Caratteristiche degli elementi del I gruppo

27 05 2010

I GRUPPOGli elementi del gruppo IA (Li, Na, K, Rb, Cs e Fr) del Sistema periodico sono detti anche metalli alcalini. La loro principale caratteristica comune è di avere un solo elettrone nell’orbitale più esterno e, di conseguenza hanno proprietà chimiche molto simili. Sono tutti solidi, facilmente solubili in acqua e hanno tutte le caratteristiche dei metalli: lucenti, buoni conduttori di calore e di elettricità, duttili, cioè si possono trasformare facilmente in fili e malleabili, cioè sono facilmente trasformabili in lamine sottili. Nella formazione di legami, tendono tutti, cedendo un elettrone e trasformandosi in cationi monovalenti, a raggiungere la configurazione elettronica esterna e la stabilità del gas nobile che li precede. Per questo sono molto reattivi e, in presenza di ossigeno atmosferico, sulla loro superficie si forma immediatamente uno strato di ossido. A causa della loro elevata reattività, non hanno alcun uso nella vita quotidiana se non come composti, ma sono molto utilizzati dall’industria. Ad esempio le batterie al litio sono quelle più diffuse per i telefoni cellulari e altri prodotti elettronici.

Questi elementi reagiscono con l’idrogeno formando gli idruri: LiH (idruro di litio), NaH (idruro di sodio), ecc. Nelle reazioni con l’ossigeno danno gli ossidi basici o semplicemente ossidi, ad esempio Na2O (ossido di disodio). Questi ossidi reagiscono con l’acqua per formare gli idrossidi, molto utilizzati a livello industriale per la produzione di svariati prodotti: saponi, detersivi, sali, esplosivi, fuochi d’artificio colorati.

Na2O + H2O  -> 2NaOH (idrossido di sodio o soda caustica)

K2O + H2O  -> 2KOH (idrossido di potassio o potassa caustica)

L’aggettivo “caustica” indica che si tratta di sostanze corrosive per la pelle perché ne degradano le proteine. Non si può tralasciare un accenno al principale composto del sodio: il cloruro di sodio (NaCl) o sale da tavola, importantissimo per l’alimentazione umana (insaporisce e conserva gli alimenti). Nel nostro organismo gli ioni Na+ e K+ sono essenziali per la trasmissione degli impulsi nervosi lungo l’assone dei neuroni. Infatti è proprio la rapida differenza di concentrazione di questi ioni tra l’interno e l’esterno della cellula nervosa a determinare una differenza di potenziale elettrico e di conseguenza la trasmissione dell’impulso. Una proteina della membrana cellulare che interviene attivamente nel trasporto di questi ioni, da una parte all’altra, si chiama pompa sodio-potassio. Il cloruro di sodio si ricava dalle miniere ma soprattutto dalle saline. In Italia le più estese sono quelle di Margherita di Savoia in Puglia.

Il sodio forma anche carbonati: Na2CO3 (carbonato di sodio), utilizzati per la preparazione di vetri, smalti e vernici. Il bicarbonato di sodio NaHCO3 (carbonato acido di sodio), in soluzione acquosa viene utilizzato per neutralizzare l’acidità di stomaco oppure per il lavaggio di verdure e ortaggi.

Questo bicarbonato viene anche utilizzato insieme ad altre sostanze nella preparazione delle polveri che consentono di preparare acque da tavola gassate.

Oggi una vasta fascia della popolazione deve limitare l’assunzione di sodio nella dieta perché questo elemento è responsabile, insieme ad altri fattori, dell’aumento della pressione arteriosa che provoca molti danni a carico del sistema cardiovascolare.




Acidi, basi e acqua

4 05 2010

acido-baseLa prima teoria completa sulla costituzione chimica degli acidi e delle basi è stata quella di Svante Arrhenius (1859-1927), premiato con il Nobel per la chimica nel 1903. Nella sua teoria mostrò che gli acidi sono composti chimici che in soluzione acquosa sono in grado di rilasciare un idrogenione H+. Viceversa le basi in soluzione acquosa erano capaci di rilasciare ioni ossidrile OH-. Ad esempio l’acido nitrico in soluzione acquosa si dissocia secondo la seguente equazione:

HNO  <  – >   H+ + NO3-

Invece una base, come l’idrossido di sodio, in soluzione acquosa si dissocia in:

NaOH  < — > Na+ + OH-.

