perché l`acido nitrico scioglie il rame?
annuncio pubblicitario
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] CORSO DI PERFEZIONAMENTO “METODOLOGIA E DIDATTICA DELLA CHIMICA” A.A. 2011-2012 Materiale di supporto inviato dal Prof. Antonio Testoni - Ferrara 1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Noi riteniamo che l’educazione scientifica debba consistere in un processo di costruzione di conoscenza che, partendo da modi di guardare ai fenomeni naturali caratteristici della conoscenza comune, porti gradualmente e sempre più consapevolmente gli allievi ad appropriarsi di nuovi modi di guardare il mondo, caratteristici della conoscenza scientifica. Tale costruzione deve avere innanzitutto un valore culturale, cioè consentire il raggiungimento esplicito di una visione della Scienza come una delle tante forme di conoscenza elaborate dalla specie umana nel corso della sua storia, caratterizzata da finalità e descrizione/interpretazione della realtà. 2 metodi specifici di UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] “In molti ambiti scientifici si possono interpretare i fenomeni secondo una varietà di livelli di raffinatezza, tutti quanti utili sotto qualche profilo […] Per gli alunni che trovano difficoltà a capire le idee teoretiche delle scienze è forse necessario riconsiderare il livello a cui si presenta la teoria. […] Dal punto di vista degli alunni è forse preferibile possedere un modello che funziona nell’interpretazione dei fenomeni, anche se lo si dovrà modificare più avanti, piuttosto che dover imparare delle idee più raffinate che servono solo a confondere. Ci sono coloro che si opporranno ad una simile indicazione, argomentando che non dovremmo insegnare mai nulla che debba essere «disappreso» in seguito. La mia risposta sarebbe che quest’ultima concezione semplicemente non rispecchia molto della nostra esperienza, sia per quanto riguarda i contesti di apprendimento formale che le situazioni quotidiane. Noi siamo posti continuamente in situazioni nelle quali dobbiamo rivedere, sviluppare o scartare delle idee alla luce di nuovi dati. La sfida a cui siamo posti di fronte nell’educazione scientifica consiste nel dover presentare agli alunni le teorie in modo tale che le possano capire senza prenderle però come verità immutabili.” 3 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] R. Driver “L'allievo come scienziato?” Zanichelli 4 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Se si vuol costruire un percorso didattico che sia culturalmente significativo, cioè volto alla costruzione di significati e non solo alla conoscenza di leggi, teorie, modelli, soprattutto quando l'insegnamento scientifico diventa disciplinare, la storia della scienza costituisce un riferimento importante (non l'unico!) nell'insegnamento delle scienze. Perché il dare i risultati della scienza senza il complesso dei procedimenti che vi hanno condotto vuol dire travisarne il senso, svuotarne il significato e, conseguentemente, non permetterne l'effettiva comprensione. Significato che può essere compreso se si ricostruisce il contesto teorico e sperimentale nel quale quei concetti sono nati (i quadri teorici che hanno reso possibile l’enucleazione del problema). Tutto ciò non significa sostituire l’insegnamento tradizionale delle scienze con la storia delle scienze, ma utilizzare momenti e aspetti della storia delle scienze e dell’epistemologia particolarmente adatti per collocare problemi, ipotesi e soluzioni nella giusta cornice. 5 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] “In un momento in cui la veemente irrazionalità diffusa sul pianeta insidia il destino stesso della cultura occidentale, le scienze e la storia del loro sviluppo restano forse la testimonianza migliore della capacità di ragionare dell’umanità, e di conseguenza se non ci preoccuperemo di comprendere e rivendicare con orgoglio la nostra storia, non avremo reso pienamente giustizia alle nostre responsabilità di scienziati e di insegnanti [...] La prova più convincente del potere della mente umana di progredire, individualmente e collettivamente, dall’ignoranza e dal disordine a una concezione del mondo assennata, condivisibile e dimostrabile quel