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CORSO DI CHIMICA

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CORSO DI CHIMICA
Lezione del 20 Maggio 2014
C.I. Chimica/Tecnologia dei
Materiali
Misura del pH
• Il pH di una soluzione acquosa si può
misurare con due sistemi diversi: uno fisico
ed uno chimico.
• Il primo si usa principalmente in
laboratorio mentre l’altro si usa sul campo.
Misura del pH
• Il metodo fisico utilizza degli strumenti
chiamati piaccametri che sono in sostanza
dei voltammetri con una sonda specifica:
Misura del pH
• Il metodo chimico utilizza la proprietà di
alcune sostanze di cambiare colore in
funzione dell’acidità della soluzione.
Fenolftaleina
Rosso di Metile
Misura del pH
• Nella pratica si tratta con acqua la sostanza di
cui si vuol conoscere le caratteristiche
acido/base (terreno, cenere) e poi si misura il
pH della soluzione ottenuta.Nel caso degli
indicatori su usano cartine con più indicatori.
Effetto tampone
• Una specie chimica come CO2 può dare
luogo ad una serie di equilibri acido/base
complessi che danno luogo ad altre specie
con proprietà acido/ base come HCO3- e
CO32- .
• Sistemi così complessi hanno un particolare
comportamento in presenza di un’aggiunta
alla soluzione di altre specie chimiche con
proprietà acido/base. Questo
comportamento prende il nome di effetto
tampone.
Effetto tampone
• Prendiamo ad esempio un sistema in cui si siano
formate quantità equivalenti in termini di
concentrazione di HCO3- e di CO32-. Gli equilibri
dominanti la soluzione sono:
HCO3- + H2O  CO32- + H3O+
CO32-- + H2O  OH- + HCO3• Il primo è sostanzialmente un equilibrio acido
mentre il secondo è un equilibrio basico.
Effetto tampone
• Immaginiamo di aggiungere a questa
soluzione una soluzione di un acido che
genera in acqua ioni H3O+. Questi andranno
ad interagire con l’equilibrio:
CO32- + H2O  OH- + H3O++ HCO3• Dalla reazione si forma acqua ma il principio
di Le Chatelier garantisce che gli ioni
idrossido consumati siano rimpiazzati.
Effetto tampone
• Immaginiamo di aggiungere alla soluzione di
partenza una soluzione di una base che genera
in acqua ioni OH-. Questi andranno ad
interagire con l’equilibrio:
HCO3- + H2O  H3O+ + OH- + CO32• Dalla reazione si forma acqua ma il principio
di Le Chatelier garantisce che gli ioni H3O+
consumati siano rimpiazzati.
Effetto tampone
• In sostanza una soluzione che contenga due
specie acido/base tra loro collegate è capace
di reagire sia all’aggiunta di un acido che di
una base senza che il pH sia sostanzialmente
alterato.
• L’effetto tampone indica proprio questa
capacità di stabilizzare il pH di una
soluzione attorno ad un valore ben preciso.
Effetto tampone
• In natura esistono molti tamponi naturali (ad
esempio i vari ioni fosfato od il sistema
ammoniaca/ione ammonio) di cui si deve
tener conto per la capacità di bloccare il pH
di un sistema attorno ad dato valore.
• A livello industriale si preparano soluzioni
tampone ad hoc proprio per la loro capacità
di generare soluzioni ad un preciso valore di
pH con la garanzia di mantenerlo nel tempo.
Effetto tampone
• Si può dimostrare che una soluzione
tampone genera un pH ben preciso in base
alla relazione:
[H3O+] = Ka [Specie Acida] / [Specie Basica]
• Nel caso specifico della CO2:
[H3O+] = 4,45x10-7 [HCO3-] / [CO32-]
Effetto tampone
• Nel caso di un rapporto [HCO3-] / [CO32-] =
1 si calcola un pH pari a 6,35.
• Una variazione del rapporto a 10:1 o 1:10 tra
le due specie produce una variazione di ±1
rispetto al valore di pH indicato. Si può
facilmente dimostrare che se le stesse
aggiunte avvenissero in acqua pura le
variazioni di pH sarebbero molto più
consistenti.
