Anche per le reazioni acido – base è possibile scrivere una costante d’equilibrio, che misura quanto la reazione sia avvenuta. La posizione dell’equilibrio (a destra o a sinistra) dipende simultaneamente sia dalla tendenza dell’acido a cedere lo ione H+(che è poi la forza dell’acido), che dalla tendenza della base ad accettarlo (che è poi la forza della base); naturalmente l’equilibrio è tanto più spostato a destra quanto maggiori sono tali tendenze. Quindi, essendo due le sostanze che con le loro caratteristiche influenzano l’andamento dell’equilibrio, non esiste una tendenza assoluta a cedere o ad accettare ioni H+, non è pertanto possibile misurare neppure una forza assoluta degli acidi o delle basi. Del resto, a pagina due abbiamo già visto che un acido può esistere solo in presenza di una base e viceversa, mentre i composti anfoteri si comportano da acido o da base a seconda delle sostanze con cui vengono messi a confronto. La determinazione della forza di un acido o di una base viene dunque fatta misurando la tendenza delle sostanze a donare o ad acquistare un protone nei confronti di una medesima sostanza presa come riferimento. Poiché gli acidi e le basi si sciolgono in acqua, e la maggior parte delle reazioni acido – base avviene in soluzione acquosa, l’acqua è stata presa come sostanza di riferimento per misurare la forza di un acido o di una base. Questo del resto concorda con quanto abbiamo detto all’inizio del paragrafo precedente, quando abbiamo posto l’accento sulla natura elettrolitica degli acidi e delle basi, per cui la costante d’equilibrio della reazione di dissociazione in acqua di un acido o di una base viene presa come misura della forza di quell’acido o di quella base in acqua.
Dato quindi un generico acido, HNO3 ad esempio, ed utilizzando la notazione di Arrhenius, la Keq della sua reazione di dissociazione in acqua prende il nome di costante di dissociazione acida o meglio di costante acida e s’indica con Ka.
Data invece una base generica, NaOH ad esempio, la Keq della sua reazione di dissociazione in acqua prende il nome di costante di dissociazione basica o meglio di costante basica e s’indica con Kb.
Un gran valore di Ka o Kb (>1) significa che la reazione di dissociazione è spostata a destra: si parla in questi casi di acidi o basi forti o fortissimi; viceversa, valori piccoli di Ka o Kb (<10-4) indicanoacidi o basi deboli o debolissimi. Nei casi intermedi si hanno acidi o basi di media forza.
La dissociazione dell’acqua
Come già sappiamo l’acqua è un composto anfotero, che come tale quindi si comporta da acido con le basi, donando loro uno ione H+, mentre si comporta da base con gli acidi, accettandone lo ione H+. Per potersi comportare così l’acqua deve avere sia le caratteristiche delle basi, sia quelle degli acidi, così come sono state descritte nei paragrafi precedenti. Limitiamoci ancora una volta alla trattazione di Arrhenius. In effetti l’acqua spontaneamente da luogo alla seguente reazione di dissociazione:
H2O H++ OH–
L’equilibrio è completamente spostato a sinistra, le molecole di acqua che si dissociano sono infatti pochissime, circa una ogni 10 milioni; la concentrazione molare dell’acqua resta quindi praticamente sempre costante e pertanto anche il suo prodotto con la costante di dissociazione è costante.
Il carattere anfotero dell’acqua può essere dunque spiegato dal fatto che essa sempre presenta al suo interno quantità, sia pur piccolissime, di ioni H+ e OH–. Poiché dalla dissociazione di una molecola di acqua otteniamo uno ione H+ ed uno ione OH-, la loro concentrazione nell’acqua pura è costante ed uguale a 10-7molare.
Tale uguaglianza è valida solo per l’acqua pura, se infatti mettiamo nell’acqua un acido la concentrazione degli ioni H+ aumenta, viceversa se mettiamo una base aumenta invece la concentrazione degli ioni OH–. Tuttavia in qualunque soluzione acquosa, acida, basica o neutra, il prodotto della concentrazione molare degli ioni H+ per la concentrazione molare degli ioni OH- è costante e vale 10-14. [H+] e [ OH–] sono infatti inversamente proporzionali ed il fattore di proporzionalità è 10-14; il loro prodotto è infatti costante, indipendentemente dal valore assunto dai due fattori. A questo punto, nota la concentrazione di uno dei due ioni è facile calcolare la concentrazione dell’altro.
Soluzioni acide, neutre e basiche. Il pH.
Lo ione H+ viene chiamato idrogenione, mentre lo ione OH– viene chiamato ossidrilione. Poiché i valori della concentrazione idrogenionica e ossidrilionica sono legati tra loro dall’espressione del prodotto ionico dell’acqua, per caratterizzare le proprietà acido base di una soluzione acquosa è sufficiente fare riferimento ad una sola delle due concentrazioni. A tale scopo viene convenzionalmente utilizzata la concentrazione idrogenionica.
F Se in una soluzione la concentrazione idrogenionica è uguale a quella ossidrilionica, ed entrambe valgono 10-7M, cioè se [H+]=[ OH–]=10-7, la soluzione si dice neutra.
F Se viceversa la concentrazione idrogenionica è maggiore di quella ossidrilionica, ed è pertanto maggiore di 10-7M, cioè se [H+]>[ OH–] e [H+]>10-7, la soluzione si dice acida.
[acidi] F Se infine la concentrazione idrogenionica è minore di quella ossidrilionica, ed è pertanto minore di 10-7M, cioè se [H+]< [ OH–] e [H+]<10-7, la soluzione si dice basica.
Per evitare di utilizzare le potenze negative di 10, oppure numeri preceduti da tanti zeri, nel misurare la concentrazione idrogenionica di una soluzione si utilizza una scala logaritmica in base 10. Ricordiamo che matematicamente si definisce logaritmo in base 10 di un numero X l’esponente che dobbiamo dare a 10 per avere X, risulta cioè che:
se Log10 X = a allora 10a = X
in questo senso quindi Log10 10-7 = -7 Log10 10-14 = -14 e Log10 1 = 0