trionfo del potenziale razionale dell’uomo di cui la scienza è una testimonianza eloquente - è stata in pratica sabotata dal modo in cui viene presentata, che denuncia la nostra riluttanza ad onorare gli imperativi della ragione [...] Neppure una volta ci è stata proposta l’idea liberatrice che le scoperte ed i metodi stessi della scienza sono il risultato di un processo storico mediante cui dei semplici esseri umani cercano il senso e smascherano il non senso, e che il potenziale per portare avanti tale processo è in ciascuno di noi.” (G. Holton, Scienza educazione e interesse pubblico, Società Editrice Il Mulino) 6 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] “Dai tempi di Dalton, cioè da due secoli, la chimica fa uso di due livelli di descrizione della materia: il livello macroscopico, o fenomenologico, delle proprietà e delle trasformazioni delle sostanze, e il livello microscopico (o più esattamente submicroscopico) degli atomi e delle molecole. I chimici si sono da tempo adattati a questa duplicità di livelli, sviluppando una forma mentis che consente loro di passare con naturalezza da un livello all'altro pur tenendoli ben distinti. Ma ciò non è affatto ovvio per gli studenti che si avvicinano per la prima volta alla chimica, specialmente se sono molto giovani ... soprattutto quando l'insegnamento è fortemente sbilanciato a favore del livello microscopico come avviene molto spesso nelle scuole italiane …” 1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] L'atomismo daltoniano costituì la base concettuale della teoria chimica dell'Ottocento, ma il termine «atomismo» va precisato con il termine «chimico» e distinto dall'atomismo «fisico», occorre cioè separare le discussioni filosofiche sulla struttura ultima della materia dai criteri utilizzati per costruire le formule delle sostanze ... In conclusione, l'atomismo chimico costituì la base teorica per assegnare i pesi relativi agli atomi degli elementi ed attribuire le formule molecolari ai composti e come tale venne accettato, mentre l'atomismo fisico fu oggetto di innumerevoli controversie. Controversie che, comunque, non risparmiarono anche l'atomismo daltoniano, tant'è che, alla fine del XIX secolo, eminenti scienziati nutrivano ancora forti dubbi circa l'esistenza degli atomi e delle molecole1. 1 W. Ostwald (1853-1932) riteneva che l'atomismo non fosse altro che “una comoda ipotesi da non prendere troppo alla lettera”; Lord Kelvin (1824-1907) sosteneva che si dovesse rifiutare “la mostruosa assunzione di pezzi di materia infinitamente duri ed infinitamente rigidi”; E. Mach (1838-1916) asseriva che si “dovesse porre fine all'abitudine, impropria e fuorviante di costruire teorie che facevano ricorso ad enti non osservabili, come lo erano appunto gli atomi... Teorie di questo genere sono espedienti provvisori che vanno sostituite con altre più vicine alla realtà” e sulla stessa linea di pensiero si muoveva anche P. Duhem (1861-1916). 2 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] La teoria Lavoisieriana dell’acidità Nel 1776 Lavoisier enunciò per la prima volta la sua teoria dell’acidità, secondo la quale tutti gli acidi sono composti da una sostanza specifica, caratteristica per ciascuno di essi, e da ossigeno. « (...) Ho fatto vedere, nel primo volume dei miei opuscoli fisici e chimici, che, quando si brucia del fosforo di Kunckel sotto una campana di vetro capovolta nell’acqua, 1/5 circa dell’aria contenuta sotto la campana era assorbita; che ciò che si trova in meno nell’aria si trovava in più nell’acido fosforico che risultava dalla combustione, e ne ho concluso che questo acido era in gran parte composto di aria o, almeno, di una sostanza elastica contenuta nell’aria. Poiché gli stessi fenomeni hanno luogo esattamente nella combustione dello zolfo e nella formazione dell’acido vetriolico, ho ugualmente diritto di concludere che l’aria entra nella composizione di quest’ultimo acido. Questi primi passi mi hanno fatto riflettere sulla natura degli acidi in generale e, esaminando le circostanze della loro formazione e della decomposizione, ho ipotizzato che tutti fossero composti in gran parte di aria; che questa sostanza era comune a tutti e che essi