Obiettivi di apprendimento
- Definire un acido forte.
- Elenca alcuni acidi forti.
- Definire un acido debole.
- Elencare alcuni acidi deboli.
- Scrivere l’espressione della costante di ionizzazione dell’acido.
- Definire le basi forti e deboli.
- Dare esempi di basi forti e deboli.
- Scrivere l’espressione della costante di ionizzazione della base.
- Esegui i calcoli delle costanti di ionizzazione degli acidi e delle basi.
Acidi forti e deboli e costante di ionizzazione degli acidi (Ka)
Come si incide il vetro?
L’incisione del vetro è un processo lento che può produrre belle opere d’arte. Tradizionalmente, il vetro viene trattato con acido fluoridrico diluito che dissolve gradualmente il vetro sotto di esso. Le parti del pezzo che non devono essere incise sono coperte con cera o qualche altro materiale non reattivo. In tempi più recenti, sono stati usati composti come il bifluoruro di ammonio. Qualunque prodotto chimico venga impiegato, l’artista deve stare molto attento a non sporcarsi la pelle.
Acidi forti e deboli e costante di ionizzazione dell’acido
Gli acidi sono classificati come forti o deboli, in base alla loro ionizzazione in acqua. Un acido forte è un acido che è completamente ionizzato in una soluzione acquosa. Il cloruro di idrogeno (HCl) si ionizza completamente in ioni idrogeno e ioni cloruro in acqua.
Un acido debole è un acido che si ionizza solo leggermente in una soluzione acquosa. L’acido acetico (che si trova nell’aceto) è un acido debole molto comune. La sua ionizzazione è mostrata qui sotto.
La ionizzazione dell’acido acetico è incompleta, e quindi l’equazione è mostrata con una doppia freccia. Il grado di ionizzazione degli acidi deboli varia, ma è generalmente inferiore al 10%. Una soluzione 0,10 M di acido acetico è ionizzata solo per circa l’1,3%, il che significa che l’equilibrio favorisce fortemente i reagenti.
Gli acidi deboli, come gli acidi forti, si ionizzano per produrre lo ione H + e una base coniugata. Poiché HCl è un acido forte, la sua base coniugata (Cl – ) è estremamente debole. Lo ione cloruro è incapace di accettare lo ione H + e diventare di nuovo HCl. In generale, più forte è l’acido, più debole è la sua base coniugata. Allo stesso modo, più debole è l’acido, più forte è la sua base coniugata.
| Acido | Base coniugata |
| Acidi forti | |
| HCl (acido cloridrico) (più forte) | Cl – (ione cloruro) (più debole) |
| H 2 SO 4 (acido solforico) | HSO 4 – (ione idrogeno solfato) |
| HNO 3 (acido nitrico) | NO 3 – (ione nitrato) |
| Acidi deboli | |
| H 3 PO 4 (acido fosforico) | H 2 PO 4 – (ione diidrogeno fosfato) |
| CH 3 COOH (acido acetico) | CH 3 COO – (ione acetato) |
| H 2 CO 3 (acido carbonico) | HCO 3 – (ione idrogeno carbonato) |
| HCN (acido cianidrico) (più debole) | CN – (ione cianuro) (più forte) |
Gli acidi forti sono ionizzati al 100% in soluzione. Gli acidi deboli sono solo leggermente ionizzati. L’acido fosforico è più forte dell’acido acetico e quindi è ionizzato in misura maggiore. L’acido acetico è più forte dell’acido carbonico, e così via.
La costante di ionizzazione dell’acido, Ka
La ionizzazione per un acido debole generale, HA, può essere scritta come segue:
Perché l’acido è debole, si può scrivere un’espressione di equilibrio. La costante di ionizzazione dell’acido (Ka) è la costante di equilibrio per la ionizzazione di un acido.
La ionizzazione dell’acido rappresenta la frazione dell’acido originale che è stato ionizzato in soluzione. Pertanto, il valore numerico di Ka è un riflesso della forza dell’acido. Gli acidi deboli con valori Ka relativamente più alti sono più forti degli acidi con valori Ka relativamente più bassi. Poiché gli acidi forti sono essenzialmente ionizzati al 100%, la concentrazione dell’acido nel denominatore è quasi zero e il valore Ka si avvicina all’infinito. Per questo motivo, i valori Ka sono generalmente riportati solo per gli acidi deboli.
