Acidi deboli: equilibri, bilancio di carica e esempi
Le soluzioni contenenti una miscela di acidi deboli sono comunemente riscontrate in casi pratici legati alla chimica ambientale e fisiologica. In questo contesto, esploreremo il caso di una miscela di due acidi deboli per comprendere un metodo generale per il calcolo del pH di tale soluzione.
In una miscela di due acidi deboli, rappresentati rispettivamente da HX a concentrazione Cx con costante di equilibrio Kx e da HY a concentrazione Cy con costante di equilibrio Ky, gli equilibri presenti in soluzione sono:
HX ⇄ H⁺ + X⁻
HY ⇄ H⁺ + Y⁻
H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻
Le espressioni delle costanti di equilibrio per i suddetti equilibri sono indicate rispettivamente come:
Kx = [H⁺][X⁻]/[HX] (1)
Ky = [H⁺][Y⁻]/[HY] (2)
Inoltre, la costante di equilibrio Kₓ può essere rappresentata in base a Kw = [H⁺][OH⁻] come: H⁺ ≤ [X⁻] = Kx[HX]/[H⁺]. Queste informazioni sono fondamentali e forniscono una piattaforma su cui basare il bilancio di carica.
Applicando il bilancio di carica, si ottiene l’equazione [H⁺] = Kx[HX]/[H⁺] + Ky[HY]/[H⁺] + [OH⁻], da cui si ricava [H⁺]² = Kx[HX] + Ky[HY] + [OH⁻][H⁺]. Utilizzando l’espressione di Kw, si può riscrivere come [H⁺]² = Kx[HX] + Ky[HY] + Kw.
Per esemplificare, consideriamo una soluzione di acido acetico 0.10 M (Ka = 1.75 ∙ 10⁻⁵) e di fenolo 0.20 M (Ka = 1.00 ∙ 10⁻¹⁰). Applicando la formula, otteniamo un valore teorico di [H⁺] pari a 0.00132 M.
Un altro esempio coinvolge una soluzione di acido acetico 0.10 M (Ka = 1.75 ∙ 10⁻⁵) e di acido cloroacetico 0.001 M (Ka = 0.0014), con cui si arriva a un valore teorico di [H⁺] pari a 0.00177 M. Tuttavia, questo riscontro è incoerente, poiché la concentrazione idrogenionica sarebbe maggiore della concentrazione dell’acido più forte. Pertanto, la formula non è applicabile in casi in cui gli acidi hanno Ka elevato e bassa concentrazione.
In tali casi, è possibile applicare il bilancio di massa all’acido più forte, rappresentato da HX, ottenendo un’equazione per [X⁻], che a sua volta permette di calcolare la concentrazione idrogenionica utilizzabile in queste circostanze.
