Acidi, basi e reazioni di neutralizzazione

Una reazione acido-base è una reazione in cui uno ione idrogeno, H⁺, viene trasferito da una specie chimica all’altra. Tali reazioni sono di importanza centrale per numerosi processi naturali e tecnologici, che vanno dalle trasformazioni chimiche all’interno di cellule o laghi e oceani alla produzione su scala industriale di fertilizzanti, prodotti farmaceutici e altre sostanze essenziali per la società.

Esistono diversi modi per definire un acido. Nel contesto delle soluzioni acquose, un acido è una sostanza che si dissolve per produrre ioni idrogeno.

Questa è la definizione arrhenius di acido, che prende il nome dal chimico svedese Svante Arrhenius (1859-1927). Uno ione idrogeno, rappresentato dal simbolo H⁺, è chiamato protone. In soluzione, i protoni si combinano chimicamente con molecole d’acqua, attraverso le coppie solitarie sull’ossigeno, per formare ioni di idronio, H₃O⁺.

L’equazione chimica per la ionizzazione di un acido è scritta come

Gli acidi che reagiscono completamente con l’acqua in questo modo sono chiamati acidi forti. HCl, HNO₃e HBr sono alcuni esempi.

La maggior parte degli acidi incontrati nella vita quotidiana sono acidi deboli. L’acido citrico nei frutti, l’acido acetico nell’aceto e l’acido lattico nel latte sono alcuni esempi. Un esempio familiare di acido debole è l’acido acetico, l’ingrediente principale nell’aceto alimentare. Quando vengono sciolte in acqua in condizioni tipiche, solo circa l’1% delle molecole di acido acetico sono presenti nella forma ionizzata, CH₃CO₂⁻.

L’uso di una doppia freccia nell’equazione precedente denota l’aspetto di reazione parziale di questo processo.

Una base è una sostanza che si dissolverà in acqua per produrre ioni idrossido, OH⁻. Le basi più comuni sono composti ionici composti da formazioni metalliche alcalini o alcaline di terra (gruppi 1 e 2) combinate con lo ione idrossido, ad esempio NaOH e Ca(OH)₂. A differenza dei composti acidi discussi in precedenza, questi composti non reagiscono chimicamente con l’acqua; invece, si dissolvono e si dissociano, rilasciando ioni idrossido direttamente nella soluzione. Ad esempio, KOH e Ba(OH)_{2 si dissolvono} in acqua e si dissociano completamente per produrre formazioni (rispettivamente K⁺ e Ba²⁺) e ioni idrossido, OH⁻. Queste basi, insieme ad altri idrossidi che si dissociano completamente in acqua, sono considerate basi forti.

Considera la dissoluzione dell’idrossido di sodio nell’acqua come esempio:

Questa equazione conferma che l’idrossido di sodio è una base. Quando viene sciolto in acqua, NaOH si dissocia per produrre ioni Na^{+ e} OH −. Questo vale anche per qualsiasi altro composto ionico contenente ioni idrossido. Poiché il processo di dissociazione è essenzialmente completo quando i composti ionici si dissolvono in acqua in condizioni tipiche, naoh e altri idrossidi ionici sono tutti classificati come basi forti.

A differenza degli idrossidi ionici, alcuni composti producono ioni idrossido quando vengono sciolti reagendo chimicamente con molecole d’acqua. In tutti i casi, questi composti reagiscono solo parzialmente e quindi sono classificati come basi deboli. Questi tipi di composti sono anche abbondanti in natura e sono importanti materie prime in varie tecnologie. Ad esempio, la produzione globale dell’ammoniaca di base debole è in genere ben oltre le 100 tonnellate metriche all’anno perché è ampiamente utilizzata come fertilizzante agricolo, una materia prima per la sintesi chimica di altri composti e un principio attivo nei detergenti domestici. Quando viene sciolta in acqua, l’ammoniaca reagisce parzialmente alla produzione di ioni idrossido, come mostrato qui:

Questa è, per definizione, una reazione acido-base che comporta il trasferimento di ioni H^{+ da} molecole d’acqua a molecole di ammoniaca. In condizioni tipiche, solo circa l’1% dell’ammoniaca disciolta è presente come_{NH 4}⁺ ioni.

Una reazione di neutralizzazione è un tipo specifico di reazione acido-base in cui i reagenti sono un acido e una base (ma non acqua), e i prodotti sono spesso sale e acqua:

Per illustrare una reazione di neutralizzazione, considera cosa succede quando un tipico antacido come il latte di magnesia (una sospensione acquosa di Mg solido(OH)₂) viene ingerito per alleviare i sintomi associati all’eccesso di acido dello stomaco (HCl):

Si noti che, oltre all’acqua, questa reazione produce un sale, cloruro di magnesio. L’H⁺ (aq) dall’acido (forte o debole) si combina con l’OH⁻ (aq) dalla base (o prodotto dalla reazione di una base debole con acqua) per formare H₂O (l). Ad esempio, la reazione tra soluzioni acquose di HCl (acido forte) e NaOH (base forte) è scritta come segue:

Sia HCl che NaOH subiscono ionizzazione al 100%. L’equazione ionica completa, quindi, può essere scritta come:

Cl^– e Na^{+ sono} chiamati ioni spettatore, che si annullano, dando l’equazione ionica netta come:

Questo testo è adattato da OpenStax Chemistry 2e, Sezione: 4.2: Classificare le reazioni chimiche.