La tabella sottostante è un elenco di costanti di ionizzazione degli acidi per diversi acidi. Si noti che gli acidi poliprotici hanno una costante di ionizzazione distinta per ogni passo di ionizzazione, con ogni costante di ionizzazione successiva più piccola della precedente.
| Nome dell’acido | Equazione di ionizzazione | Ka | |
|---|---|---|---|
| Acido solforico |
H2SO4 ⇌ H+ + HSO4- HSO4- ⇌ H+ + SO42- |
Molto grande 1.3 × 10-2 |
|
| Acido ossalico |
H2C2O4 ⇌ H+ + HC2O4- HC2O4- ⇌ H+ + C2O42- |
6.5 × 10-2 6.1 × 10-5 |
|
| Acido fosforico |
H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4- H2PO4- ⇌ H+ + HPO42- HPO42- ⇌ H+ + PO43- |
7,5 × 10-3 6,2 × 10-8 4.8 × 10-13 |
|
| Acido idrofluorico | HF ⇌ H+ + F- | 7.1 × 10-4 | |
| Acido nitroso | HNO2 ⇌ H+ + NO2- | 4.5 × 10-4 | |
| Acido benzoico | C6H5COOH ⇌ H+ + C6H5COO- | 6.5 × 10-5 | |
| Acido acetico | CH3COOH ⇌ H+ + CH3COO- | 1.8 × 10-5 | |
| Acido carbonico |
H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- HCO3- ⇌ H+ + CO32- |
4.2 × 10-7 4.8 × 10-11 |
|
| Acido idrocianico | HCN ⇌ H+ + CN- | 4.9 × 10-10 |
Basi forti e deboli e costante di ionizzazione della base (Kb)
Ammonia per cosa?
Tutta la complessa elettronica e le apparecchiature di una navetta spaziale generano calore, così come gli astronauti. Le navette hanno una complessa disposizione di sistemi per dissipare il calore nello spazio esterno. Uno dei componenti di questo sistema è una serie di bobine riempite di ammoniaca che si trovano all’esterno della navetta. L’ammoniaca assorbe il calore e poi lo rilascia nello spazio mentre il gas circola attraverso le bobine. Questo approccio è sia economico che efficace.
Basi forti e deboli e costante di ionizzazione della base, Kb
Come gli acidi, le basi possono essere forti o deboli, a seconda del loro grado di ionizzazione. Una base forte è una base che si ionizza completamente in una soluzione acquosa. Le basi forti più comuni sono composti solubili di idrossido di metallo come l’idrossido di potassio. Alcuni idrossidi di metallo non sono così forti semplicemente perché non sono così solubili. L’idrossido di calcio è solo leggermente solubile in acqua, ma la parte che si scioglie si dissocia anche in ioni.
Una base debole è una base che si ionizza solo leggermente in una soluzione acquosa. Ricordiamo che una base può essere definita come una sostanza che accetta uno ione idrogeno da un’altra sostanza. Quando una base debole come l’ammoniaca è dissolta in acqua, accetta uno ione H+ dall’acqua, formando lo ione idrossido e l’acido coniugato della base, lo ione ammonio.
L’equilibrio favorisce notevolmente i reagenti e il grado di ionizzazione della molecola di ammoniaca è molto piccolo.
Un’espressione di equilibrio può essere scritta per le reazioni delle basi deboli con l’acqua. Poiché la concentrazione di acqua è estremamente grande e virtualmente costante, l’acqua non è inclusa nell’espressione. Una costante di ionizzazione della base (Kb) è la costante di equilibrio per la ionizzazione di una base. Per l’ammoniaca l’espressione è:
Il valore numerico di Kb è un riflesso della forza della base. Le basi deboli con valori di Kb relativamente alti sono più forti delle basi con valori di Kb relativamente bassi. La tabella qui sotto è un elenco di costanti di ionizzazione per diverse basi deboli.
| Nome della base | Equazione di ionizzazione Equazione | Kb | |
|---|---|---|---|
| Metilamina | CH3NH2 + H2O ⇌ CH3NH3+ + OH- | 5.6 × 10-4 | |
| Ammonia | NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH- | 1.8 × 10-5 | |
| Piridina | C5H5N + H2O ⇌ C5H5NH+ + OH- | 1.7 × 10-9 | |
| Ione acetato | CH3COO- + H2O ⇌ CH3COOH + OH- | 5.6 × 10-10 | |
| Ione fluoruro | F- + H2O ⇌ HF + OH- | 1.4 × 10-11 | |
| Urea | H2NCONH2 + H2O ⇌ H2CONH3+ + OH- | 1.5 × 10-14 |
Nota che la base coniugata di un acido debole è anche una base forte. Per esempio, lo ione acetato ha una piccola tendenza ad accettare uno ione idrogeno dall’acqua per formare acido acetico e lo ione idrossido.
Calcolo di Ka e Kb
Chi ha inventato il misuratore di pH? Il primo misuratore fu inventato da Arnold Beckman, che fondò la Beckman Instruments.
L’attività di Beckman ebbe molto successo e usò gran parte della sua fortuna per finanziare l’educazione e la ricerca scientifica. La famiglia Beckman donò 40 milioni di dollari per costruire il Beckman Institute all’Università dell’Illinois.
Calcolo di Ka e Kb
Il valore numerico di Ka o Kb può essere determinato da un esperimento. Si prepara una soluzione di concentrazione nota e si misura il suo pH con uno strumento chiamato pHmetro.
Figura 1. Un misuratore di pH è un dispositivo di laboratorio che fornisce misurazioni rapide e accurate del pH delle soluzioni.
