Esercizi sulle soluzioni tampone di livello difficile

Una soluzione tampone è costituita:

1)    da un acido bebole e dalla sua base coniugata ad esempio, detto HA l’acido debole, una tale soluzione deve contenere anche A ovvero la base coniugata di HA.

2)    da una base debole e dal suo acido coniugato ad esempio, detta B la base debole, una tale soluzione deve contenere anche BH+ ovvero l’acido coniugato di B.

L’equazione che si usa  per risolvere  molti esercizi riguardanti le soluzioni tampone è quella di Henderson-Hasselbalch:

pH = pKa + log [base coniugata]/ [acido]

che si adopera quando la soluzione tampone è costituita da un acido debole e dalla sua base coniugata

ovvero:

pOH = pKb + log [acido coniugato]/ [base]

che si usa quando la soluzione tampone è costituita da una base debole e dal suo acido coniugato.

 

Esercizi svolti

1)      Calcolare il pH di una  soluzione ottenuta mescolando 100 mL di NaOH 0.100 M con 150 mL di acido acetico 0.200 M (pKa = 4.76) supponendo i volumi additivi

Le moli di NaOH sono : moli di NaOH = 0.100 L ∙ 0.100 M = 0.0100

Le moli di acido acetico sono: moli di acido acetico = 0.150 L ∙ 0.200 = 0.0300

0.0100 moli di NaOH reagiscono con 0.0100 moli di acido acetico per dare 0.0100 moli di acetato secondo la reazione netta: CH3COOH + OH → CH3COO + H2O

Rimangono in eccesso 0.0300 – 0.0100 = 0.0200 moli di acido acetico

Il volume totale della soluzione è: volume totale = 100 + 150 = 250 mL = 0.250 L

Pertanto:

[CH3COOH] = 0.0200/ 0.250 L = 0.0800 M

[CH3COO] = 0.0100 / 0.250 L = 0.0400 M

Sostituendo tali valori nell’equazione di Henderson-Hasselbalch si ha:

pH = 4.76 + log 0.0400/ 0.0800 = 4.46

Si noti che si poteva più rapidamente ottenere lo stesso risultato usando le moli anziché le concentrazioni infatti nel rapporto [CH3COO]/[CH3COOOH] i volumi si semplificano:
pH = 4.76 + log 0.0100/ 0.0200 = 4.46

Anche se più rapido tale metodo non è consigliato in quanto in realtà nell’equazione di Henderson-Hasselbalch sono presenti le concentrazioni

 

2)      Calcolare in quale rapporto devono trovarsi H2PO4 e HPO42- per ottenere una soluzione a pH = 7.00. pKa1 = 2.15; pKa2 = 7.20; pKa3 =12.35

Gli equilibri di dissociazione dell’acido fosforico sono

H3PO4 + H2O ⇄ H2PO4 + H3O+  regolato dalla Ka1

H2PO4 + H2O ⇄ HPO42- + H3O+  regolato dalla Ka2

HPO42- + H2O ⇄ PO43- + H3O+  regolato dalla Ka3

Per calcolare in quale rapporto devono trovarsi H2PO4 e HPO42- ci si deve riferire alla seconda dissociazione in cui H2PO4 è l’acido e HPO42- è la sua base coniugata. Quindi si deve considerare pKa2 = 7.20

Applicando l’equazione di di Henderson-Hasselbalch si ottiene:

7.00 = 7.20 + log [HPO42-]/[ H2PO4]

Da cui – 0.20 = log [HPO42-]/[ H2PO4]

Poiché la base del logaritmo è 10 allora

[HPO42-]/[ H2PO4] = 10-0.20= 0.631

Dal momento che viene richiesto il rapporto tra H2PO4 e HPO42- allora si ha:

[ H2PO4]/[HPO42-] = 1/ 0.631 =1.58

3)      Calcolare le moli di cloruro di ammonio da aggiungere a 2.00 L di NH3 0.100 M  per ottenere una soluzione a pH = 9.00 ( Kb di NH3 = 1.80 10-5). Si supponga che l’aggiunta di cloruro di ammonio non provochi variazioni di volume

A pH = 9.00 il valore di pOH è pari a 14.0 – 9.00 = 5.00

pKb = 4.74

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Author: Chimicamo

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