Relazione fra elettronegatività e pH per l’acqua

Nel capitolo precedente, nell’acqua in presenza di soluti abbiamo identificato 3 zone:

ZONA A)              Acqua polarizzata perché in contatto diretto col soluto

ZONA B)              Acqua con proprietà intermedie fra quella della zona A) polarizzata e quella

della zona C) non perturbata dal soluto

ZONA C)              Acqua non perturbata dal soluto.

Cominciamo con l’approfondimento delle caratteristiche dell’acqua appartenente alla zona A).

La prima osservazione da fare è che la molecola d’acqua imperturbata ha polarità negativa pari a -0,40 sul lato dell’ossigeno e polarità positiva pari a 0,20 + 0,20 = +0,40 sul lato dei due atomi di idrogeno(1). Questo significa che le interazioni avvengono sia con gli ioni positivi (legami a ossigeno), sia con quelli negativi (legami a idrogeno).

Osserviamo anche che tutti i soluti saranno sempre solo parzialmente schermati dalle molecole d’acqua perchè non avranno mai elettronegatività esattamente pari a ±0,40. Fanno eccezione le sostanze apolari come ad esempio gli olii e i grassi che non mostrano alcuna interazione con le molecole d’acqua e per questa ragione vengono definite sostanze idrofobe. In questo caso si assiste a fenomeni di precipitazione o di “segregazione” dove cioè, molecole d’acqua “circondano” le molecole della sostanza idrofoba.  

Se dovessi analizzare l’interazione fra l’acqua e i soluti solo dal punto di vista elettronico, le tre categorie di sostanze che abbiamo descritto – polari positive, polari negative e apolari – sarebbero sufficienti a descrivere tutte le casistiche e non avrei nient’altro da aggiungere; in realtà occorre analizzare le cose anche dal punto di vista protonico, dato che l’atomo di idrogeno privato del suo elettrone H+, altro non è che un protone.

Anche in questo caso, per gli stessi motivi addotti nel caso elettronico, l’approccio lagrangiano ci consente di semplificare di molto l’analisi di fenomeni che – è meglio non dimenticarlo mai – sono di natura quantistica.

Lo ione idrogeno (cioè il protone) è molto piccolo e può essere solvatato al massimo da due molecole di acqua (H5O2+). Se una terza molecola d’acqua tentasse di avvicinarsi alla zona A) di solvatazione, le due molecole d’acqua già presenti si avvicinerebbero talmente tanto che le rispettive “nuvole elettroniche” degli atomi di ossigeno appartenenti a queste molecole si respingerebbero fra loro perché l’effetto elettrostatico comincerebbe a farsi sentire in modo rilevante(2).    

Proviamo a calcolare i valori di q e di EN come ormai abbiamo imparato a fare negli articoli precedenti e facendo uso della solita tabella di Henry.

La differenza fra q(H) e q(O) è talmente piccola da rendere altamente improbabile la presenza di protoni liberi, a meno che non siano particolarmente numerosi. Una diluizione molto spinta porta ad una naturale dissociazione delle molecole d’acqua tale da garantire una concentrazione costante di protoni(3).

Come abbiamo visto negli articoli precedenti, nel caso dell’acqua pura il valore di EN è pari a 2,49(4) quindi, in virtù della natura quantistica del protone, si può affermare che, in base alla concentrazione protonica nell’acqua, il valore di EN varia fra 2,73 e 2,49.  Questo fatto ci consente di trovare un’importantissima correlazione fra l’elettronegatività e il pH(5).

La formula chimica che definisce il potenziale chimico degli elettroni – e dunque anche dei protoni – è la seguente:

Essendo:

  • μ        il potenziale chimico elettronico (=protonico) in acqua avente concentrazione di ioni idrogeno pari a cH
  • cH       la concentrazione di protoni (o di ioni idrogeno che è la medesima cosa)
  • μH0    il potenziale chimico elettronico (=protonico) in acqua pura
  • R        la costante dei gas perfetti pari a 8,314 J/mol K
  • T        la temperatura assoluta misurata in K
  • Ln. il logaritmo naturale

Tenendo conto del fatto che pH = -log(cH) e che Ln(x) = 2,3·Log(x) (6) la relazione precedente può essere scritta così:

Tenendo conto del fatto che il potenziale elettrochimico è proporzionale all’elettronegatività e chiamando k il coefficiente di proporzionalità possiamo scrivere:

Dunque possiamo scrivere:

Per determinare il valore di k basta considerare che a 25°C (= 298,15 K) con pH = 7 abbiamo EN(H2O) = 2,491 e dunque:

Così otteniamo finalmente la relazione fra elettronegatività dell’acqua e il suo pH:

Questa è una relazione fondamentale che discende direttamente dal fatto che i protoni – come gli elettroni – sono particelle indistinguibili fra loro e non localizzabili con precisione; ciò ha conseguenze importantissime per la materia inanimata ma, soprattutto, per quella animata; più in là nel nostro percorso di approfondimento di questo elemento così affascinante come è l’acqua avremo modo di approfondire le conseguenze di questa relazione.

Torino 29 febbraio 2020

Gianfranco Pellegrini

Note

(1) Si faccia riferimento all’articolo precedente “La chimica semplice applicata all’acqua”.

(2) In realtà in zona B) esiste uno strato di molecole H9O4+,  ma queste si trovano ad una distanza tale da rendere irrilevante l’effetto elettrostatico fra gli atomi di ossigeno.

(3) Ad esempio, a 25°C la concentrazione minima in protoni non può essere minore di 10-7 moli/litro;  

(4) Si faccia riferimento all’articolo precedente “Potere solvatante dell’acqua”.

(5) pH = -log(cH) è proprio la concentrazione di protoni di cui stimo discutendo. Il pH varia fra i valori 0 (massima acidità) e 14 (massima basicità). In riferimento alla nota 2) precedente, la concentrazione minima corrisponde ad un pH = -log(10-7) = -(-7)log(10) = 7 che corrisponde ad un pH neutro. 

(6) “Ln” è il logaritmo naturale, cioè in base 2,718, mentre “Log” è il logaritmo in base 10.

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