Equilibri di acidi e basi. Esercizi

Gli esercizi che vengono proposti in relazione agli equilibri di acidi e di basi in soluzione acquosa possono essere di varie tipologie: dalla determinazione del pH di un acido debole o del pH di una base debole fino al calcolo della concentrazione delle specie presenti in soluzione. Vengono proposti esercizi dei quali viene indicato lo svolgimento e la strategia da adottare. In generale conviene, per visualizzare un equilibrio, costruire una I.C.E. chart (acronimo di Initial Change Equilibrium) in cui viene indicata la condizione iniziale, la variazione delle concentrazioni ed infine la concentrazione finale.

 1) Il pH di una soluzione 0.150 M di acido butanoico è 2.82. Calcolare la Ka

L’equilibrio di dissociazione dell’acido butanoico è:

CH3(CH2)2COOH ⇄ CH3(CH2)2COO + H+

e l’espressione della costante di equilibrio è:

Ka = [CH3(CH2)2COO][H+]/ [CH3(CH2)2COOH]

Iniziamo a costruire una I.C.E. chart:

  CH3(CH2)2COOH

CH3(CH2)2COO H+
Stato iniziale 0.150  

//

//
Variazione -x   + x + x

Dai dati forniti possiamo ricavare x in quanto conosciamo il pH.

Il pH è definito come: pH = – log [H+] quindi [H+] = 10-pH

[H+ ] = 10-2.82 = 0.00151 M

Poiché all’equilibrio [H+] = [CH3(CH2)2COO] = x = 0.00151 M possiamo completare l’ I.C.E. chart:

  CH3(CH2)2COOH

CH3(CH2)2COO H+
Stato iniziale 0.150  

//

//
Variazione – 0.00151   + 0.00151 + 0.00151
All’equilibrio 0.148   0.00151 0.00151

 

Sostituendo questi valori nell’espressione della Ka si ottiene:

Ka = [CH3(CH2)2COO][H+]/ [CH3(CH2)2COOH]

= (0.00151)(0.00151)/ 0.148 = 1.54 ∙ 10-5

 

 2) Calcolare la concentrazione di metilammina necessaria affinché il pH della soluzione sia pari a 11.9.

Kb = 4.4 ∙ 10-4

La metilammina è una base debole il cui equilibrio di dissociazione è:

CH3NH2 + H2O ⇄ CH3NH3+ + OH

All’equilibrio si ha che [CH3NH3+] = [OH]

Ricordando che pH + pOH = 14 possiamo ricavare il pOH

pOH = 14 – 11.9 =2.10

allora il valore della concentrazione di OH vale:

[OH] = 10-2.10 =0.00794 M

Costruiamo una I.C.E. chart detta Y la concentrazione iniziale di CH3NH2

 

  CH3NH2 H2O

CH3NH3+ OH
Stato iniziale

Y

   

//

//
Variazione – x     + x + x

 

Poiché x = [CH3NH3+] = [OH] = 0.00794 M possiamo completare l’ I.C.E. chart:

  CH3NH2 H2O

CH3NH3+ OH
Stato iniziale

Y

   

//

//
Variazione – 0.00794     + 0.00794 + 0.00794
All’equilibrio Y – 0.00794     0.00794 0.00794

Sostituendo tali valori nell’espressione della costante di equilibrio si ha:

Kb = 4.4 x 10-4  = [CH3NH3+][OH]/ [CH3NH2] = (0.00794)(0.00794)/ [CH3NH2]

Da cui:

[CH3NH2] = (0.00794)(0.00794)/ 4.4 ∙ 10-4  = 0.143 M = concentrazione di equilibrio

0.143 = Y – 0.00794

Da cui Y = [CH3NH2] = 0.15 M

 

3) Una soluzione 0.100 M dell’acido HA è dissociata allo 0.150%. Calcolare la Ka e il pH della soluzione

Calcoliamo lo 0.150% di 0.100

Quantità di HA dissociata = 0.100 x 0.150/100=0.00015

Costruiamo una I.C.E. chart:

  HA

A H+
Stato iniziale 0.100   // //
Variazione – x   +x + x

 

Poiché x = 0.00015 si ha:

  HA

A H+
Stato iniziale 0.100   // //
Variazione – 0.00015   + 0.00015 + 0.00015
All’equilibrio 0.0999   0.00015 0.00015

 

Essendo la concentrazione dello ione H+ pari a 0.00015 M il pH sarà dato da:

pH = – log 0.00015 =3.82

e il valore della costante di equilibrio Ka vale:

Ka  = [H+][A]/[HA] = (0.00015)(0.00015)/ 0.0999 =2.25 ∙ 10-7

 

 4) Calcolare il pH e la concentrazione delle specie presenti in una soluzione di H2S a concentrazione 0.10 M.

Ka1= 1.1 ∙ 10-7 e Ka2 = 1 ∙ 10-14

Consideriamo l’equilibrio relativo alla prima dissociazione:

H2S⇄ HS + H+

l’espressione della costante di equilibrio è:

Ka1 = 1.1 ∙ 10-7 = [HS][H+]/[H2S]

Costruiamo una I.C.E. chart:

 

  H2S

HS H+
Stato iniziale 0.10   // //
Variazione – x   + x + x
All’equilibrio 0.10-x   x x

Sostituendo tali valori nell’espressione della costante di equilibrio:

Ka1 = 1.1 x 10-7 = (x)(x)/ 0.10-x

Da cui x = [HS]=[H+] = 1.0 ∙ 10-4 M

[H2S ]= 0.10 -1.0 ∙ 10-4  = 0.10 M

Se fosse stato richiesto solo il pH della soluzione potremmo non considerare il secondo equilibrio di dissociazione in quanto il valore di Ka2 è notevolmente inferiore rispetto al valore di Ka1 e quindi la concentrazione di H+ non varia per la seconda dissociazione.

Alla luce di ciò possiamo dire che pH = – log 1.0 ∙ 10-4 = 4.0

Per calcolare la concentrazione delle altre specie dobbiamo considerare il secondo equilibrio:

HS ⇄ S2- + H+

l’espressione della costante di equilibrio è:

Ka1 = 1 ∙ 10-14 = [S2-][H+]/[HS]

Costruiamo una I.C.E. chart:

  HS

S2- H+
Stato iniziale 1.0 x 10-4   // 1.0 x 10-4
Variazione – y   + y + y
All’equilibrio 1.0 x 10-4-y   y 1.0 x 10-4+y

Sostituendo questi valori nell’espressione della costante di equilibrio si ha:

Ka1 = 1 ∙ 10-14 = (y)( 1.0 ∙ 10-4+y)/ (1.0 x∙10-4-y)

Trascurando la y additiva al numeratore e la y sottrattiva al denominatore si ha:

Ka1 = 1 ∙ 10-14 = (y)( 1.0 x 10-4)/ (1.0 ∙ 10-4)

Da cui y = [S2-] = 1 ∙ 10-14 M

[HS ]= 1.0 ∙ 10-4-y = 1.0 ∙ 10-4– 1 ∙ 10-14 = 1.0 ∙ 10-4M

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Author: Chimicamo

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