La chimica analitica è quella parte della chimica che studia le metodologie per determinare qualitativamente e quantitativamente sostanze presenti in un campione. Oggetto della chimica analitica è lo studio e l'utilizzo di metodologie per separare, identificare e analizzare la materia.
La chimica analitica consiste di metodi classici come analisi gravimetrica e volumetrica e strumentali
Per eseguire l'analisi quantitativa si possono seguire diversi procedimenti. Tra quelli usati ricordiamo :
1) Analisi gravimetrica in cui si determina la quantità di un elemento contenuto in una sostanza trasformando l'elemento in un composto pesabile. La sostanza viene trasformata in un composto insolubile che, separato dalla soluzione tramite filtrazione viene essiccato e quindi pesato. Dal peso del campione ottenuto e dal peso della sostanza impiegata si risale tramite calcoli stechiometrici alla quantità dell'elemento nel campione.
2) Analisi volumetrica in cui si determina la quantità di una sostanza contenuta in una soluzione, misurando il volume di un'altra soluzione, di concentrazione nota, che reagisce stechiometricamente con essa. Tale operazione , detta titolazione, viene effettuata tramite l'uso di appropriate sostanze colorate (indicatori) che cambiano colore una volta raggiunta l'equivalenza stechiometrica . Dal volume della soluzione titolante usato per completare la reazione si può calcolare la quantità della sostanza in esame.
Ci soffermeremo sull'analisi volumetrica e sui calcoli stechiometrici necessari per ottenere le concentrazioni delle sostanze incognite . L'analisi volumetrica può essere suddivisa in
a) Acidimetria e alcalimetria
b) Ossidimetria
c) Volumetria per precipitazione
Acidimetria e alcalimetria
I casi tipici che si incontrano sono : 1) acido forte-base forte ; 2) acido debole-base forte; 3) acido forte-base debole
Esercizi
Titolazioni acido forte – base forte
1) 25.0 mL di HCl a concentrazione incognita vengono titolati con 18.0 mL di NaOH a concentrazione 0.120 M . Determinare la concentrazione dell'acido .
Moli di NaOH = 0.0180 L · 0.120 mol/L = 0.00216
Poiché al punto equivalente le moli di acido sono uguali alle moli di base : moli di HCl = 0.00216
La concentrazione incognita dell'acido è quindi M = 0.00216 mol/0.0250 L=0.0864
2) Calcolare il pH di una soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di HCl 0.100 M con 20.0 mL di NaOH 0.100 M.
La soluzione iniziale contiene 0.0250 L · 0.100 M = 0.00250 moli di HCl .
La soluzione di NaOH contiene 0.0200 L · 0.100 M = 0.00200 moli di NaOH
Le moli di acido in eccesso sono 0.00250 – 0.00200 = 0.00050
Il volume totale della soluzione è 25.0 + 20.0 = 45.0 mL
La concentrazione di HCl è 0.00050/ 0.0450 L = 0.0110 M
Poiché HCl è un acido forte [ H+] = 0.0110 M
pH = – log 0.0110 = 1.96
3) Calcolare il pH di una soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di HCl 0.100 M con 25.0 mL di NaOH 0.100 M
Moli H+= moli OH– = 0.0250 L · 0.100 M = 0.00250 : la soluzione risulta neutra e quindi il pH = 7.00
4) Calcolare il pH di una soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di HCl 0.100 M con 30.0 mL di NaOH 0.100 M
Occorre calcolare le moli di HCl ovvero di H+ e quella di NaOH ovvero di OH–
H+ = 0.0250 L · 0.100 M = 0.00250
OH– = 0.0300 L · 0.100 M = 0.00300
Moli OH– in eccesso = 0.00300 – 0.00250 = 0.00050
Volume totale della soluzione = 25.0 + 30.0 = 55.0 mL
[OH–] = 0.00050 / 0.0550 L = 0.00910 M
pOH = – log 0.00910 =2.04
pH = 14 – 2.04 = 11.96
Titolazioni acido debole – base forte
1) Calcolare la concentrazione dell'acido etanoico sapendo che 25.0 mL vengono titolati da 15.0 mL di NaOH 0.100 M.
