Equilibri di acidi e basi: esercizi risolti e commentati
Gli equilibri di acidi e basi in soluzione acquosa presentano una grande varietà di esercizi che spaziano in diversi contesti. Si può richiedere la determinazione del pH di un acido debole, della base debole e la concentrazione delle specie presenti in soluzione.
Al fine di visualizzare un equilibrio, è consigliato costruire una I.C.E. chart (acronimo di Initial Change Equilibrium) in cui è indicata la condizione iniziale, la variazione delle concentrazioni e la concentrazione finale.
Esercizio 1: Calcolo di K$_{a}$
Dato il pH di una soluzione 0.150 M di acido butanoico pari a 2.82, si richiede di calcolare la costante di dissociazione acida K$_{a}$.
L’equilibrio di dissociazione dell’acido butanoico è il seguente:
CH$_{3}$(CH$_{2}$)$_{2}$COOH ⇄ CH$_{3}$(CH$_{2}$)$_{2}$COO$^{-}$ + H$^{+}$
La costante di equilibrio K$_{a}$ è definita come:
K$_{a}$ = [CH$_{3}$(CH$_{2}$)$_{2}$COO$^{-}$][H$^{+}$]/ [CH$_{3}$(CH$_{2}$)$_{2}$COOH]
Dai dati forniti possiamo procedere con la costruzione della I.C.E. chart e poi calcolare il valore di K$_{a}$: l’equazione è risolta in dettaglio nel testo originale.
Esercizio 2: Calcolo della concentrazione
Si richiede di calcolare la concentrazione di metilammina necessaria affinché il pH della soluzione sia pari a 11.9, considerando che K$_{b}$ = 4.4 ∙ 10$^{-4}$.
L’equilibrio di dissociazione della metilammina è il seguente:
CH$_{3}$NH$_{2}$ + H$_{2}$O ⇄ CH$_{3}$NH$_{3}$$^{+}$ + OH$^{-}$
Dopo aver calcolato il valore di pOH, possiamo procedere con la costruzione della I.C.E. chart e calcolare la concentrazione di metilammina necessaria: i dettagli dell’equazione possono essere consultati nel testo originale.
In seguito alla risoluzione dei due esercizi proposti, è possibile approfondire le strategie e i calcoli relativi agli equilibri di acidi e basi. Con questo approccio, gli studenti avranno la possibilità di comprendere a fondo argomenti chimici complessi.Calcolo del Ka
Nel caso di una soluzione 0.100 M dell’acido HA, che si dissocia allo 0.150%, è possibile calcolare la Ka e il pH della soluzione.
Per trovare la quantità di HA dissociata, calcoliamo lo 0.150% di 0.100: 0.100 x 0.150/100 = 0.00015.
Successivamente, costruiamo una I.C.E. chart per rappresentare lo stato iniziale, le variazioni e lo stato all’equilibrio. Poiché x = 0.00015, otteniamo che alla condizione di equilibrio la concentrazione dello ione H+ è pari a 0.00015 M e il pH è – log 0.00015 = 3.82. Inoltre, il valore della costante di equilibrio Ka vale 2.25 ∙ 10-7.
Calcolo del pH di una soluzione di H2S
Per calcolare il pH e la concentrazione delle specie presenti in una soluzione di H2S a una concentrazione di 0.10 M, consideriamo che Ka1= 1.1 ∙ 10-7 e Ka2 = 1 ∙ 10-14.
Dopo aver costruito una I.C.E. chart per rappresentare lo stato iniziale, le variazioni e lo stato all’equilibrio e aver risolto l’espressione della costante di equilibrio, otteniamo che [HS–] = [H+] = 1.0 ∙ 10-4 M e [H2S] = 0.10 M. Il pH risulta essere 4.0.
Concentrazione delle altre specie
Per calcolare la concentrazione delle altre specie, consideriamo l’equilibrio relativo alla seconda dissociazione e costruiamo una I.C.E. chart, per poi risolvere l’espressione della costante di equilibrio.
Dopo aver svolto i calcoli, otteniamo che [S2-] = 1 ∙ 10-14 M e [HS– ]= 1.0 ∙ 10-4 M.
In questo modo è possibile calcolare il pH e le concentrazioni delle specie presenti nella soluzione di H2S.