Il ruolo degli acidi di Lewis e delle basi in chimica
Acido di Lewis e Base: una breve introduzione
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Un acido di Lewis è una sostanza in grado di accettare un doppietto elettronico da una base, mentre una base è una sostanza capace di donare un doppietto elettronico a un acido. Questa definizione è stata introdotta successivamente alla teoria di Arrhenius sugli acidi e le basi, la quale sosteneva che gli acidi sono sostanze che rilasciano ioni H+ e le basi sono sostanze che rilasciano ioni OH- in soluzione.
L’evoluzione delle teorie sugli acidi e le basi
La teoria di Arrhenius, però, non spiegava completamente il comportamento di specie come l’ammoniaca. È stato solo nel 1923 che la teoria di Brønsted–Lowry ha ampliato il concetto di acidi e basi, cercando di spiegare l’acidità e la basicità di varie sostanze. Successivamente, altre teorie come quella di Pearson sono state sviluppate per spiegare il comportamento di composti particolari.
Comportamento degli acidi di Lewis in acqua
Quando un sale contenente un metallo di transizione viene disciolto in acqua, si formano complessi colorati in cui l’acqua agisce da legante. Gli ioni dei metalli di transizione possono presentarsi come M2+ (ad esempio Fe2+, Co2+ e Cu2+) o come M3+ (ad esempio Al3+, V3+, Cr3+ e Fe3+), formando complessi come [M(H2O)6]2+ e [M(H2O)6]3+ rispettivamente.
L’acquoione si idrolizza in acqua, rilasciando un ione H+ da una delle molecole di acqua a cui il metallo è coordinato, formando [M(H2O)5OH]2+ e [M(H2O)5OH]3+ rispettivamente, insieme all’ione H3O+.
Impatto degli acidi di Lewis sul pH di una soluzione
Per comprendere l’influenza degli acidi di Lewis sul pH di una soluzione, possiamo considerare il cloruro di ferro (III) come esempio. Quando il cloruro di ferro (III) si dissolve in acqua, si forma Fe3+ e 3 Cl-. I cationi metallici degli elementi di transizione tendono ad idratarsi, formando complessi come [Fe(H2O)6]3+, in cui le molecole di acqua sono legate al ferro tramite un legame di coordinazione utilizzando il doppietto elettronico solitario.Il legame di coordinazione tra l’ossigeno e l’idrogeno influenza gli elettroni di legame, facendo sì che gli atomi di idrogeno acquisiscano una parziale carica positiva maggiore. Questo porta gli atomi di idrogeno a comportarsi come acidi, donando un protone all’acqua secondo l’equilibrio:
[Fe(H2O)6]3+ + H2O ⇌ [Fe(H2O)5 OH]2+ + H3O+,
dove la costante di equilibrio Ka è dell’ordine di 10^-4. Il complesso esaacquoferro (III) agisce da acido e determina il pH della soluzione in base alla sua concentrazione.
pH di un acido di Lewis
Per calcolare il pH di una soluzione contenente 24,0 g di FeCl3 disciolti in 230 mL di acqua, con Ka di [Fe(H2O)6]3+ = 8.9 × 10^-4: – Moli di FeCl3 = moli di Fe3+ = 24,0 g / 162,2 g/mol = 0,148
– [Fe3+] = [Fe(H2O)6]3+ = 0,148 / 0,230 L = 0,643 M
All’equilibrio: [Fe(H2O)6]3+ = 0,643 – x
[Fe(H2O)5 OH]2+ = [H3O+] = x
Calcolando Ka = 8,9 × 10^-4 come [(x)(x)] / 0,643 – x, si ottiene x = [H3O+] = 0,024 M. Di conseguenza, il pH della soluzione risulta essere 1,6.