fossero differenti gli uni dagli altri per l’addizione di differenti principi particolari per ciascun acido. Ciò che all’inizio non era che una congettura assai verosimile, si è ben presto trasformata in certezza, quando ho applicato l’esperienza alla teoria; e sono oggi nella condizione di affermare che non solamente 3 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] l’aria, ma per la precisione, la porzione più pura dell’aria, entra nella composizione di tutti gli acidi senza eccezione; che è questa sostanza che determina la loro acidità, al punto che si può, a volontà, togliere loro o rendere la qualità di acido, togliendo o dando loro la porzione d’aria essenziale alla loro composizione. Non essendo i metodi di decomposizione e di preparazione gli stessi per tutti gli acidi, tratterò di ciascuno di essi in altrettanti articoli specifici; inizio oggi con quello dell’acido nitrico, poiché è quello di cui è maggiormente importante conoscerne la natura e la composizione … Comincerò, prima di entrare in argomento, con l’avvertire il pubblico che una parte delle esperienze contenute in questo articolo non mi appartengono; potrebbe essere, rigorosamente parlando, che non ce n’è nessuna di cui M. Priestley non potrebbe attribuirsi la prima idea; ma poiché gli stessi fatti ci hanno condotto a delle conseguenze diametralmente opposte, spero che, se mi si rimprovererà di aver preso delle prove dalle opere di questo celebre fisico, nessuno mi contesterà la proprietà delle conclusioni. » A. Lavoisier, Mèmoire sur l’existence de l’air dans l’acide nitreux, in Oeuvres de Lavoisier, tome II, Paris, Impremerie Imperiale, 1862, p. 120-130. 4 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Nell’acido nitrico “c’è dell’aria” Lavoisier introdusse in un matraccio collegato ad un bagno pneumatico una quantità nota di mercurio ed acido nitrico concentrato; riscaldò moderatamente per accelerare la dissoluzione e quasi immediatamente si manifestò una viva effervescenza: I Quando alla fine nel matraccio non rimase che una sale mercuriale bianco, la quantità di aria nitrosa ottenuta risultò 190 pollici mercurio + acido nitrico → sale mercuriale + aria nitrosa (incolore) II Continuando a riscaldare il matraccio, Lavoisier constatò ad un certo punto la formazione di vapori rossi e contemporaneamente la trasformazione del sale mercuriale in una sostanza rossa (calce di mercurio): sale mercuriale → calce di mercurio + vapori rossi III Infine riscaldando questa sostanza rossa per sette ore, Lavoisier ricavò ossigeno e la stessa quantità di mercurio che aveva utilizzato inizialmente (2 once e 1 gros): calce di mercurio → mercurio + ossigeno 5 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Lavoisier poté quindi concludere che, essendo il mercurio uscito inalterato in questa serie di reazioni, i gas ricavati non potevano che derivare dalla decomposizione dell’acido nitrico: « (...) era dunque evidente che l’acido nitrico, per la sua combinazione con il mercurio, era stato decomposto in due gas, che separatamente non erano per nulla acidi; non rimaneva che di rimettere insieme queste due arie e di vedere se ne sarebbe risultato un acido, e se questo acido sarebbe stato quello del nitro. Ho conseguentemente riempito di acqua un tubo ... vi ho introdotto sette parti e 1/3 di aria nitrosa e vi ho aggiunto quattro parti di ossigeno ... si sono formati dei vapori molto rossi di spirito di nitro fumante, che sono stati istantaneamente condensati dall’acqua, e in alcuni secondi, le undici parti e 1/3 di aria sono stati ridotti a 1/3 di misura circa, cioè alla trentaquattresima parte del loro volume originario.. L’acqua contenuta nel tubo è stata trovata sensibilmente acida al seguito di questa operazione ... saturandola d’alcali, ne ho ricavato del vero nitro per evaporazione. » 6 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Negli anni immediatamente successivi, Lavoisier fu in grado, grazie anche alle scoperte effettuate da due grandi chimici, Bergman e Scheele, di constatare la proprietà dell’acido nitrico di cedere ossigeno non soltanto con il rame, ma anche con molte altre sostanze (oggi l’acido nitrico è considerato un energico ossidante). L’acido nitrico