15.10: Ioni come acidi e basi

Sali con ioni acidi

I sali sono composti ionici formati da cationi e anioni, ognuno dei quali può essere in grado di subire una reazione di ionizzazione acida o basica con l'acqua. Le soluzioni acquose saline, quindi, possono essere acide, basiche o neutre, a seconda della forza relativa acido-base degli ioni costituenti del sale. Ad esempio, sciogliendo il cloruro di ammonio in acqua si ottiene la sua dissociazione, come descritto dall'equazione:

Lo ione ammonio è l'acido coniugato della base ammoniaca, NH_3; la sua reazione di ionizzazione acida (o idrolisi acida) è rappresentata da

Poiché l'ammoniaca è una base debole, K_b è misurabile e K_a > 0 (lo ione ammonio è un acido debole).

Lo ione cloruro è la base coniugata dell'acido cloridrico, quindi la sua reazione di ionizzazione della base (o idrolisi della base) è rappresentata da

Poiché HCl è un acido forte, K_a è incommensurabilmente grande e K_b ≈ 0 (gli ioni cloruro non subiscono un'idrolisi apprezzabile). Pertanto, sciogliendo il cloruro di ammonio in acqua si ottiene una soluzione di cationi acidi deboli (NH_4^+) e anioni inerti (Cl^−), risultando in una soluzione acida.

Sali con ioni basici

Come altro esempio, considera la dissoluzione dell'acetato di sodio in acqua:

Lo ione sodio non subisce un’apprezzabile ionizzazione acida o basica e non ha alcun effetto sul pH della soluzione. Ciò può sembrare ovvio dalla formula dello ione, che non indica atomi di idrogeno o ossigeno, ma alcuni ioni metallici disciolti funzionano come acidi deboli, come illustrato più avanti in questa sezione. Lo ione acetato, CH_3CO_2−, è la base coniugata dell'acido acetico, CH_3CO_2H, e quindi la sua reazione di ionizzazione della base (o idrolisi della base) è rappresentata da

Poiché l'acido acetico è un acido debole, la sua K_a è misurabile e K_b > 0 (lo ione acetato è una base debole). La dissoluzione dell'acetato di sodio in acqua produce una soluzione di cationi inerti (Na^+) e anioni basici deboli (CH_3CO_2−), risultando in una soluzione basica.

Sali con ioni acidi e basici

Alcuni sali sono composti sia da ioni acidi che basici, quindi il pH delle loro soluzioni dipenderà dalla forza relativa di queste due specie. Per tali tipi di sali, il confronto dei valori di K_a e K_b consente di prevedere lo stato acido-base della soluzione.

La ionizzazione degli ioni metallici idrati

A differenza degli ioni metallici dei gruppi 1 e 2 degli esempi precedenti (Na^+, Ca_2+, ecc.), alcuni ioni metallici funzionano come acidi in soluzioni acquose. Questi ioni non vengono solo sciolti dalle molecole d'acqua quando disciolti; sono invece legati covalentemente a un numero fisso di molecole d'acqua per produrre uno ione complesso (vedere il capitolo sulla chimica di coordinazione). Ad esempio, la dissoluzione del nitrato di alluminio in acqua è tipicamente rappresentata come

Tuttavia, lo ione alluminio(III) in realtà reagisce con sei molecole d'acqua per formare uno ione complesso stabile, quindi la rappresentazione più esplicita del processo di dissoluzione è

Gli ioni Al(H_2O)_6_3+ implicano legami tra un atomo centrale di Al e gli atomi di O delle sei molecole d'acqua. Di conseguenza, i legami OH delle molecole d'acqua legate sono più polari rispetto alle molecole d'acqua non legate, rendendo le molecole legate più inclini alla donazione di uno ione idrogeno:

La base coniugata prodotta da questo processo contiene altre cinque molecole d'acqua legate in grado di agire come acidi, quindi il trasferimento sequenziale o graduale di protoni è possibile come illustrato in alcune equazioni seguenti:

A parte i metalli alcalini (gruppo 1) e alcuni metalli alcalino terrosi (gruppo 2), la maggior parte degli altri ioni metallici subiranno in una certa misura la ionizzazione acida quando disciolti in acqua. La forza acida di questi ioni complessi aumenta tipicamente con l'aumento della carica e la diminuzione delle dimensioni degli ioni metallici. Le equazioni di ionizzazione acida del primo passaggio per alcuni altri ioni metallici acidi sono mostrate di seguito:

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 14.4: Hydrolysis of Salts.

Acidi, basi e composti ionici formano anioni e cationi quando si dissolvono in acqua. Gli anioni che sono la base coniugata di acidi forti, come il cloruro formato dalla dissociazione dell'acido cloridrico, sono troppo deboli per accettare un protone dall'acqua. Pertanto, gli ioni cloruro sono a pH neutro;cioè, non sono né acidi né basici.

Al contrario, gli anioni formati da acidi deboli, come l'acetato, che è la base coniugata dell'acido acetico, agisce come una base debole poiché può accettare un protone dall'acqua. I cationi che sono l'acido coniugato di basi forti, come gli ioni sodio formati dall'idrossido di sodio, non possono accettare protoni e, quindi, sono anche loro a pH neutro. Al contrario, i cationi prodotti da basi deboli, come l'ammonio, l'acido coniugato dell'ammoniaca, agiscono come un acido debole, in quanto possono donare protoni all'acqua.

Quando ionizzano, i sali possono produrre soluzioni acide e basiche, a seconda che contengano un acido coniugato o una base coniugata di un acido o di una base debole. Il bromuro di ammonio produce ioni di ammonio e bromuro in acqua. Gli ioni bromuro sono a pH neutro, mentre gli ioni ammonio agiscono come un acido debole poiché possono donare protoni.

Quando l'acetato di sodio viene sciolto in acqua, gli ioni del sodio non reagiscono con l'acqua;tuttavia, lo ione acetato può accettare un protone, che forma una soluzione basica. I sali che contengono cationi e anioni a pH neutro formano soluzioni neutre. Per esempio, il cloruro di sodio si dissocia in ioni sodio e ioni cloruro, quando disciolto in acqua.

Poiché entrambi questi ioni non possono né accettare né donare protoni, formano una soluzione neutra. Gli ioni metallici piccoli e altamente carichi, come il ferro e l'alluminio possono anche agire come acidi deboli quando si idratano. Quando l'alluminio è idratato, agisce come un acido debole, e trasferisce i protoni dalle sue molecole di acqua di idratazione alle molecole d'acqua libere, portando alla produzione di ioni idronio.

Più piccolo è lo ione metallico, maggiori sono le cariche presenti su di esso e maggiore è la sua tendenza ad agire come un acido. Per esempio, il valore della Ka per Fe è 6, 3 10⁻³, mentre il valore della Ka per Ni è 2, 5 10⁻¹¹.