Questa teoria manca di generalità perché non è valida per tutte le sostanze acide, perciò nel 1923 venne inglobata in quella di Johannes Brönsted (1879-1947) e Thomas Lowry (1874-1936). Secondo questi due scienziati, gli acidi sono sostanze che in soluzione acquosa cedono protoni, mentre le basi li ricevono. Acidi e basi quindi si presentano come coppie coniugate, la teoria ha una validità generale ed è applicabile anche a soluzioni non acquose. Una sostanza acida non può cedere un protone se non c’è contemporaneamente una sostanza basica in grado di accettarlo. In base a questa definizione però l’acqua ha un comportamento particolare, anzi un “doppio” comportamento: quale?

Consideriamo la dissociazione in acqua di acido cloridrico (HCl): HCl + H2O –> HO3+ + Cl- . In questo caso l’acqua si comporta da base perché dalla dissociazione dell’acido cloridrico riceve il protone e forma lo ione idronio HO3+.

Vediamo invece come si dissocia l’ammoniaca (NH3) in soluzione acquosa: NH3 + H2O –> NH4+ + OH- . In questo secondo esempio l’acqua non ha ricevuto alcun protone, anzi è stata lei a cederne uno all’ammoniaca che si  è trasformata in ione ammonio mentre l’acqua con un protone in meno è diventata ione ossidrile. Perciò con l’ammoniaca l’acqua si è comportata da acido. Ma allora l’acqua è un acido o una base? Per chiarire questo comportamento ambiguo, si dice che l’acqua è un elettrolita anfotero, cioè è un composto che si comporta da base in presenza di un acido (ad es. quello cloridrico) e da acido in presenza di una base (ad es. l’ammoniaca). Ma cos’è un elettrolita? Sono tutte quelle sostanze che sciogliendosi in acqua danno ioni. Il nome dipende dal fatto che queste soluzioni conducono l’elettricità.

Esistono centinaia di composti acidi e altrettanti che si comportano da basi, come riconoscere se appartengono all’uno o all’altro o se si tratta di un composto anfotero come l’acqua?

Consideriamo un composto X-O-H in cui X rappresenta un elemento chimico generico. Se X rappresenta un elemento degli ultimi gruppi del sistema periodico, ha un’alta elettronegatività [ricorda: l’elettronegatività è la tendenza che ha un elemento ad attirare su di sé gli elettroni di legame], perciò l’ossigeno riesce ad attirare verso di sé solo gli elettroni del legame O-H e in acqua il composto cederà un protone secondo la dissociazione:  X-O-H   < –>   X-O- + H+ . In questo caso il composto X-O-H  è un acido. Se X rappresenta invece un elemento dei primi gruppi del sistema periodico oppure un elemento di transizione, allora ha un basso valore di elettronegatività, perciò l’ossigeno attirerà facilmente su di sé gli elettroni del legame X-O e in acqua avremo: X-O-H   < –>  X+ + OH- . In questo secondo caso il composto X-O-H  è una base. Però c’è anche una terza possibilità: X è un elemento con elettronegatività media, in questo caso il composto è anfotero, cioè si comporta come l’acqua in cui X è proprio un atomo di idrogeno. Sono esempi di basi NaOH, Ca(OH)2, Fe(OH)3 e tutti gli altri idrossidi. Sono esempi di acidi HClO, HNO3, H2SO4 e tutti gli altri acidi ternari.

Da quanto detto appare chiaro che tutti gli acidi e le basi sono elettroliti perché in acqua formano ioni. Però possono essere acidi (o basi) forti o deboli: sono forti se si dissociano molto, deboli se si dissociano poco. Ad esempio è forte l’acido cloridrico mentre è debole l’acido acetico (CH3COOH), è forte l’idrossido di sodio, è debole l’ammoniaca. Le sostanze acide, (se commestibili, altrimenti non assaggiare!) si riconoscono anche per il gusto generalmente “aspro”, quelle basiche hanno un gusto “amaro”.