si rivelò un reagente prezioso: - Lavoisier fu in grado di affermare che determinati acidi contenevano ossigeno, in quanto li aveva ricavati per ossidazione di specifiche sostanze con acido nitrico, quali ad esempio l’acido ossalico (Lavoisier aveva ricavato, rifacendosi a Bergman, questo acido per ossidazione dello zucchero con acido nitrico); - Lavoisier, quando venne a conoscenza che l’acido fosforico poteva essere preparato a partire dal fosforo non soltanto per combustione, ma anche per reazione con l’acido nitrico, poté affermare che la condizione necessaria per convertire una sostanza in acido è l’acquisto di ossigeno e che la reazione di combustione non è che una “circostanza accessoria”: fosforo + acido nitrico → acido fosforico + aria nitrosa Nel 1779 Lavoisier, con le verifiche effettuate con gli acidi allora conosciuti, si ritenne in grado di effettuare la generalizzazione, cioè di poter indicare nel componente attivo dell’aria la causa dell’acidità. Propose conseguentemente di assegnare a questo gas il nome di ossigeno, che significa appunto generatore di acido. 7 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche 8 Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Per ciò che riguarda funzione conoscitiva delle teorie “sbagliate” particolarmente interessanti sono le riflessioni di K. Popper: “Una teoria falsa può rappresentare una grande conquista, quanto una vera. Le teorie false hanno giovato alla ricerca della verità più di altre, meno interessanti, ancora oggi accettate. Le teorie false possono infatti essere di aiuto in molteplici modi: per esempio, suggerendo alcune modifiche più o meno radicali, e stimolando la critica.” 9 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] acido nitrico + rame = ossido di rame + aria nitrosa os s i ge no ac i d o n i t r i c o nitratoto di rame (soluz.) 10 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Acido nitrico diluito 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O 2NO + O2 2NO2 incolore rosso bruno 2NO2 + H2O H+ + NO3¯ + HNO2 3HNO2 H+ + NO3¯ + 2NO + H2O Acido Nitrico concentrato Cu + 4HNO3 Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O 11 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] La legge delle proporzioni multiple Dalton analizzando anche altri composti costituiti dagli stessi elementi, giunse a formulare una legge, nota appunto come legge di Dalton o delle proporzioni multiple, la quale asserisce l’esistenza di una relazione matematica tra la composizione dei diversi composti costituiti dagli stessi elementi. Tale legge può essere enunciata nel seguente modo: le quantità di un elemento che si combinano con una quantità fissa dell’altro stanno fra di loro in rapporti espressi da numeri interi piccoli (1:2; 2:3; 2:5; 3:5; …). La conferma della legge delle proporzioni multiple diventa fondamentale, in quanto questa avvalora l’ipotesi di Dalton secondo cui gli atomi entrano sempre interi in qualsiasi reazione chimica. 12 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Formule molecolari: il caso dell'acido carbonico (anidride carbonica) anidride carbonica ossido di carbonio carbonio 28% 44% ossigeno 72% 56% g72 ossigeno : g28 carbonio = g X ossigeno : g44 carbonio Tabella n.1 Anidride Carbonica Ossido di carbonio Carbonio g Ossigeno g 44 x 1 56 x 2 ≈ 113,14 44 56 g56 ossigeno : g44 carbone = g72 ossigeno : gX carbonio da cui: X = 44 · 72 / 56 = 56.57 Tabella n.2 Anidride Carbonica Ossido di carbonio Carbonio g. 28 56.57 ≈ (28x2) Ossigeno g. 72 72x1 13 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche 14 Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Riassumendo: Tabella n.1 (Massa carbonio costante) Carbonio Ossigeno Anidride 44 113.14 ≈56 x 2 Carbonica Ossido 56 44 di carbonio Tabella n.2 (Massa ossigeno costante) Carbonio Ossigeno Anidride 28 72 Carbonica Ossido 72 56.57 ≈ 28x2 di carbonio Formula: ipotesi 1 CO2 CO Formula: ipotesi 2 CO C2O In base a queste considerazioni, quale ritieni possa essere la formula dell’anidride carbonica? CO o CO2 ? Considera ora i dati della tabella seguente. Tabella n.3 Anidride Solforica Anidride Solforosa Zolfo g 32 Ossigeno g 48 (32 x 1,5) 32 32 Secondo te, che significato assume