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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