Bilancio protonico: cos’è e come si calcola
Il bilancio protonico, noto anche come condizione del protone, è un concetto che esprime l’uguaglianza tra la concentrazione di ioni idrogeno ceduta dalle specie acide e quella acquistata dalle specie basiche in una soluzione.
Per trattare in modo rigoroso gli equilibri acido-base, è necessario considerare tutte le reazioni protolitiche che hanno luogo tra il solvente e gli acidi e le basi presenti in soluzione.
Ad esempio, prendendo in esame l’equilibrio di dissociazione dell’acqua: H2O ⇄ H+ + OH-, si può osservare che [H+] = [OH-].
Nel caso di un acido forte monoprotico, il bilancio protonico diventa: [H+] = [OH-] + a, dove ‘a’ rappresenta la concentrazione molare dell’acido.
Se nella soluzione è presente sia un acido forte monoprotico che una base forte con concentrazione molare pari a ‘b’, il bilancio protonico diventa: [H+] = [OH-] + a – b.
Quando l’acido o la base forte hanno la capacità di scambiare più di un protone per molecola, le concentrazioni ‘a’ e ‘b’ vanno moltiplicate per il rispettivo numero di protoni.
Il bilancio protonico per una soluzione contenente un acido debole monoprotico HB si ottiene prendendo in considerazione gli equilibri: H2O ⇄ H+ + OH- e HB ⇄ H+ + B, ed è dato da: [H+] = [OH-] +[B].
Se a questa soluzione si aggiunge una base forte, il bilancio protonico diviene: [H+] = [OH-] +[B] + a – b.
Se una soluzione contiene anche la base debole G oltre ad HB, all’acido forte e alla base forte, è necessario tenere conto anche dell’equilibrio: G + H+ ⇄ HG. In questo caso il bilancio protonico è: [H+] = [OH-] +[B] – [HG] + a – b.
Esempio
Per determinare il bilancio protonico di NaNH4HPO4, sono coinvolti i seguenti equilibri protolitici:
H2O ⇄ H+ + OH- con K = 1.00 ∙ 10^-14,
NH4+ ⇄ NH3 + H+ con K = 5.8 ∙ 10^-10,
HPO4^2- ⇄ H+ + PO4^3- con K = 4.8 ∙ 10^-13,
HPO4^2- + H+ ⇄ H2PO4^- con 1/K2 = 1.6 ∙ 10^7,
HPO4^2- + 2 H+ ⇄ H3PO4 con 1/K1K2 = 2.8 ∙ 10^9.
Il bilancio protonico è quindi: [H+] = [OH-] + [NH3] + [PO4^3-] – [HPO4^-] – 2 [H3PO4], dove il coefficiente 2 davanti a [H3PO4] tiene conto del fatto che per trasformare l’ione HPO4^2- in una molecola di acido fosforico sono necessari due protoni.