Problema esemplificativo: calcolo di una costante di ionizzazione dell’acido
Una soluzione 0,500 M di acido formico viene preparata e il suo pH viene misurato a 2,04. Determinare la Ka per l’acido formico.
Passo 1: Elencare i valori noti e pianificare il problema.
Conosciuto
- iniziale = 0,500 M
- pH = 2,04
Sconosciuto
- Ka = ?
Prima di tutto, il pH è usato per calcolare l’equilibrio. Una tabella ICE è impostata per determinare le concentrazioni di HCOOH e HCOO – all’equilibrio. Tutte le concentrazioni sono poi sostituite nell’espressione Ka e viene calcolato il valore Ka.
Passo 2: Risolvere.
Siccome ogni molecola di acido formico che si ionizza produce uno ione H + e uno ione formiato (HCOO – ), le concentrazioni di H + e HCOO – sono uguali all’equilibrio. Assumiamo che le concentrazioni iniziali di ogni ione siano zero, ottenendo la seguente tabella ICE.
| Concentrazioni | |||
| Iniziale | 0.500 | 0 | 0 |
| Cambio | -9.12 × 10 -3 | +9.12 × 10 -3 | +9.12 × 10 -3 |
| Equilibrio | 0.491 | 9.12 × 10 -3 | 9.12 × 10 -3 |
Ora sostituendo nell’espressione Ka dà:
Passo 3: Pensa al tuo risultato .
Il valore di Ka è coerente con quello di un acido debole. Due cifre significative sono appropriate per la risposta, poiché ci sono due cifre dopo la virgola nel pH riportato.
Passi simili possono essere fatti per determinare il Kb di una base. Per esempio, una soluzione 0,750 M della base debole etilammina (C2H5 NH2) ha un pH di 12,31.
Siccome uno dei prodotti della reazione di ionizzazione è lo ione idrossido, dobbiamo prima trovare il a equilibrio. Il pOH è 14 – 12,31 = 1,69. Il è quindi trovato da 10 -1,69 = 2,04 × 10 -2 M. La tabella ICE è quindi impostata come mostrato di seguito.
| Concentrazioni | |||
| Iniziale | 0.750 | 0 | 0 |
| Cambio | -2.04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 | +2.04 × 10 -2 |
| Equilibrio | 0.730 | 2.04 × 10 -2 | 2.04 × 10 -2 |
Sostituendo l’espressione Kb si ottiene la Kb per l’etilammina.
Sommario
- Si definiscono gli acidi forti e deboli.
- Si definisce la costante di ionizzazione dell’acido (Ka).
- Si definiscono le basi forti e deboli.
- Si dichiara la costante di equilibrio della base.
- Si descrivono i calcoli di Ka e Kb.
Pratica
Acidi forti e deboli e costante di ionizzazione degli acidi (Ka)
Leggi il materiale al link sottostante e rispondi alle seguenti domande:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/acids.html
- Perché il fattore non è incluso nell’espressione di Ka?
- Quando scriviamo H+, di cosa stiamo realmente parlando?
- Qual è l’acido più debole: l’acido metanoico o etanoico?
Basi forti e deboli e costante di ionizzazione della base (Kb)
Leggi il materiale al link qui sotto e rispondi alle seguenti domande:
http://www.chemguide.co.uk/physical/acidbaseeqia/bases.html
- In presenza di ioni idrossido, da che parte si sposta l’equilibrio dell’equazione che mostra la dissociazione dell’acqua?
- Quale percentuale di ammoniaca in soluzione produce effettivamente ioni idrossido?
- Come si relaziona la posizione dell’equilibrio con la forza di una base debole?
Calcolo di Ka e Kb
Leggi il materiale al link sottostante e rispondi alle seguenti domande:
http://www.ausetute.com.au/kb.html
- In cosa si dissocia una base di Arrhenius?
- Cosa forma una base Brønsted-Lowry in acqua?
- Come si determina la percentuale di ionizzazione?
Rassegna
Acidi forti e deboli e costante di ionizzazione dell’acido (Ka)
- Perché lo ione cloruro è la base coniugata più debole?1 M di acido acetico?
- Qual è l’acido più forte: HF o acido benzoico?
Basi forti e deboli e costante di ionizzazione della base (Kb)
- Defini una base forte.
- Qual è la base più forte: piridina o urea?
Calcolo di Ka e Kb
- Quale approccio viene utilizzato per il calcolo delle costanti di ionizzazione?
- Quali ipotesi di equilibrio vengono fatte?
Lossario
- costante di ionizzazione dell’acido
: La costante di equilibrio per la ionizzazione di un acido. - acido forte: Un acido che è completamente ionizzato in soluzione acquosa.
- acido debole: Un acido che si ionizza solo leggermente in soluzione acquosa.
- costante di ionizzazione della base
: La costante di equilibrio per la ionizzazione di una base. - base forte: Una base che si ionizza completamente in soluzione acquosa.
- base debole: Una base che si ionizza solo leggermente in soluzione acquosa.
- Misuratore di pH: Un dispositivo per la misurazione accurata del pH.