Indicatori di pH: esercizi risolti
Gli indicatori sono composti che subiscono facilmente variazioni osservabili, come il colore, in base all’ambiente chimico in cui si trovano.
Per l’acidimetria e l’alcalimetria vengono usati acidi organici deboli o basi organiche deboli, la cui forma acida possiede un colore diverso dalla forma basica coniugata.
Considerando il generico indicatore acido HIn che, a contatto con l’acqua, dà un equilibrio secondo la teoria di Bronsted e Lowry:
“`
HIn (aq) + H2O (l) ↔ H3O+ (aq) + In- (aq)
“`
In questa reazione, la forma acida HIn ha un colore diverso rispetto a quella della base coniugata In-. La costante di dissociazione del generico indicatore HIn è rappresentata da Kin, che segue l’equazione:
“`
Kin = [H3O+][In-] / [HIn]
“`
La variazione di colore della soluzione in base al pH è dovuta al principio di Le Chatelier. L’aggiunta di ioni H3O+ fa retrocedere l’equilibrio e la concentrazione della forma indissociata HIn diventa predominante, dando alla soluzione il colore della forma acida dell’indicatore. Viceversa, l’aggiunta di una base determina uno spostamento dell’equilibrio verso destra, con aumento della concentrazione della forma dissociata In- e la colorazione che la soluzione assume corrisponde a quella caratteristica dello ione In-.
pH di viraggio
Il pH di viraggio degli indicatori è il pH in cui la concentrazione della forma protonata è uguale a quella della forma deprotonata, quindi [HIn] = [In-]. Affinché l’occhio umano possa distinguere la transizione da una colorazione all’altra degli indicatori, è necessario che nella soluzione sia presente un eccesso di una delle due forme rispetto all’altra di almeno 10 volte.
Esercizi svolti
1. Ad una soluzione 0.00200 M di HCl viene aggiunta una goccia di blu di bromo timolo (Kin = 2.2 ∙ 10^-2). Calcolare a) il valore del rapporto [In-]/[HIn] b) la colorazione della soluzione sapendo che la forma acida è di colore rosso mentre quella basica è di colore giallo.
Essendo l’acido cloridrico un acido forte con dissociazione del 100%, [H3O+] = 0.00200 M. Sostituendo questo valore in Kin = [H3O+][In-]/[HIn], si ottiene:
“`
2.2 ∙ 10^-2 = 0.00200 [In-]/ [HIn]
“`
Risolvendo si ottiene [In-]/[HIn] = 11, quindi la colorazione della soluzione è giallo, corrispondente alla forma basica.
2. Ad una soluzione 0.300 M di acido acetico (Ka = 1.76 ∙ 10^-5) è aggiunta una goccia di blu di bromo fenolo (Kin = 7.9 ∙ 10^-5). Calcolare a) il valore del rapporto [In-]/[HIn] b) la colorazione della soluzione sapendo che la forma acida è di colore giallo mentre quella basica è di colore blu.
L’acido acetico è un acido debole che si dissocia secondo l’equilibrio:
“`
CH3COOH + H2O ↔ CH3COO- + H3O+
“`
Utilizzando il concetto di costante di equilibrio e l’I.C.E. chart, si calcola [H3O+] = 0.00230 M. Sostituendo questo valore in Kin = 7.9 ∙ 10^-5 = 0.00230 [In-]/ [HIn], si ottiene la colorazione della soluzione, che risulta essere blu, corrispondente alla forma basica.Calcolo del rapporto tra la forma ionizzata e non ionizzata di una sostanza e determinazione del colore della soluzione
Nel processo di calcolo del rapporto [HIn]/ [In-] di una soluzione e nella determinazione del colore della soluzione, è stato effettuato un calcolo dettagliato dei valori per la soluzione 0.0300 M di etilammina.
L’etilammina, una base debole, si dissocia secondo l’equilibrio CH3CH2NH2 + H2O ⇌ CH3CH2NH3+ + OH-, per calcolare la concentrazione di OH- all’equilibrio si è utilizzata una ICE chart.
La costante di equilibrio K_b ha permesso di calcolare [OH-] e [H3O+] e successivamente la costante di equilibrio K_in ha permesso di determinare il rapporto [HIn]/ [In-] e il colore della soluzione.
Il valore del rapporto [HIn]/ [In-] è risultato di 323, indicando che la forma basica è predominante e di conseguenza il colore della soluzione è risultato essere rosso.