Come identificare acidi e basi e misurarne il pH

Acidi e basi sono due classi di sostanze corrosive che si incontrano di frequente nella vita di tutti i giorni. In questo articolo vedremo come stabilire se una determinata sostanza è un acido o una base, sia dal punto di vista semplicemente qualitativo sia da quello quantitativo, misurando il grado di acidità o basicità espresso dal pH. Le strisce e le cartine per la misurazione pH forniscono una maggiore precisione rispetto agli indicatori liquidi, ma sono a loro volta inferiori ai pH-metri. Illustreremo questi metodi per un uso casalingo o in un laboratorio fai-da-te, mostrandone i rispettivi vantaggi e svantaggi.

Un acido è una sostanza che dona un protone. Gli acidi, infatti, sono composti ionici che si rompono in acqua per formare uno ione idrogeno (H+). Una base è invece qualsiasi sostanza che accetta un protone, o ione idrogeno. Le basi, infatti, sono composti ionici che in acqua si separano per formare uno ione idrossido di carica negativa (OH). La cosiddetta “forza” di un acido o base è determinata sulla base di quanti dei loro rispettivi ioni rilasciano: in pratica, più ioni rilasciano e più forti sono.

Gli esperimenti con acidi e basi possono essere eseguiti in modo relativamente semplice con una varietà di sostanze comuni. Infatti, molti oggetti di uso quotidiano nelle nostre famiglie sono acidi o basi. Un esperimento di base consiste dunque nel testare una varietà di articoli casalinghi per vedere se sono acidi o basi. È sufficiente porre le soluzioni di prodotti per la casa da testare in un piatto.  Alcune soluzioni che potresti voler esaminare sono pertanto le seguenti:

  • Aceto
  • Succo di limone
  • Acqua-seltzer
  • Bicarbonato di sodio
  • Detergente
  • Pulitore con ammoniaca
  • Soda per lavare
  • Sangue
  • Acqua del rubinetto
  • Bibite varie

Successivamente, dovrai aggiungere un indicatore di acidità o basicità (ovvero del “pH”). Questo può essere acquistato su Internet (ad esempio qui) o in farmacia. Puoi anche creare un indicatore di pH naturale a casa facendo bollire a fuoco lento del cavolo rosso per 30 minuti e poi versando il succo filtrato in un contenitore. Aggiungendo poi un acido – come ad esempio l’aceto – il succo di colore viola si trasformerà in un bel rosso. L’aggiunta di una base, come ad es. l’ammoniaca, renderà invece la miscela in questione blu.

Versando un acido o una base sul succo di cavolo rosso questo assume colori diversi.

Puoi anche creare delle semplici cartine indicatrici prendendo dei piccoli rettangoli di carta, immergendoli nel succo di cavolo e mettendoli da parte affinché si asciughino seccandosi. Mentre aspetti che si asciughino, prendi un piatto bianco e metti qualche goccia di succo di cavolo in più punti. Prendi qualsiasi acido – puoi usato succo di limone o aceto – e una base (la più pratica è il bicarbonato di sodio), aggiungi una piccola quantità a ciascuna goccia di indicatore nel piatto e osserva i risultati.

Gli acidi trasformeranno immediatamente il succo di cavolo in un colore rosa-porpora, mentre la base renderà il succo verdastro-blu. Sembra magia, ma ovviamente è una semplice reazione chimica. Dunque, è evidente che alcune sostanze sono più acide di altre, ed è l’acido che dà al succo di agrumi e all’aceto la loro qualità “piccante”. Naturalmente, la variazione di colore è tanto maggiore quanto più grande è la “forza” dell’acido o della base testati, ovvero quanto più una sostanza è acida o basica.

Per trasformazioni ancora più sorprendenti, versa un paio di centimetri di succo di cavolo in due bicchieri trasparenti, quindi aggiungi acqua fino a riempirli per circa 2/3 (se non è abbastanza diluito, non vedrai molti cambiamenti di colore). Aggiungi poi un acido a un bicchiere e una base all’altro (ad esempio, succo di limone e bicarbonato, rispettivamente). Uno spettatore sarà stupito da quello che succede, ma in base a quanto abbiamo fin qui illustrato puoi immaginare cosa dovrebbe accadere.

Uno spettacolare esperimento di identificazione di acido e base con il succo di cavolo.

Un altro modo per testare una sostanza – ad esempio delle caramelle – per vedere se è acida – comporta lo scioglimento della sostanza stessa (in questo caso le caramelle) in acqua e l’aggiunta di bicarbonato di sodio. Se si producono delle bolle, allora vuol dire che le caramelle sono acide. Un esperimento simile si può eseguire con altre sostanze. Il vantaggio di questo semplice test qualitativo è che il bicarbonato di sodio è di facile reperibilità presso molti grandi supermercati ben forniti.

