Come risolvere equilibri simultanei e bilanci di massa in chimica
Quando si ha a che fare con un equilibrio simultaneo, è necessario considerare diverse specie presenti in soluzione per calcolarne le concentrazioni. Per ottenere un sistema di equazioni valido, è essenziale formulare tante equazioni quante sono le specie coinvolte.
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Per affrontare questo tipo di equilibri, è fondamentale individuare tutte le possibili reazioni di equilibrio, inclusa l’importante autoionizzazione dell’acqua, e identificare le incognite che devono essere collegate attraverso equazioni adeguate. Alcune di queste equazioni coinvolgeranno i valori noti delle costanti di equilibrio, mentre altre andranno ricercate nei bilanci di carica e di massa.
Esercizi sul bilancio di massa
# Equilibrio dell’acido debole HF
Quando un acido debole come HF è presente in soluzione a una concentrazione di 0.10 M, si ha la seguente reazione di dissociazione in acqua:[ HF + H_{2}O rightleftharpoons F^{-} + H_{3}O^{+} ]
A equilibrio, si avrà in soluzione HF parzialmente dissociato in F^{-}, quindi il bilancio di massa risulta:
[ 0.10 = [HF] + [F^{-}] ]
# Soluzione di NaH2PO4 0.10 M
Il diidrogenofosfato di sodio si dissocia come segue:[ NaH_{2}PO_{4} rightarrow Na^{+} + H_{2}PO_{4}^{-} ]
Di conseguenza, se [Na^{+}] è 0.10 M, il bilancio di massa sarà legato a:
[ [H_{2}PO_{4}^{-}] + [HPO_{4}^{2-}] + [PO_{4}^{3-}] + [H_{3}PO_{4}] = 0.10 M ]
# Soluzione satura di MgCO3
Per un sale poco solubile come il carbonato di magnesio che si dissocia secondo l’equilibrio eterogeneo:[ MgCO_{3(s)} rightleftharpoons Mg^{2+}_{(aq)} + CO_{3}^{2-}_{(aq)} ]
Il carbonato derivante da questa dissociazione agisce come base di Brønsted e Lowry, così come l’idrogenocarbonato, portando al bilancio di massa:
[ [Mg^{2+}] = [CO_{3}^{2-}] + [HCO_{3}^{-}] + [H_{2}CO_{3}] ]
# Soluzione satura di AgBr con aggiunta di NH3
Infine, in una soluzione satura di AgBr a cui viene aggiunta una soluzione di NH3 0.10 M, si avrà un nuovo equilibrio da valutare. Attraverso esercizi come questi, è possibile comprendere meglio i concetti di equilibrio e bilancio di massa in chimica, aiutando a consolidare le basi della materia.L’equilibrio chimico del bromuro di argento, un sale poco solubile, si verifica secondo l’equazione AgBr(s) ⇄ Ag+(aq) + Br –(aq). Questo sale può dar luogo a diversi equilibri con l’aggiunta di ammoniaca e acqua.
Equilibri con l’ammoniaca
L’ione Ag+ può formare complessi con l’ammoniaca seguendo due equilibri: Ag+ + NH3 ⇄ Ag(NH3)+ e Ag(NH3)+ + NH3 ⇄ Ag(NH3)2+ . L’ammoniaca agisce come base di Brønsted e Lowry, generando l’equilibrio NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH–. Autoionizzazione dell’acqua
Inoltre, in soluzione è presente l’equilibrio dovuto all’autoionizzazione dell’acqua: 2 H2O ⇄ H3O+ + OH–. Bilanci di massa
La concentrazione di ione bromuro è determinata dalla dissociazione del bromuro di argento. Il bilancio di massa risultante è: [Br–] = [Ag+] + [Ag(NH3)+] + [Ag(NH3)2+]. L’ammoniaca può reagire con l’acqua e formare l’ione ammonio, partecipare agli equilibri di complessazione o rimanere inalterata. Il bilancio di massa associato è: 0.010 = [NH3] + [NH4+][Ag(NH3)+] + 2 [Ag(NH3)2+].
Infine, l’equilibrio dei processi indica che l’ione OH– si forma per ogni ione NH4+ e per ogni ione H3O+. Il bilancio di massa conseguente è: [OH–] = [NH4+] + [H3O+].
Questi equilibri e bilanci di massa sono cruciali per comprendere la complessa chimica che si verifica in soluzione in presenza di bromuro di argento e ammoniaca.
