Acidi di Lewis e acidità delle soluzioni acquose

Sara ha scritto:

Salve. Vorrei chiarire un dubbio.

Io so che alcuni cationi come lo zinco o l’alluminio sono acidi di Lewis ed è per questo che se misuro il pH di una soluzione, per esempio di cloruro di alluminio, il pH è acido. Ma come faccio a sapere quali sono i cationi che sono acidi di Lewis? Perché, per esempio, lo ione magnesio pur essendo un catione non è un acido di Lewis? Inizialmente ero giunta alla conclusione che per essere acido di Lewis un catione doveva essere un metallo di transizione, ma poi ho capito che non è così: infatti lo ione alluminio è un acido di Lewis anche se non è un metallo di transizione. Lo ione argento e il ferro invece lo sono?

La ringrazio per la sua disponibilità.

 

Questa è la risposta:

La teoria di Lewis afferma quanto segue:

  • un acido è un accettore di una coppia di elettroni
  • una base è una sostanza che agisce da donatore di una coppia di elettroni e funge così da legante
  • la reazione fra un acido A e una base B genera un complesso:  A + B    AB

Applicando la definizione di Lewis, tutti i leganti sono delle basi e tutti gli ioni metallici sono degli acidi.

Il grado di affinità di uno ione metallico per un dato legante definisce la sua acidità di Lewis verso quel legante e la tendenza di un legante a legarsi ad uno ione metallico definisce la misura della sua basicità di Lewis.

L’acqua è soltanto uno dei possibili leganti; tramite l’atomo di ossigeno, le sue molecole possono infatti legarsi ai cationi metallici. Ciò che si forma quando uno ione metallico (acido di Lewis) in soluzione acquosa si lega ad alcune molecole (in genere 6) di acqua (base di Lewis) è quindi un complesso, a cui si dà il nome generico di aquaione; per esempio, lo ione Al3+ in acqua forma l’aquaione  [Al(H2O)6]3+(aq). Sono proprio gli aquaioni che possono fungere da acidi, ma da acidi di Brønsted; infatti, quando l’H2O si coordina al centro metallico viene ceduta densità elettronica da parte dell’ossigeno, lasciando gli atomi di idrogeno con una parziale carica positiva, maggiore di quella presente nelle molecole non interessate alla coordinazione.

L’acidità delle soluzioni contenenti gli aquaioni deriva quindi dalla polarizzazione dei legami O-H che determina il distacco di uno o più ioni idrogeno; per esempio, l’equazione di reazione relativa all’aquaione  [Al(H2O)6]3+(aq), e che ne illustra l’acidità secondo Brønsted, è

[Al(H2O)6]3+(aq) + H2O(l)  H3O+(aq) + [Al(H2O)5(OH)]2+(aq)

La polarizzazione del legame O-H è tanto più intensa quanto più gli ioni metallici sono piccoli e con carica elevata; per esempio, gli ioni Al3+, Fe3+ e Cr3+ hanno Ka più grandi di quelle di Ni2+, Fe2+ e Cu2+. I cationi dei metalli dei gruppi 1 e 2, così come quelli con carica +1 degli altri gruppi, sono invece troppo grandi e/o hanno carica troppo bassa per polarizzare apprezzabilmente le molecole di acqua dei rispettivi aquaioni, così che questi di fatto non si comportano da acidi. È questo il caso degli ioni Li+, Na+ e K+, Mg2+ e Ca2+, oppure dello ione Ag+.

I criteri generali per prevedere l’acidità in acqua dei cationi metallici sono proprio questi; le informazioni specifiche per ciascun elemento metallico si ricavano invece dai valori di Ka dei corrispondenti aquaioni.

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