il fatto che 48 non sia un multiplo intero di 32? È ancora accettabile l’ipotesi che nelle reazioni chimiche gli atomi si 15 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] combinano interi? I composti dell’azoto p.s. Composizione % N O rapporti atomici Gas nitroso NO 1,102 46,6 44,2 42,3 53,4 55,8 57,7 6,1 : 7 5,5 : 7 5,1 : 7 Ossido nitroso N2O 1,614 63,5 62,0 61,0 36,5 38,0 39,0 2 · 6,1 : 7 2 · 5,7 : 7 2 · 5,4 : 7 Acido nitrico NO2 2,444 29,5 29,6 28,0 25,3 70,5 70,4 72,0 74,6 5,8 : 7 · 2 5,9 : 7 · 2 5,4 : 7 · 2 4,7 : 7 · 2 16 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] “Nei manuali, i numeri che si ricavano dalla misura appaiono usualmente come gli archetipi di <<fatti irriducibili e testardi>> ai quali lo scienziato deve, con fatica, far sì che le sue teorie si adeguino. Ma nella pratica scientifica, come è visibile attraverso le riviste, lo scienziato spesso sembra piuttosto lottare con i fatti, tentando di imporre loro una conformità ad una teoria che non pone in dubbio. I fatti quantitativi cessano di sembrare semplicemente <<il dato>>...” A supporto delle sue considerazioni, Kuhn riporta fra i molteplici esempi quello di John Dalton, che è molto significativo. “All’inizio del XIX secolo, i chimici non sapevano come effettuare analisi quantitative che ponessero in evidenza le proporzioni multiple. Nel 1850 avevano imparato, ma solo facendosi guidare dalla teoria di Dalton. Conoscendo quale risultato si dovessero attendere dalle analisi chimiche, i chimici furono in grado di escogitare tecniche che permettessero di ottenerlo. Di conseguenza i manuali di chimica possono ora affermare che le analisi quantitative confermano l’atomismo di Dalton e dimenticano che, storicamente, le tecniche analitiche importanti sono basate sulla stessa teoria che, si dice, esse confermino. Prima che la teoria di Dalton fosse enunciata le misure non davano gli stessi risultati... Questi esempi possono mostrare il motivo per il quale nuove leggi della natura vengono molto raramente scoperte esaminando semplicemente i risultati delle misure fatte, senza conoscenze precedenti di queste leggi. 17 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Perché la maggior parte delle leggi quantitative hanno così pochi punti di contatto con la natura, poiché le indagini di questi punti di contatto richiedono usualmente strumentazioni ed approssimazioni e poiché la stessa natura deve essere forzata per fornire i risultati appropriati, la strada dalla teoria o dalla legge alla misura non può quasi mai essere percorsa in senso inverso. I numeri raccolti senza una qualche conoscenza delle regolarità da attendersi non sono quasi mai significativi di per sé. Quasi certamente essi restano solo dei numeri". 18 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Acidi, Basi e Sali: formule dualistiche e formule unitarie La teoria unanimemente accettata da tutti i chimici, relativa alla costituzione dei sali, riteneva che i sali si formassero dagli acidi e dagli ossidi per semplice reazione di addizione. Questa teoria era, a sua volta, strettamente connessa alla concezione, risalente a Lavoisier, che gli acidi inorganici fossero sostanze binarie (fossero cioè costituiti da un non metallo e da ossigeno). Conseguentemente, per esempio, la reazione tra acido solforico ed ossido di calcio veniva concepita come reazione di addizione: SO3 (a. solforico) + CaO (ossido di calcio) → CaO·SO3 o CaSO4 f. dualistica f. unitaria Quindi, quando Liebig e Wohler affrontarono il problema della formula dell’acido benzoico, presero le mosse da questo quadro teorico. 