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 (Ka o Kb) 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 Ka = [H+][F–]/ [HF]. Sostituendo le concentrazioni all’equilibrio in questa espressione si ottiene l’equazione Ka = 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 Kb = 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.