Un ultimo modo per testare una soluzione è quello di vedere cosa accadrebbe alle monete di rame ossidate se poste in vari liquidi. Basta prendere qualche tazza, mettere un centimetro o due di liquido sul fondo e aggiungere un paio di monete di rame a ciascuna tazza. Gli acidi sciolgono l’ossido di rame sulla superficie delle monete, lasciando loro il lucido originale. Ad esempio, con un pH di circa 3,5, la cola risulta acida come l’acido cloridrato diluito, che probabilmente esiteresti a bere.

L’effetto, chiaramente visibile sulle monete di rame ossidate, di (da sinistra a destra) cola, succo di limone, salsa al peperoncino e salsa di soia.

I vari metodi per la misurazione del pH

Il metodo più comune per avere un’idea del pH di una soluzione è utilizzare un indicatore acido-base. Un indicatore è una grande molecola organica che funziona in qualche modo come una “tintura colorata”. Mentre la maggior parte dei coloranti non cambia colore con la quantità di acido o base presente, ci sono molte molecole che reagiscono a una variazione della concentrazione di ioni idrogeno. L’indicatore più comune si trova sulla cartina “tornasole”: è rosso sotto pH 4,5 e blu sopra pH 8,2.

Gli indicatori di pH sono anche comunemente usati per eseguire controlli rapidi sul pH dei campioni di acqua (acquari, piscine, acqua potabile). Questo metodo di misurazione del pH è infatti rapido, economico e facile. Ci sono degli svantaggi nell’utilizzare gli indicatori di pH. Il campione di prova dovrebbe essere abbastanza incolore per vedere chiaramente il cambiamento di colore dell’indicatore. Inoltre, gli indicatori misurano intrinsecamente il pH con una bassa precisione.

Ci sono molti vantaggi nell’utilizzare strisce e cartine (come quelli che puoi trovare qui) per la misurazione del pH. Come le soluzioni di indicatori (o indicatori liquidi) di cui parleremo più avanti, sono veloci e facili da usare e, rispetto ai pH-metri, sono molto meno costose. Cartine o strisce di test del pH più precise possono dare risultati accurati fino a 0,2 unità di pH. È disponibile una vasta gamma di carte e strisce per test pH, da un’ampia gamma di pH e bassa sensibilità a un intervallo di pH ristretto ma con alta sensibilità.

Gli indicatori di pH del mio laboratorio di chimica (fonte: Sbalordiscienza)

Un semplice esperimento per bambini delle scuole medie e superiori potrebbe dunque includere un misurazione del grado di acidità o basicità di una determinata soluzione (cioè del “pH”, vale a dire della concentrazione di ioni idrogeno presenti in una soluzione) con la cartina al tornasole, che si trova anche nei kit di chimica. Una striscia di cartina al tornasole rossa diventa blu quando viene applicata una base e una striscia al tornasole blu diventa rossa quando viene applicato un acido.

Altre cartine commerciali per la misurazione del pH sono in grado di fornire colori diversi per ogni unità di pH principale, o anche una gamma completa di colori per la scala del pH. Una varietà di indicatori, infatti, cambiano colore a vari livelli di pH. Un indicatore acido-base opportunamente selezionato può essere utilizzato per “indicare visivamente” il pH approssimativo di un campione. Un indicatore è di solito un acido organico debole o un colorante di base che cambia i colori a valori di pH definiti.

Dunque, grazie a una scala di riferimento colorata è possibile stimare il valore del pH, che è una scala logaritmica (in base 10) introdotta nel 1909 dal chimico danese Sorensen. Convenzionalmente, il pH di soluzioni acquose assume valori compresi fra 0 (massima acidità) e 14 (massima basicità). Valori inferiori a 0 e maggiori di 14 sono possibili, naturalmente, ma sono indicativi, rispettivamente, di soluzioni fortemente acide o basiche e comportano, comunque, deviazioni significative dall’idealità.

La famosa scala logaritmica del pH, che va da 1 a 14.

Al valore intermedio di 7 corrisponde la condizione di neutralità, tipica dell’acqua pura a 25 °C. Comunque, in soluzioni non acquose, il pH può assumere valori anche molto al di fuori del range 0-14. Oltre alle comuni sostanze domestiche elencate in precedenza, è interessante misurare il pH di compresse antiacido, succo di sottaceto, idraulico liquido, etc. Una volta che le sostanze conosciute sono state testate e identificate come acidi o basi, si possono testare sostanze sconosciute e fare previsioni a riguardo.

Oltre che con gli indicatori universali su strisce di carta, le quali cambiano colore quando vengono immerse in sostanze acide o basiche, il pH può essere misurato per via elettrica, sfruttando il potenziale creato dalla differenza di concentrazione di ioni idrogeno su due elettrodi di un pH-metro, o per via chimica, sfruttando la capacità di alcune sostanze indicatrici usate in soluzione – come per esempio la fenolftaleina – di modificare il loro colore in funzione del pH dell’ambiente in cui si trovano.

