugata. In entrambi i casi il pH resta praticamente invariato.

Un esempio classico è il sistema acido acetico/acetato: CH₃COOH (acido debole) + CH₃COO⁻ (base coniugata). L'acido acetico si dissocia pochissimo, mentre il sale di acetato fornisce tutti gli ioni acetato necessari.

Nel corpo umano il sangue ha pH 7,4 ed è mantenuto stabile da diversi sistemi tampone. Anche una piccola variazione sarebbe letale - ecco perché questi sistemi sono così importanti.

Applicazione pratica: I tampone si usano ovunque: dai farmaci ai cosmetici, dalla conservazione del cibo ai processi industriali.