Le soluzioni costituite da un acido debole e dalla sua base coniugata e da una base debole e dal suo acido coniugato sono dette soluzioni tampone.
Per risolvere gli esercizi sulle soluzioni tampone ovvero soluzioni costituite da un acido debole e dalla sua base coniugata o da una base debole e dal suo acido coniugato ci si può avvalere dell’equazione di Henderson-Hasselbach
Esercizi
1) Calcolare il pH di una soluzione ottenuta aggiungendo 10.0 g di acetato di sodio a 200 mL di una soluzione 1.00 M di acido acetico. Ka = 1.70 ∙ 10-5
moli di acetato di sodio = 10.0 g / 82.03 g/mol = 0.122
Calcoliamo la concentrazione dello ione acetato:
[CH3COO–] = 0.122 mol/ 0.200 L=0.610 M
Il valore del pKa vale:
pKa = – log 1.7 ∙ 10-5 = 4.77
Applichiamo l’equazione di Henderson-Hasselbalch:
pH = pKa + log [CH3COO–]/ [CH3COOH]
pH = 4.77 + log 0.610 / 1.00 = 4.56
2) Calcolare il rapporto tra le concentrazioni di cloruro di ammonio e ammoniaca in una soluzione avente pH = 9.00. Il valore di Ka è pari a 5.6 ∙ 10-10
L’equazione di Henderson- Hasselbach per una soluzione tampone costituita da una base e dal suo acido coniugato è:
pOH = pKb + log [NH4+]/[NH3]
Il valore di pKa è pari a:
pKa = – log 5.6 ∙10-10 = 9.25
Il valore di pKb è pari a:
pKb = 14 – 9.25 = 4.75
Il pOH della soluzione vale:
pOH = 14 – 9.00 = 5.00
Da cui sostituendo i dati si ha:
5.00 = 4.75 + log [NH4+]/[NH3]
5.00 – 4.75 = 0.25
0.25 = log [NH4+]/[NH3]
Applicando la definizione di logaritmo si ha:
100.25 = [NH4+]/[NH3]
Da cui:
[NH4+]/[NH3] = 1.78
3) Il sangue contiene una sistema tampone costituito da H2CO3 e HCO3– in cui il rapporto [HCO3–] /[ H2CO3 ] è di 20:1. Ammettendo che questo sia l’unico tampone contenuto nel sangue calcolarne il pH. Ka = 4.2 ∙ 10-7
pKa = – log 4.2 ∙ 10-7 = 6.4
Applichiamo l’equazione di Henderson- Hasselbach:
pH = pKa + log [HCO3– ] [H2CO3]
sostituendo i dati si ha:
pH = 6.4 + log 20/1 = 7.7
Calcolo del pH di una soluzione tampone dopo l’aggiunta di una piccola quantità di acido forte
Quando un acido forte è aggiunto a una soluzione tampone contenente un acido debole e la sua base coniugata, lo ione H+ reagisce con la base coniugata secondo la reazione:
A– + H+ = HA
Ciò comporta un decremento della concentrazione della base coniugata e un aumento della concentrazione dell’acido debole con una diminuzione, sia pure limitata, del pH.
1) 50.0 mL di HCl 0.100 M sono addizionati a una soluzione costituita da 0.025 moli di acetato di sodio e 0.030 moli di acido acetico. Calcolare il pH della soluzione dopo l’aggiunta dell’acido. Ka = 1.70 ∙ 10-5
moli di HCl = 0.0500 L ∙ 0.100 M = 0.00500
l’aggiunta dell’acido cloridrico fa avvenire la reazione:
CH3COO– + H+ → CH3COOH
Le moli di acetato di sodio diventano:
moli di acetato di sodio = 0.025 – 0.00500 =0.0200
le moli di acido acetico diventano:
moli di acido acetico: 0.030 + 0.00500 =0.0350
Applichiamo l’equazione di Henderson- Hasselbach:
pH = pKa + log [CH3COO–]/ [CH3COOH]
Sostituiamo i dati:
pH = 4.77 + log 0.0200/ 0.0350 = 4.53
Calcolo del pH di una soluzione tampone dopo l’aggiunta di una piccola quantità di base forte
Quando una base forte è aggiunta a una soluzione tampone contenente un acido debole e la sua base coniugata, lo ione OH– reagisce con l’acido secondo la reazione:
HA + OH– = A– + H3O+
Ciò comporta un decremento della concentrazione dell’acido e un aumento della concentrazione della base coniugata con un aumento, sia pure limitato, del pH.
1) Calcolare il pH di una soluzione tampone che contiene 0.0400 moli di ammoniaca e 0.0250 moli dello ione ammonio dopo l’aggiunta di 20.0 mL di una soluzione di NaOH 0.75 M.
Kb = 1.78 ∙ 10-5
moli di NaOH = 0.0200 L ∙ 0.75 M= 0.0150
L’aggiunta di NaOH fa avvenire la reazione:
NH4+ + OH– → NH3 + H2O
Le moli di ione ammonio divengono:
moli di ione ammonio = 0.0250 – 0.0150 =0.0100
le moli di ammoniaca divengono:
moli di ammoniaca = 0.0400 + 0.0150 = 0.0550
Applichiamo l’equazione di Henderson- Hasselbach:
pOH = pKb + log [NH4+]/[NH3]
Sostituiamo i dati:
pOH = 4.75 + log 0.0100/ 0.0550 = 4.00
da cui
pH = 14 – 4.00 = 10.0