19 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Il problema della formula dell’acido benzoico L’acido benzoico veniva ricavato dalla seguente reazione: olio di mandorle amare + ossigeno → acido benzoico (1) Nel 1832 Liebig e Wohler, dopo aver analizzato diversi campioni di acido benzoico ottenuto dall’olio di mandorle amare, ricavarono un rapporto di combinazione degli atomi (C, H, O) che portava a ritenere che la formula dell’acido fosse C7H6O2, contrariamente a quanto ricavato da Berzelius (C15H12O3) nel 1814. Allo scopo di confermare la formula dell’acido benzoico e determinarne il peso molecolare, Liebig e Wohler presero in considerazione anche la seguente reazione : ossido d’argento + acido benzoico → benzoato d’argento (2) Partendo dall’ipotesi che la formula del benzoato di argento fosse data dall’addizione di quella dell’ossido di argento (AgO) con quella dell’acido benzoico, procedettero alla decomposizione del sale per ricavare il peso molecolare e la formula dell’acido. A seguito di questo procedimento, assegnarono all’acido benzoico la formula C14H10O3. Sulla base delle relazioni espresse dalle reazioni (1) e (2), la formula dell’acido benzoico ricavata dall’olio di mandorle doveva, tuttavia, coincidere con quella ricavata dal benzoato. Per questo motivo, Liebig e Wohler raddoppiarono la formula del 20 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] primo (C7H6O2), ma constatarono con stupore che conteneva una molecola d’acqua in più (C14H12O4). In sintesi: Formula dell’acido benzoico ricavato dal Benzoato di Argento C14H10O3 Formula dell’acido benzoico ricavato dall’Olio di mandorle C14H12O4 L’acido benzoico sembrava perdere, durante la reazione, una molecola d’acqua: C14H12O4 + AgO → AgO · C14H10O3 + H2O 21 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] La teoria idrogenica Liebig osservò che la teoria idrogenica degli acidi (al contrario di quella basata sull’ossigeno) riuniva tutti gli acidi in un’unica classe di sostanze che presentavano reazioni simili. Egli scrisse: “Si chiamano acidi determinati composti dell’idrogeno nei quali l’idrogeno può essere sostituito dai metalli. I sali neutri sono composti nei quali l’idrogeno è sostituito dall’equivalente di un qualsivoglia metallo. I corpi che oggi chiamiamo acidi anidri (anidridi) possiedono la capacità di combinarsi con gli ossidi metallici per dare i sali, ma per la maggior parte solo per aggiunta di acqua. Il principio della teoria di Davy, che dobbiamo tener presente per la sua valutazione, è che la capacità saturatuiva degli acidi dipende dal numero di atomi di idrogeno in essi contenuto, così che, se noi chiamiamo radicale dell’acido l’insieme di tutti i rimanenti suoi elementi, la composizione del radicale non eserciterà la minima influenza su questa capacità saturatuiva” 22 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Prove di conducibilità elettrica di acidi, basi e sali Lo schema del circuito elettrico dell’apparecchiatura utilizzata è il seguente: Generatore + interruttore lampadina Sostanze: acido tartarico, acido acetico, acido cloridrico, idrossido di sodio, cloruro di sodio, nitrato di potassio, saccarosio, acqua distillata. anodo catodo 23 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Sostanza pura/soluzione Acqua distillata Acido tartarico Acido tartarico in soluzione Acido cloridrico in soluzione Acido acetico in soluzione Idrossido di sodio Idrossido di sodio in soluzione Cloruro di sodio Cloruro di sodio in soluzione Nitrato di potassio Nitrato di potassio fuso Nitrato di potassio in soluzione Saccarosio Saccarosio in soluzione Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Conduce Fenomeni osservabili Non conduce molto / poco agli elettrodi 24 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche anodo + catodo − Cl Cl- Cl H H + H anodo (+): 2Cl- → Cl2 + 2ecatodo (−): 2H+ + 2e- → H2 25 Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Il significato delle formule Le tre formule dell’acido nitrico - H2O·N2O5; H2N2O6; 2HNO3 - possono sembrare del tutto simili; si potrebbe quindi pensare che l’adozione dell’una o dell’altra sia stata soltanto il frutto di convenzioni arbitrarie, invece ogni formula ha un significato preciso: I. il passaggio dalle formule dualistiche alle formule unitarie venne effettuato quando si comprese che la molecola della sostanza ricavata da una reazione di addizione, benché si fosse formata dall’unione delle molecole dei componenti, non era costituita dalla semplice giustapposizione di queste molecole (ma che si verificava una ridislocazione degli atomi nella nuova molecola); II. il passaggio dalla formula H2N2O6 alla formula HNO3 non avvenne per una semplificazione di tipo matematico, ma quando si fu in grado di ipotizzare che la molecola dell'acido nitrico fosse costituita di 1 atomo di idrogeno, 