5.6 : Effetto livellante e soluzioni acido-base non acquose

Questa lezione definisce l'effetto livellante nelle soluzioni acide e basiche e il suo ruolo nelle soluzioni acquose e non acquose. È essenziale comprendere la natura competitiva delle varie specie in un sistema chimico.

Effetto livellante di un solvente

Un acido generico (HA) reagisce con la base generica (B^-) per produrre la corrispondente base coniugata (A^-) e l'acido coniugato (HB):

Figura 1: una reazione acido-base genérica

Tuttavia, se la reazione avviene in un solvente (HX), anche il solvente può partecipare alla reazione, a seconda della forza del suo corrispondente acido o base coniugato. Ciò porta a due situazioni.

Per il primo tipo, si supponga che l'acido generico (HA) in una reazione sia un acido più debole del solvente (HX). In tal caso, B^- deprotonerà il solvente per produrre la base coniugata del solvente (X-), portando B- a essere completamente consumato e non disponibile ad interagire con il reagente (HA):

Figura 2: una reazione che illustra l'effetto livellante di un solvente su una base generica

Questo fenomeno è denominato effetto livellante della base da parte di un solvente.

In alternativa, supponiamo che la base generica (B-) in una reazione sia una base più debole del solvente (HX). In tal caso, l'HA protonerà il solvente per produrre la base coniugata del solvente (H2X), portando l'HA a essere completamente consumato e non disponibile ad interagire con il reagente (B-):

Figura 3: una reazione che illustra l'effetto livellante di un solvente su un acido generico

Questo fenomeno è denominato effetto livellante dell'acido da parte di un solvente.

Effetto livellante dell'acqua su una base forte

Per visualizzare l'effetto livellante del solvente su basi forti, si consideri una soluzione acquosa di acetilene che reagisce con l'ammide di sodio. In questo esempio, l'acetilene (pK_a=25) è un acido più debole del solvente, l'acqua (pK_a=15,7), come evidente dalla relazione inversa tra acidità e valore pK_a. Pertanto, come previsto nella Figura 4, lo ione ammide deprotona l'acqua al posto dell'acetilene, dimostrando l'effetto livellante dell'acqua sulle basi forti.

Figura 4: esempio dell'effetto livellante in una reazione tra acetilene, sodio ammide e acqua

Poiché in questa reazione gli ioni idrossido sono più stabili, l'equilibrio favorisce la formazione degli ioni idrossido che sostituiscono gli ioni ammide nella soluzione. Tuttavia, gli ioni idrossido non sono sufficientemente basici da deprotonare l'acetilene, lasciandolo intatto nel solvente. Pertanto, per deprotonare l'acetilene utilizzando l'ammide, la scelta del solvente gioca un ruolo chiave. È necessario utilizzare un solvente come l'ammoniaca con un pK_a pari a 38, maggiore del pK_a dell'acetilene (25). Ciò rende l'acetilene l'acido più forte per garantire che il solvente non venga deprotonato.

Effetto livellante dell'acqua su un acido forte

Allo stesso modo, per comprendere l'effetto livellante del solvente sugli acidi forti, si consideri una soluzione acquosa di acido perclorico che interagisce con la morfolina. In questo esempio, la morfolina (pK_a=8,36) è una base più debole del solvente che è l'acqua (pK_a=15,7), come evidente dalla relazione diretta tra basicità e valore pK_a. Pertanto, come previsto nella Figura 5, l'acido perclorico protona l'acqua al posto della morfolina, dimostrando l'effetto livellante dell'acqua sugli acidi forti.

Figura 5: esempio dell'effetto livellante in una reazione tra acido perclorico, morfolina e acqua

Poiché in questa reazione gli ioni idronio sono più stabili, l'equilibrio favorisce la formazione di ioni idronio che sostituiscono gli ioni perclorato della soluzione. Tuttavia, gli ioni idronio non sono abbastanza acidi da protonare la morfolina, lasciandola intatta nel solvente. Pertanto, per protonare la morfolina utilizzando acido perclorico, la scelta del solvente gioca un ruolo chiave. È necessario utilizzare un solvente come l'acido benzoico con un pK_a di 4,2, inferiore al pK_a della morfolina (8,36). Ciò rende la morfolina la base più forte per garantire che il solvente non venga protonato.

In sintesi, la scelta del solvente deve soddisfare condizioni chiave: non deve essere deprotonato dalla base più forte o protonato dall'acido più forte prima di interagire con l'altro reagente. Tipicamente, l'acqua è il solvente utilizzato nella maggior parte delle reazioni, esercitando un effetto livellante su acidi e basi forti. Pertanto, le reazioni che impiegano acidi più forti di H₃O⁺ e basi più forti di OH^- non possono essere utilizzate in acqua.