Moli NaOH = 0.0150 L · 0.100 M = 0.00150
Al punto equivalente le moli di acido sono uguali alle moli di base per cui
Moli acido etanoico = 0.00150
Concentrazione acido etanoico = 0.00150 / 0.0250 L=0.0600 M
2) Calcolare il pH della soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di acido etanoico 0.100 M con 5.0 mL di NaOH 0.100 M
Le moli di acido sono pari a = 0.0250 L · 0.100 M = 0.00250
Moli NaOH = 0.0050 L · 0.100 M = 0.00050
Moli acido in eccesso = 0.00250 – 0.00050= 0.00200
La reazione netta che avviene tra l'acido debole e NaOH è la seguente :
CH3COOH + OH– = CH3COO– + H2O
0.00250 moli di acido etanoico reagiscono con 0.00050 moli di idrossido di sodio per dare 0.00200 moli di acido etanoico e 0.00050 moli di etanoato .
Il volume totale della soluzione è 25.0 + 5.0 = 30.0 mL
La concentrazione dell'acido è 0.00200 / 0.0300 L = 0.0667 M
La concentrazione dell'etanoato è 0.00050/ 0.0300 L =0.0167 M.
Poiché la soluzione è costituita da un acido e dalla sua base coniugata ci troviamo dinanzi ad una soluzione tampone il cui pH può essere ottenuto tramite l'equazione di Handerson-Hasselbalch e, sapendo che pKa vale 4.74 :
pH = 4.74 + log 0.0167/ 0.0667 = 4.14
3) Calcolare il pH della soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di acido etanoico 0.100 M con 25.0 mL di NaOH 0.100 M
Poiché le moli di acido e le moli di base sono uguali ovvero pari a 0.0250 L · 0.100 M = 0.0250 ciò vuol dire che 0.0250 moli di acido reagiscono con 0.0250 moli di base per dare 0.0250 moli di etanoato . Il volume totale della soluzione è 25.0 + 25.0 = 50.0 mL
La concentrazione di etanoato è pari a 0.0250 /0.0500 L = 0.0500 M. Il problema a questo punto deve essere affrontato come un'idrolisi e la reazione da considerare è la seguente :
CH3COO– + H2O ↔ CH3COOH + OH–
La costante di questo equilibrio detta anche costante di idrolisi e data da
Kh = Kw/Ka = 1.0 · 10-14 / 1.8 · 10-5 = 5.6 · 10-10
Chiamando con x la concentrazione di acido etanoico , con x la concentrazione di OH– la concentrazione dell'etanoato al'equilibrio sarà 0.0500 – x
Kh = (x)(x)/(0.500-x)
x = [OH–] = 2.4 · 10-5 M
pOH = 4.62
pH = 14 – 4.62 =9.38
Titolazioni acido forte – base debole
1) Calcolare la concentrazione di una soluzione di NH3 se 30.0 mL di tale soluzione sono stati titolati da 25.0 mL di HCl 0.120 M.
moli di HCl=0.0250·0.120=0.00300
Al punto equivalente le moli di NH3 sono uguali alle moli di HCl pertanto:
[NH3] = 0.00300/0.00300 = 0.100.
2) Calcolare il pH di una soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di HCl 0.120 M e 5.00 mL di una soluzione di NH3 0.120 M.
moli di HCl=0.0250·0.120=0.00300
moli di NH3=0.00500·0.120=0.000600
H+ e NH3 reagiscono secondo la reazione netta
H+ + NH3→NH4+
A seguito dell'aggiunta di NH3 si formeranno 0.000600 moli di NH4+ e rimarranno
0.00300 – 0.000600 =0.00240 moli di H+ in eccesso
Volume totale della soluzione = 5.00 + 25.0 = 30.0 mL
[H+] =(0.00240)/(0.0300)=0.0800 M
pH=-log 0.0800=1.10
3) Calcolare il pH di una soluzione ottenuta mescolando 25.0 mL di NH3 0.120 M con 25.0 mL di HCl 0.120 M.
moli di H+=0.0250·0.120=0.00300
moli di NH3=0.0250·0.120=0.00300
0.00300 moli di H+ reagiscono con 0.00300 moli di NH3 per dare 0.00300 moli di NH4+
Il volume totale della soluzione è 25.0 + 25.0 = 50.0 mL
[NH4+ ]=(0.00300)/(0.0500)=0.0600 M
Consideriamo l'equilibrio :
NH4+ + H2O ↔NH3+H3O+
La cui costante di equilibrio Kh=Kw/Kb =5.5·10-10
5.5·10-10 = (x)(x)/(0.0600-x)
x =5.7·10-6
pH=-log 5.7·10-6 =5.2
