Calcolo del pH delle soluzioni acquose (3^a parte)

Reazione di un acido debole con una base forte (in soluzione)

    Si supponga di far reagire acido acetico e idrossido di sodio e che siano note le quantità, espresse in moli o millimoli, delle sostanze reagenti. Sono possibili tre casi (le quantità utilizzate sono puramente indicative):
   a) eccesso di acido (10 millimoli di acido + 4 millimoli di base)
   b) quantità equivalenti (10 millimoli di acido + 10 millimoli di base)
   c) eccesso di base (10 millimoli di acido + 11 millimoli di base)

caso a: il pH si calcola considerando il tampone "acido acetico/acetato". La soluzione tampone sarà presente sino a quando verranno utilizzate quantità di base inferiori all'acido

	CH3COOH	+	NaOH		CH3COONa	+	H2O
iniziali	10		4
reagiscono	4		4
si formano					4		4
fine reazione	6		-		4		4

caso b: il pH si calcola considerando l'idrolisi del sale (base coniugata dell'acido debole)

	CH3COOH	+	NaOH		CH3COONa	+	H2O
iniziali	10		10
reagiscono	10		10
si formano					10		10
fine reazione	-		-		10		10

caso c: il pH è dovuto all'eccesso di base forte e va calcolato dalla concentrazione molare di tale eccesso

	CH3COOH	+	NaOH		CH3COONa	+	H2O
iniziali	10		11
reagiscono	10		10
si formano					10		10
fine reazione	-		1		10		10

Reazione di una base debole con un acido forte (in soluzione)

    Si supponga di far reagire ammoniaca con acido cloridrico (provare anche acido nitrico e acido perclorico) e che siano note le quantità, espresse in moli o millimoli, delle sostanze reagenti. Sono possibili tre casi (le quantità utilizzate sono puramente indicative):
   a) eccesso di base (10 millimoli di base + 4 millimoli di acido)
   b) quantità equivalenti (10 millimoli di base + 10 millimoli di acido)
   c) eccesso di acido (10 millimoli di base + 11 millimoli di acido)

caso a: il pH si calcola considerando il tampone "ammoniaca/ammonio". La soluzione tampone sarà presente sino a quando verranno utilizzate quantità di acido inferiori alla base

	NH3	+	HCl		NH4Cl
iniziali	10		4
reagiscono	4		4
si formano					4
fine reazione	6		-		4

caso b: il pH si calcola considerando l'idrolisi del sale (acido coniugato della base debole NH₃)

	NH3	+	HCl		NH4Cl
iniziali	10		10
reagiscono	10		10
si formano					10
fine reazione	-		-		10

caso c: il pH è dovuto all'eccesso di acido forte e va calcolato dalla concentrazione molare di tale eccesso

	NH3	+	HCl		NH4Cl
iniziali	10		11
reagiscono	10		10
si formano					10
fine reazione	-		1		10

Reazione tra un sale (base di Brønsted) e un acido forte

    Erano dette anche reazioni di spostamento di un acido dal suo sale. Si supponga di far reagire acetato di sodio con acido cloridrico le cui quantità, espresse in moli o millimoli, siano note. Sono possibili tre casi (le quantità utilizzate sono puramente indicative):
   a) eccesso di sale (10 millimoli di sale + 4 millimoli di acido)
   b) quantità equivalenti (10 millimoli di sale + 10 millimoli di acido)
   c) eccesso di acido (10 millimoli di sale + 11 millimoli di acido)

caso a: il pH si calcola considerando il tampone "acido acetico/acetato". La soluzione tampone sarà presente sino a quando verranno utilizzate quantità di acido inferiori al sale

	CH3COONa	+	HCl		CH3COOH	+	NaCl
iniziali	10		4
reagiscono	4		4
si formano					4		4
fine reazione	6		-		4		4

caso b: il pH è dovuto all'acido debole prodotto e va calcolato dalla sua concentrazione molare utilizzando la relativa formulazione

	CH3COONa	+	HCl		CH3COOH	+	NaCl
iniziali	10		10
reagiscono	10		10
si formano					10		10
fine reazione	-		-		10		10

caso c: il pH è dovuto all'eccesso di acido forte e va calcolato dalla concentrazione molare di tale eccesso