ELETTROCHIMICA
Immaginiamo di immergere una lamina di Zinco
in una soluzione che contiene solfato di rame
(CuSO4)
Si osserva lo sviluppo di due fenomeni che
sembrano avvenire contemporaneamente:
1 - Sulla superficie della lamina di Zinco si
forma del rame metallico (Cu)
2 - Dalla superficie della stessa lamina passano
in soluzione ioni zinco (Zn2+)
Se i due fenomeni sono correlati si può
descrivere il fenomeno complessivo come una
reazione chimica:
Zn + Cu2+ ⇔ Zn2+ + Cu
La reazione può essere descritta sulla base di
un processo per il quale un atomo di zinco ( Zn)
perde due elettroni trasformandosi in ione
bipositivo (Zn2+) mentre per il rame avviene il
processo opposto (Cu2+ ⇒ Cu)
Immaginando di poter scomporre la reazione
complessiva in due semi-reazioni separate in
cui si ipotizza la presenza di elettroni ( e-) come
reagenti chimici , potremmo scrivere:
1 - Zn ⇔ Zn2+ + 2 e2 - Cu2+ + 2 e- ⇔ Cu
La somma dei due processi è la reazione che
abbiamo già visto:
Zn + Cu2+ ⇔ Zn2+ + Cu
Un atomo, uno ione od una molecola che nel
corso di una reazione chimica perdono elettroni
si dice che subiscono un processo di
OSSIDAZIONE
Nel nostro caso, lo zinco si ossida
Un atomo, uno ione od una molecola che nel
corso di una reazione chimica acquistano
elettroni si dice che subiscono un processo di
RIDUZIONE
Nel nostro caso, il rame si riduce.
Numero di Ossidazione
Nel caso illustrato è semplice individuare il numero di
elettroni scambiati, chi li cede e chi li prende. Quando,
però, la specie chimica è più complessa si ricorre ad una
grandezza convenzionale che prende il nome di:
NUMERO DI OSSIDAZIONE
il numero di ossidazione di un atomo è la carica formale
che assume quando gli elettroni in un legame covalente
sono assegnati all’atomo più elettronegativo; corrisponde
alla carica che un atomo avrebbe se il legame fosse ionico
Per gli ioni monoatomici (Zn2+, Br-) il numero di
ossidazione corrisponde alla carica dello ione.
Per le molecole o ioni poliatomici, si può determinare il
numero di ossidazione nella maggioranza dei casi seguendo
alcune regole empiriche:
la carica complessiva della molecola o dello ione
corrisponde alla somma algebrica dei numeri di
ossidazione dei singoli atomi
il numero di ossidazione del Fluoro è sempre -1;
il numero di ossidazione dell’Ossigeno è sempre
-2 ad eccezione dei composti col Fluoro e nei
perossidi;
il numero di ossidazione dell’Idrogeno è sempre
+1 ad eccezione dei composti chiamati Idruri in
cui è -1;
il numero di ossidazione degli atomi allo stato
elementare è 0
Alcuni esempi:
Numero di Ossidazione
CO :
CO2 :
carica della molecola = 0
N. OxO = -2 da cui N. OxC
= +2
carica della molecola = 0
N. OxO = -2 x 2 = -4 da cui
N. OxC = +4
Numero
di Ossidazione
Cr2O72- : carica
della molecola
= -2
N. OxO = -2 x 7 = -14 da cui il contributo del
Cr è tale da bilanciare 14 - 2 = +12 per cui N. OxCr
= 12 / 2 = +6
H2PO4- : carica della molecola = -1
N. OxO = -2 x 4 = -8 da cui il contributo di H e P
è tale da bilanciare 8 - 1 = +7 e tenendo conto che
N.OxH = +1 N.OxP = +5
E se si immerge una lamina di rame in una
soluzione di solfato di zinco che cosa succede?
Cu + Zn2+ ⇔ Cu2+ + Zn (?)
L’esperienza ci dice che non succede nulla:
come previsto, il processo ha una sola
direzione di sviluppo spontaneo
Cosa succede se introduciamo
Cu(s) in
una
soluzione
di AgNO3?
Ag(s
)
Cu2
+
L’esperimento può essere ripetuto scegliendo di
volta in volta coppie metallo / sale differenti in
cui gli elementi cambiano forma chimica
essendo presenti come metallo o come ione. Si
osserva che il processo ha sempre una direzione
di spontaneità ma, come il Cu negli esempi
precedenti, un elemento si può ossidare o
ridurre a seconda dell’elemento a cui viene
accoppiato. Si tratta di stabilire se esiste una
regola che permetta di razionalizzare questi
comportamenti.
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