I misuratori di pH misurano il pH di una soluzione misurando la differenza di potenziale elettrico tra l’elettrodo del pH e un elettrodo di riferimento. Il misuratore copre quindi questo potenziale con una lettura del pH. Offrono letture del pH di 0,01 unità e sono utili per lavori scientifici avanzati, universitari o di ricerca che richiedono un elevato livello di precisione. I pH-metri portatili sono ideali per il lavoro sul campo o per i controlli rapidi del pH in laboratorio e sono relativamente economici.

Un buon pH-metro da laboratorio in vendita su Internet. Puoi trovare dei misuratori digitali di pH low-cost da usare per i tuoi esperimenti qui.

I pH-metri da banco sono in genere più precisi e offrono più opzioni di test. I pH-metri richiedono una calibrazione e una manutenzione maggiore rispetto ad altre apparecchiature per il test del pH. È imperativo che gli elettrodi del misuratore vengano mantenuti puliti, sottoposti a manutenzione o sostituiti secondo le istruzioni del produttore. Ci sono alcuni vantaggi nell’usare un pH-metro. Sono pratici e molti misurano anche i solidi disciolti, la conducibilità elettrica e la temperatura. Puoi trovarne diversi modelli interessanti qui.

Come misurare il pH con la fenolftaleina

La fenolftaleina è un “indicatore di pH”, il che significa che mette alla prova la presenza quantitativa di ioni di idrogeno positivi in ​​una soluzione, o quanto una soluzione è acida / basica. La scala del pH, come detto, va da 1 a 14, con 7.0 che è neutro (né acido né basico). Come la scala Richter del terremoto, la scala del pH è logaritmica, il che significa che una lettura del pH di 10,0 sarebbe cento volte più basica di una lettura di 9,0 e mille volte più basica di una lettura del pH di 8,0 e così via.

Esistono molte sostanze diverse che fungono da indicatori di pH. Per il sapone, ad esempio, la fenolftaleina – che può essere acquistata in un flacone direttamente su Internet – è utile perché la sua gamma di variazioni cromatiche misurabili dovute al livello di pH è compresa tra 8,2 e 10, che include benissimo il pH naturale del sapone, che va da circa 9,4 a 10,0. Il pH naturale del sapone dipende in parte dall’olio su cui si basa il sapone e in realtà può variare di circa mezzo punto di pH.

La fenolftaleina è un indicatore di leggera acidità o quasi neutralità (incolore) e basicità (da rosa a fucsia). Quando è rossa, indica una soluzione fortemente acida (pH < 0). Il colore rosa della fenolftaleina subisce una reazione di sbiadimento piuttosto lenta e diventa completamente incolore per pH sopra a 13,0. La fenolftaleina misura un intervallo di pH da 8,2 a 10,0, da incolore a rosa. Come qualsiasi indicatore, non è utile al di fuori del suo intervallo di pH perché in tal caso non cambia colore.

La fenolftaleina e il suo comportamento come indicatore di pH.

Altri indicatori chimici acido-base sono il blu di bromolo (intervallo da 6,0 a 7,6, da giallo a blu) e la già citata cartina di tornasole (intervallo da 4,5 a 8,3 da rosso a blu). Gli indicatori universali sono miscele di diversi indicatori di pH che estendono l’intervallo di pH su cui operano. L’indicatore universale di Bogen, ad esempio, è una miscela di rosso metile, blu di bromentolo e fenolftaleina e indica un ampio intervallo di pH compreso tra 4,0 e 10,0 in gradini di colore discreti.

Come si usa correttamente la fenolftaleina per testare, ad esempio, un sapone da noi realizzato? Tieni presente che la fenolftaleina misura il pH visualizzando un colore in soluzione e che la fenolftaleina è solubile in alcool, ma non solubile in acqua. Il modo corretto per usare la fenolftaleina è quello di sciogliere un po’ di sapone liquido o solido in un miscuglio di distillato composto all’incirca 50:50 da acqua e alcool (alcool etilico o isopropilico vanno bene) in un bicchiere trasparente.

Quando la soluzione ottenuta è chiara, aggiungete una goccia o due di soluzione di fenolftaleina (si dovrebbe acquistare fenolftaleina all’1% in soluzione 50:50 in peso di acqua e alcool o un flacone con una dicitura simile sull’etichetta) e mescolate. Quindi guardate il bicchiere ben illuminato di fronte a uno sfondo bianco. In questo modo, si può vedere il minimo tocco di colore rosa (che va bene) e tutte le sue graduazioni fino ad un rosso intenso (che decisamente non va bene).

L’aggiunta di fenolftaleina a una soluzione e il suo rapido colorarsi. (fonte: Sbalordiscienza)

È interessante notare che il valore misurato di una base forte in soluzione (come ad es. l’idrossido di sodio) non è, in termini pratici, influenzato dai cambiamenti nella concentrazione di una soluzione. Ciò significa che il pH misurato di una soluzione di sapone non varia in modo misurabile se viene aggiunta dell’acqua extra. Non bevete liquido contenente fenolftaleina, poiché è stato dimostrato che essa aumenta l’incidenza del cancro nei ratti di laboratorio e viene assorbita anche attraverso la pelle.

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