	CH3COONa	+	HCl		CH3COOH	+	NaCl
iniziali	10		11
reagiscono	10		10
si formano					10		10
fine reazione	-		1		10		10

Reazione tra un sale (acido di Brønsted) e una base forte

    Erano dette anche reazioni di spostamento di una base dal suo sale. Si supponga di far reagire cloruro di ammonio con idrossido di sodio le cui quantità, espresse in moli o millimoli, siano note. Sono possibili tre casi (le quantità utilizzate sono puramente indicative):
   a) eccesso di sale (10 millimoli di sale + 4 millimoli di base)
   b) quantità equivalenti (10 millimoli di sale + 10 millimoli di base)
   c) eccesso di base forte (10 millimoli di sale + 11 millimoli di base)

caso a: il pH si calcola considerando il tampone "ammoniaca/ammonio". La soluzione tampone sarà presente sino a quando verranno utilizzate quantità di base inferiori al sale

	NH4Cl	+	NaOH		NH3	+	NaCl	+	H2O
iniziali	10		4
reagiscono	4		4
si formano					4		4		4
fine reazione	6		-		4				4

caso b: il pH è dovuto alla base debole prodotta e va calcolato dalla sua concentrazione molare utilizzando la relativa formulazione

	NH4Cl	+	NaOH		NH3	+	NaCl	+	H2O
iniziali	10		10
reagiscono	10		10
si formano					10		10		10
fine reazione	-		-		10		10		10

caso c: il pH è dovuto all'eccesso di base forte e va calcolato dalla concentrazione molare di tale eccesso

	NH4Cl	+	NaOH		NH3	+	NaCl	+	H2O
iniziali	10		11
reagiscono	10		10
si formano					10		10		10
fine reazione	-		1		10		10		10

TITOLAZIONE di un acido DEBOLE con una base FORTE

    Le reazioni illustrate in questa pagina spiegano l'andamento del pH nelle titolazioni del tipo acido debole-base forte e base debole-acido forte. Discuteremo sola la prima categoria.     Supponiamo di porre in un beker, munito di sistema di agitazione magnetica, 100 mL di acido acetico 0.1 M e di utilizzare come titolante la base forte NaOH alla concentrazione 0.1 M. Il pH iniziale, prima di qualunque aggiunta di titolante, se provate a rifare i calcoli, risulta poco meno di 3. Aggiungendo NaOH, si determina la formazione di acetato di sodio (base coniugata di CH₃COOH). In una prima fase, essendo eccessivo il rapporto tra acido debole e sua base coniugata, il tampone risultante non risulta affatto efficiente ed il pH varia in maniera non lineare (zona A).
    Quando la concentrazione di CH₃COO^- raggiunge valori compatibili con un funzionamento adeguato del sistema tampone, il pH varierà gradualmente con costanza (zona tampone B).
    Quando la quantità di base forte aggiunta è la metà dell'acido debole, il pH misurato dovrà essere uguale alla pKa dell'acido debole (pH = pKa = -log(1.8x10^-5)=4.75,
    Quando la quantità di base forte aggiunta si approssima al punto di equivalenza e l'acido debole si sta quasi consumando, il rapporto [acido debole] / [base coniugata] diventa troppo piccolo e il sistema tampone comincia a cedere (zona C: precede il P.E.). Al raggiungimente del punto di equivalenza si ha la consueta variazione repentina del pH. Il pH al punto di equivalenza risulta all'incirca 8.7 ed è dovuto alla base coniugata.
    Se siamo interessati semplicemente alla determinazione del P.E. possiamo effettuare la titolazione utilizzando un indicatore di pH con un pK nell'intorno del pH del punto di equivalenza. Nel case di titolazione come quella descritta la fenolftaleina (pK_ind = 9.3) è una sostanza che va benissimo. Qui di seguito riporto una banale mini-simulazione, in cui si evidenzia la repentina variazione di colore dell'indicatore fenolftaleina che passa da "incolore" a "rosso".