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Utilizzo del pH per determinare la concentrazione di un sale- chimicamo

Utilizzo del pH per determinare la concentrazione di un sale

  |   Chimica, Stechiometria

Una soluzione in cui viene disciolto un sale derivante da acido forte e base forte ha un valore di pH pari a 7 ovvero la soluzione è neutra.

Una soluzione in cui viene disciolto un sale derivante da acido debole e da base forte come l’acetato di sodio ha un pH maggiore di 7 in quanto l’anione reagisce con l’acqua dando lo ione OHsecondo la reazione di equilibrio:

CH3COO–  + H2O  ⇌ CH3COOH + OH

La costante di equilbrio è data da Kb = Kw/Ka essendo Kw la costante di autoionizzazione dell’acqua che, se non diversamente specificato, vale 1.00 ∙10-14 e Ka è la costante di dissociazione dell’acido debole.

Una soluzione in cui viene disciolto un sale derivante da base debole e da acido forte come il cloruro di ammonio ha un pH minore di 7 in quanto il catione reagisce con l’acqua dando lo ione H3O+ secondo la reazione di equilibrio:

NH4 + H2O  ⇌ NH3 + H3O+

La costante relativa a questi tipo di equilibrio è data da Ka = Kw/Kb essendo Kw la costante di autodissociazione dell’acqua che, se non diversamente specificato, vale 1.00 ∙ 10-14 e Kb è la costante di dissociazione della base debole.

Noto il valore della costante di dissociazione dell’acido o della base debole e il valore del pH della soluzione si può determinare la concentrazione del sale.

Esercizi svolti

Calcolo del numero di moli

Una soluzione avente volume pari a 2.00 L di ipoclorito di sodio ha un pH di 10.50. Calcolare il numero di moli del sale necessarie ad ottenere tale valore di pH. Ka di HClO = 3.00 ∙ 10-8

 L’ipoclorito di sodio è un sale, che come tutti i  sali di sodio, si dissocia completamente in Na+ e ClO. Mentre lo ione Na+ proveniente dalla base forte NaOH non idrolizza e agisce da spettatore, lo ione ipoclorito, base coniugata dell’acido debole HClO idrolizza secondo la reazione di equilibrio:

ClO + H2O ⇄ HClO + OH

La costante di questo equilibrio detta anche costante di idrolisi è data da Kb = Kw/Ka pertanto la costante di questo equilibrio è data da:
Kb = 1.00 ∙ 10-14/ 3.00 ∙ 10-8 = 3.33 ∙ 10-7

Dal valore del pH possiamo risalire alla concentrazione di [OH] essendo pH + pOH = pKw ovvero pH + pOH = 14 da cui pOH = 14 – pH = 14 – 10.50 = 10.50

Poichè [OH] = – log [OH] si ha:

[OH] = 10– 3.50 = 3.16 ∙ 10-4 M

La concentrazione di OH è sufficientemente elevata da poter assumere che sia dovuta al solo equilibrio dello ione ipoclorito trascurando quella dovuta all’autoionizzazione dell’acqua. Indichiamo con x il valore della concentrazione iniziale dello ione ClO e costruiamo una I.C.E. chart:

 

ClO

H2O

HClO

OH

Stato iniziale

x

//

0

0

Variazione

– 3.16 ∙ 10-4

//

+ 3.16 ∙ 10-4

+ 3.16 ∙ 10-4

Equilibrio

x  – 3.16 ∙ 10-4

//

3.16 ∙ 10-4

3.16 ∙ 10-4

L’espressione della Kb è data da:
Kb = [HClO][OH] /[ClO]

Sostituendo in tale espressione i valori ricavati nella I.C.E. chart si ha:

Kb = 3.33 ∙ 10-7 = (3.16 ∙ 10-4)( 3.16 ∙ 10-4)/ x – 3.16 ∙ 10-4

Da cui x = (3.16 ∙ 10-4)2 / 3.33 ∙ 10-7  + ( 3.16 ∙ 10-4 )=  0.300 M

Le moli di NaClO necessarie sono quindi pari a 0.300 mol/L ∙ 2.00 L = 0.600

Calcolo del pH di una soluzione di cloruro di ammonio

Una soluzione avente volume pari a 100 mL di cloruro di ammonio ha un pH di 4.9. Calcolare la concentrazione del cloruro di ammonio. Kb di NH3 = 1.8 ∙ 10-5

Il cloruro di ammonio è un sale che si dissocia completamente in NH4+ e Cl. Mentre lo ione Cl proviene dall’ acido forte  HCl non idrolizza e agisce da spettatore, lo ione ammonio idrolizza secondo la reazione:

NH4+ + H2O ⇄ NH3 + H3O+

La costante di questo equilibrio detta anche costante di idrolisi è data da Ka = Kw/Kpertanto la costante di questo equilibrio è data da:
Kb = 1.00 ∙ 10-14/ 1.8 ∙ 10-5 = 5.6 ∙ 10-10

Dal valore del pH possiamo risalire alla concentrazione di [H3O+]:

[H3O+] = 10-4.9 = 1.3 ∙ 10-5 M

La concentrazione di H3O+ è sufficientemente elevata da poter assumere che sia dovuta al solo equilibrio dello ione ammonio trascurando quella dovuta all’autoionizzazione dell’acqua. Indichiamo con x il valore della concentrazione iniziale dello ione NH4+ e costruiamo una I.C.E. chart:

 

NH4+

H2O

NH3

H3O+

Stato iniziale

x

//

0

0

Variazione

– 1.3 ∙ 10-5

//

+ 1.3 ∙ 10-5

1.3 ∙ 10-5

Equilibrio

x  – 1.3 ∙ 10-5

//

1.3 ∙ 10-5

1.3 ∙ 10-5

 

L’espressione della Ka è data da:
Ka = [NH3][ H3O+] / [NH4+ ]

Sostituendo in tale espressione i valori ricavati nella I.C.E. chart si ha:

Kb = 5.6 ∙ 10-10  = (1.3 ∙ 10-5)( 1.3 ∙ 10-5)/ x – 1.3 ∙ 10-5

Da cui x = (1.3 ∙ 10-5)2 / 5.6 ∙ 10-10  + 1.3 ∙ 10-5 = 0.30 M = [NH4+]

 

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