Solventi non acquosi e ammoniaca liquida

Siamo abituati a pensare alle reazioni chimiche come a qualcosa che avviene in acqua. Ma l’acqua è solo uno dei tanti possibili solventi, e per certe reazioni non è affatto il migliore. I solventi non acquosi — primo fra tutti l’ammoniaca liquida — aprono una chimica diversa, in cui si possono fare cose impossibili in acqua, come sciogliere un metallo per ottenere una soluzione blu di elettroni liberi.

Vediamo il concetto di sistema solvente, come funziona l’ammoniaca liquida e perché i solventi non acquosi sono tanto importanti.

L’acqua non è l’unico solvente

Molti solventi diversi dall’acqua sono capaci di sciogliere sostanze e di ospitare reazioni: ammoniaca liquida, acido solforico, fluoruro di idrogeno, e molti solventi organici. Ciascuno ha le sue regole, e alcune reazioni che in acqua non sono possibili diventano fattibili in un altro solvente. Capire la chimica dei solventi non acquosi significa liberarsi dall’idea che l’acqua sia il riferimento assoluto.

Ogni solvente si distingue per alcune proprietà chiave: la capacità di stabilizzare ioni (legata alla sua costante dielettrica), l’intervallo di temperature in cui resta liquido, la sua eventuale tendenza a comportarsi da acido o da base, e la finestra di potenziali in cui non si decompone. È la combinazione di queste caratteristiche a decidere quali sostanze un solvente può sciogliere e quali reazioni può ospitare, e quindi a renderlo adatto o inadatto a un determinato scopo.

Il concetto di sistema solvente

Molti solventi, come l’acqua, vanno incontro a una autoionizzazione: una piccola frazione delle loro molecole si scinde dando una specie con carica positiva e una con carica negativa. Nel sistema solvente, si chiama acido la specie che aumenta la concentrazione del catione caratteristico del solvente, e base quella che aumenta la concentrazione dell’anione. È una generalizzazione del concetto di acido e base che funziona in qualsiasi solvente che si autoionizza, non solo in acqua.

L’ammoniaca liquida: il solvente non acquoso per eccellenza

L’ammoniaca diventa liquida a temperature basse e si comporta da ottimo solvente, simile all’acqua per molti versi. Anch’essa si autoionizza: due molecole di ammoniaca danno uno ione ammonio (carico positivamente) e uno ione ammide (carico negativamente). Nel sistema solvente dell’ammoniaca, quindi, gli acidi sono le specie che forniscono ioni ammonio e le basi quelle che forniscono ioni ammide, in perfetta analogia con idronio e idrossido in acqua.

2 NH₃  ⇌  NH₄⁺  +  NH₂⁻

Le soluzioni blu di metallo

La proprietà più spettacolare dell’ammoniaca liquida è la capacità di sciogliere i metalli alcalini. Quando il sodio o il potassio si sciolgono in ammoniaca, si separano in ioni positivi e elettroni liberi, che restano circondati e stabilizzati dalle molecole di solvente: sono i cosiddetti elettroni solvatati. Questi elettroni liberi danno alla soluzione un intenso colore blu e la rendono un potentissimo agente riducente, impossibile da ottenere in acqua (dove gli stessi metalli reagirebbero violentemente).

L’effetto livellante e il suo superamento

In acqua nessun acido può essere più forte dello ione idronio, né alcuna base più forte dell’idrossido: l’acqua “livella” verso il basso la forza delle specie troppo aggressive. È il cosiddetto effetto livellante. Cambiando solvente si cambia questo limite: in ammoniaca liquida si possono avere basi più forti di quanto l’acqua permetta, perché l’ammide è una base più forte dell’idrossido. Questo consente di realizzare reazioni che in acqua non sarebbero possibili.

Perché contano i solventi non acquosi

I solventi non acquosi permettono di preparare composti instabili in acqua, di realizzare riduzioni o ossidazioni estreme, di studiare specie reattive che l’acqua distruggerebbe. Sono indispensabili nella chimica di sintesi avanzata e nella chimica degli elementi più reattivi. Conoscerli amplia enormemente la cassetta degli attrezzi del chimico, mostrando che le regole imparate in acqua sono un caso particolare di un quadro molto più ampio.

Altri solventi che si autoionizzano

L’ammoniaca liquida non è l’unico solvente con un proprio sistema acido-base. Ogni solvente che si autoionizza definisce le proprie specie “acide” e “basiche”, come riassume la tabella. In ciascuno valgono regole analoghe a quelle dell’acqua, ma con limiti diversi di forza acida e basica, e quindi con la possibilità di reazioni differenti.

Questa varietà mostra che il concetto di acido e base non è legato all’acqua, ma è una proprietà generale dei solventi che si autoionizzano: cambiando il solvente, cambia il riferimento, ma lo schema concettuale resta lo stesso.

Domande frequenti

Che cos’è un solvente non acquoso?

È un solvente diverso dall’acqua capace di sciogliere sostanze e ospitare reazioni, come l’ammoniaca liquida, l’acido solforico o il fluoruro di idrogeno. Ciascuno ha regole proprie e consente reazioni che in acqua non sarebbero possibili.

Che cos’è il concetto di sistema solvente?

È una generalizzazione di acido e base valida per i solventi che si autoionizzano: si chiama acido la specie che aumenta la concentrazione del catione caratteristico del solvente e base quella che aumenta la concentrazione dell’anione. Funziona in qualsiasi solvente, non solo in acqua.

Come si autoionizza l’ammoniaca liquida?

Due molecole di ammoniaca si scindono dando uno ione ammonio, carico positivamente, e uno ione ammide, carico negativamente. Gli acidi del sistema sono allora le specie che forniscono ione ammonio, le basi quelle che forniscono ione ammide, in analogia con idronio e idrossido in acqua.

Perché le soluzioni di metallo in ammoniaca sono blu?

Perché i metalli alcalini sciolti in ammoniaca liquida si separano in ioni positivi ed elettroni liberi, stabilizzati dal solvente (elettroni solvatati). Questi elettroni liberi danno alla soluzione un intenso colore blu e la rendono un fortissimo agente riducente.

Che cos’è l’effetto livellante?

È il fatto che un solvente limita la forza degli acidi e delle basi: in acqua nessun acido supera lo ione idronio e nessuna base supera l’idrossido. Cambiando solvente cambia questo limite, e in ammoniaca liquida si possono avere basi più forti di quanto l’acqua consenta.