pH di una soluzione tampone. Trattazione sistematica

Calcolo del pH di soluzioni tampone e relativa trattazione sistematica

Il pH di una soluzione tampone può essere determinato utilizzando l’equazione di Henderson-Hasselbalch, tuttavia esiste un metodo sistematico per trattare questo problema. In ogni situazione in cui si deve calcolare il pH di una soluzione contenente più soluti, è consigliabile seguire i seguenti passaggi:
– Considerare quali soluti sono elettroliti forti e quali sono elettroliti deboli.
– Identificare quale equilibrio è responsabile della maggiore produzione di ioni H+.
– Valutare le concentrazioni degli ioni all’equilibrio.
– Utilizzare l’espressione della costante di equilibrio per calcolare [H+] e, di conseguenza, il pH.

Esercizi svolti
pH di una soluzione tampone di acido acetico-acetato
Si desidera calcolare il pH di una soluzione tampone contenente acido acetico 0.30 M e acetato di sodio 0.30 M in 1.0 L di acqua, dato K_a = 1.8 ∙ 10^-5.
Le specie presenti in soluzione sono il CH3COOH (un acido debole e scarsamente dissociato), l’ione acetato CH3COO- (la base coniugata dell’acido acetico) e l’ione Na+ (ione spettatore). Il pH dipende dall’equilibrio di dissociazione dell’acido acetico:
CH3COOH ⇄ CH3COO- + H+.

Si può costruire una tabella I.C.E. e successivamente utilizzare l’espressione della costante di equilibrio per calcolare [H+] e, di conseguenza, il pH. Si ottiene un pH di 4.7.

pH di una soluzione ammoniaca-ione ammonio
Si deve determinare quante moli di NH4Cl aggiungere a 2.0 L di una soluzione 0.10 M di NH3 per formare una soluzione tampone a pH = 9.00, sapendo che K_b di NH3 = 1.8 ∙ 10^-5. Si considera che l’aggiunta di NH4Cl non influenzi il volume della soluzione.
Le specie predominanti in soluzione sono NH4+, Cl- e NH3. È l’equilibrio di dissociazione dell’ammoniaca a determinare il pH della soluzione:
NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH-.

L’espressione della costante di equilibrio è: K_b = 1.8 ∙ 10^-5 = [NH4+][OH-] / [NH3].

Si può ottenere [NH4+] e, successivamente, calcolare il numero di moli di NH4Cl necessarie per formare la soluzione tampone a pH 9.00, ottenendo un risultato di 0.36 moli.

Miscela di acido debole e acido forte
Si desidera calcolare il pH e la concentrazione dello ione fluoruro di una soluzione 0.20 M di HF e 0.10 M di HCl, sapendo che K_a di HF è 6.8 ∙ 10^-4.
Poiché HF è un acido debole e HCl è un acido forte, si devono considerare HF, H+ e Cl-. Il calcolo della concentrazione dello ione F- deriva dall’equilibrio di ionizzazione di HF, e la concentrazione iniziale di H+ deve considerare sia HCl che la parziale dissociazione di HF. Si può ottenere un valore approssimativo del pH e la concentrazione dello ione F- seguendo la procedura descritta.

In sintesi, il pH di una soluzione tampone può essere calcolato utilizzando l’equazione di Henderson-Hasselbalch o tramite una trattazione sistematica che considera i passaggi chiave per determinare il pH in modo accurato.Calcolo del pH e pOH in soluzioni chimiche

Per calcolare il valore del pH e del pOH in una soluzione chimica è necessario valutare diverse variabili e condizioni. Uno dei modi per fare ciò è attraverso l’uso delle costanti di equilibrio (K_a o K_b) e l’equazione di stato dei gas ideali.

Equilibrio in una soluzione chimica
Consideriamo una soluzione di un acido debole come l’acido fluoridrico (HF) in acqua. Con l’aggiunta di ioni fluoruro (F^–), si stabilisce l’equilibrio rappresentato dall’espressione della costante di equilibrio K_a = [H⁺][F^–]/ [HF]. Sostituendo le concentrazioni all’equilibrio in questa espressione si ottiene l’equazione K_a = 6.8 ∙ 10^-4 = (0.10+x)(x) / 0.20-x. Risolvendo per x si ottiene x = 1.4 ∙ 10^-3. Quindi, la concentrazione di F^– è 1.4∙10^-3 e quella di H⁺ è 0.10 M, da cui il pH della soluzione è pH = – log 0.10 = 1.0.

pH di una soluzione ottenuta da HCl e NH₃
Anche in una reazione tra HCl e NH₃, è possibile calcolare il pH della soluzione risultante. Dopo aver fatto gorgogliare 1.25 L di HCl gassoso in 0.500 L di una soluzione 0.150 M di NH₃, calcoliamo le moli di HCl e NH₃. La reazione acido-base tra HCl e NH₃ darà la concentrazione delle varie specie in soluzione. Dopo aver effettuato i calcoli, si otterrà un valore specifico di pH per la soluzione risultante.

Per calcolare il valore di pOH, si considererà una soluzione ottenuta dalla reazione tra l’acido cloridrico e l’ammoniaca (NH₃). Questo calcolo viene effettuato attraverso l’utilizzo dell’equazione di stato dei gas ideali e l’equazione di costante di equilibrio K_b = 1.8 ∙ 10^-5. Dopo aver determinato le concentrazioni delle specie chimiche in soluzione, si otterrà il valore di pOH e, di conseguenza, il pH della soluzione.

In conclusione, il calcolo del pH e del pOH di una soluzione chimica coinvolge l’analisi delle concentrazioni e l’equilibrio delle reazioni chimiche, permettendo di determinare in modo preciso le proprietà acide o basiche della soluzione stessa.