1 atomo di azoto e di 3 atomi di ossigeno; III. la formula HNO3 potrebbe evidentemente anche essere scritta nei seguenti modi: NHO3, NO3H, O3NH, O3HN, HO3N. La scelta della formula HNO3 non è avvenuta per caso. La convenzione di scrivere la formula degli acidi in questo modo venne stabilita nella seconda metà dell'Ottocento, quando venne definitivamente accettata la teoria della dissociazione elettrolitica di Arrhenius e si comprese che: a) gli elettroliti erano dissociati in ioni prima dell’elettrolisi e che la dissociazione non aveva luogo sotto l’azione della corrente elettrica; b) tutti gli acidi avevano la caratteristica di scindersi in acqua in due parti dotate di carica elettrica opposta, cioè in uno o più atomi di idrogeno dotati di una carica positiva (indicati con il simbolo H+ e chiamati ioni idrogeno) e nel gruppo acido restante dotato di una o più cariche negative: 26 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] HNO3 → H+ + NO3– H2SO4 → 2H+ + SO4= La teoria idrogenionica degli acidi Gli acidi vennero dunque definiti come quelle sostanze che in acqua liberavano ioni idrogeno. Come mai l’acido cloridrico ha una conducibilità più elevata dell’acido tartarico e dell’acido acetico? Vi è una relazione fra la forza dell’acido e la sua conducibilità? La conducibilità dipende dalla concentrazione degli ioni. Secondo Arrhenius, l’acido cloridrico, come tutti gli acidi forti, in acqua si scioglie dissociandosi completamente in ioni, a differenza degli acidi deboli, che sono parzialmente dissociati. H+ + Cl- HCl C2H3O2- + H+ C2H4O2 Maggiore è il grado di dissociazione, più elevato è il numero di ioni che vanno in soluzione e, di conseguenza, più elevata è la conducibilità. 27 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] La distinzione tra ossidi e idrossidi Anche per le basi si comprese che vi erano due classi di sostanze simili nel comportamento chimico, ma diverse nella costituzione molecolare; si capì cioè che gli ossidi (i composti binari ricavati dalla combinazione dei metalli con ossigeno), quando venivano solubilizzati in acqua, si combinavano innanzitutto con una parte precisa d’ acqua, formando dei composti ternari che vennero chiamati idrossidi: metallo + ossigeno → ossido ossido + acqua → idrossido Riportiamo alcuni esempi: CaO + H2O → CaO·H2O o Ca(OH)2 idrossido di calcio Fe2O3 + H2O → Fe2O3·3H2O o 2Fe(OH)3 idrossido ferrico Na2O + H2O → Na2O·H2O o 2NaOH idrossido di sodio Anche per la scrittura delle formule degli idrossidi sono valide le considerazioni effettuate a proposito degli acidi. Le formule molecolari degli acidi e degli idrossidi potrebbero essere scritte nello stesso modo; per esempio la formula dell’idrossido ferrico potrebbe essere scritta in modo simile a quella dell’acido solforico: acido solforico H2SO4 idrossido ferrico H3FeO3 La convenzione di scrivere la formula degli idrossidi nel modo sopra indicato (e cioè Me(OH)n ) venne stabilita quando si comprese che, in acqua, anche gli idrossidi si scindevano in due parti cariche, ma, diversamente dagli acidi, davano dei gruppi OH carichi negativamente (indicati come OH– ovvero ione ossidrile) ed il metallo, carico positivamente. NaOH → Na+ + OH– Ca(OH)2 → Ca+2 + 2OH– 28 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche 29 Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected] Le reazioni di neutralizzazione\salificazione Quando finalmente venne effettuata la distinzione tra anidridi ed acidi e tra ossidi ed idrossidi, fu possibile comprendere: 1. che la formazione dei sali avveniva effettivamente con una reazione di addizione soltanto quando i reagenti erano costituiti da un ossido e da un’anidride; 2. che la reazione di salificazione avveniva anche con la formazione (eliminazione) di acqua negli altri tre casi, e cioè quando i reagenti erano: a) un ossido e un acido; b) un idrossido e un’anidride; c) un idrossido e un acido. Alla luce della teoria idrogenionica la reazione di neutralizzazione viene interpretata supponendo che: NaOH Na+ + HCl + OH– H+ 30 + Cl– UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA Dipartimento di Scienze Chimiche H2O 31 Antonio Toffoletti tel.: +39 049 8275685 fax: +39 049 8275829 [email protected]
