Equilibrio Acido base
Acido e base secondo ARRHENIUS Un acido è una sostanza che in soluzione acquosa libera ioni idrogeno HA à H A - HCl à H Cl - Un base è una sostanza che in soluzione acquosa libera ioni idrossido. BOH à B OH- NaOH à Na OH -
Acido e base secondo Bronsted-Lowry spiega la basicità di sostanze che non contengono OH introduce il concetto di scambio tra acido e base Un acido è una sostanza che cede ioni H ad un altra HA H 2 O A - H 3 O Un base è una sostanza che acquista ioni H da un altra. B H 2 O BH OH -
Acido e base secondo Lewis Un acido è una sostanza che accetta un doppietto elettronico Una base è un donatore di doppietto elettronico F B F H N H F acido H base
NH 3 H 2 O NH 4 OH - Base L acqua, cede un protone all ammoniaca, comportandosi da acido. L ammoniaca acquista un protone dall acqua comportandosi da base.
COPPIE ACIDO/ BASE Una sostanza agisce da acido solo in presenza di una base e viceversa Coniugati A1 HNO 2 H 2 O NO 2 - H 3 O B2 Coniugati B1 A2 B1 NH 3 H 2 O NH 4 OH - A2 Coniugati Coniugati A1 B2 acido base
Non tutti gli acidi o le basi sono in grado di donare o di acquistare ioni idrogeno nella stessa misura: gli acidi e le basi FORTI sono completamente ionizzati in acqua, quelli DEBOLI sono dissociati solo parzialmente.
Forza di un acido rappresenta la tendenza a cedere H Più un acido è forte più cede H Forza di un base rappresenta la tendenza a acquistare H Più una base è forte più acquista H Come si calcola la forza di un acido o di una base?
In generale la forza di un acido si può analizzare valutando la capacità di cedere H ad una stessa base HA H 2 O A - H 3 O K eq costante [ H O ][ A ] 3 [ HA][ H O] 2 [ H O ][ A ] K [ H O] 3 eq 2 [ HA] in soluzioni diluite H 2 O è molto in eccesso rispetto alle altre specie e quindi la sua c o n c e n t r a z i o n e s i p u ò considerare costante Costante di acidità K a [ H O ][ A ] 3 [ HA] Tanto più ka è alta tanto più l equilibrio è spostato a destra, tanto più l acido è forte
HCl H 2 O Cl - H 3 O Ka molto grande Acido forte HNO 2 H 2 O NO 2 - H 3 O Ka5,1x10-4 Acido debole
B H 2 O BH OH - K eq [HB ][OH ] [B][H 2 O] K eq [ H O] 2 [ HB ][ OH [ B] ] Costante di basicità [ HB ][ OH Kb [ B] ] costante
ACIDI FORTI O BASI FORTI l equilibrio è completamente spostato a destra; l acido o la base sono completamente dissociati HA H 2 O A - H 3 O B H 2 O BH OH - ACIDI DEBOLI O BASI DEBOLI Ka o Kb << 1 l equilibrio è a favore della forma indissociata HA H 2 O A - H 3 O B H 2 O BH OH -
Ka e kb in soluzione acquosa
AUTOIONIZZAZIONE DELL ACQUA A1 B2 H 2 O H 2 O H 3 O OH - B1 A1 K eq [ H O ][ OH 3 2 [ H O] 2 K c [ H O] [ H 3 O ][ OH 2 2 ] ] H 2 O è in eccesso rispetto alle specie ioniche presenti; la sua [] si considera costante costante 25 C Kw [ H O ][ OH 3 Kw1x10-14 ] Prodotto ionico dell acqua
Il PRODOTTO IONICO DELL ACQUA (Kw) è una costante di equilibrio. dipende solo dalla temperatura (è costante a T costante) il valore del prodotto ionico aumenta con la temperatura in quanto la reazione di autoionizzazione dell acqua è una reazione endotermica non varia per aggiunta alla soluzione di qualsiasi altra specie chimica (acidi, basi, sali o altro).
acqua pura è neutra Kw [H O ][OH ] 10-14 3 [H 3 O ][OH - ]1x10-7 Quando all acqua pura a 25 C si aggiunge un acido si avrà: [H 3 O ] > 10-7 M e di conseguenza [OH-] < 10-7 M Soluzione acida Quando all acqua pura a 25 C si aggiunge una base si avrà: [OH-] > 10-7 M e [H 3 O ] < 10-7 M Soluzione basica
ph-log [H 3 O ] Logaritmo negativo in base 10 della concentrazione di H 3 O Soluzione neutra [H 3 O ]1x10-7 ph 7 Soluzione acida [H 3 O ]>1x10-7 ph < 7 Soluzione basica [H 3 O ]< 1x10-7 ph > 7
ph 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [H ] 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14
Soluzione di un acido forte Calcolo del ph HA H 2 O A - H 3 O ph-log c a Soluzione di una base forte B H 2 O BH OH - poh-log c B phpoh14 ph14 - poh
Esercizio 1 Calcolare il ph di una soluzione preparata diluendo con H 2 O 5 ml di HCl (PM36,5) al 20% (m/m) con densità 1,1 gml -1 a 250 ml. V5mL 20% d1,1 g/ml massa soluzione dm/v mdv m1,1(g/ml) x5(ml)5,5g massa soluto 20:100x:5,5 x1,1g Molarità M moli soluto V(L) soluzione n1,1/36,50,03 moli 0, 03 M 0, 25 0, 12mol /L ph-log c a ph-log 1,2x10-1 -0,0810,92
Esercizio 2 Calcolare il ph di una soluzione preparata mescolando 10 ml di NaOH 0.4 M con 150 ml di HBr 0.0041 M. moli NaOH moli HBr moli M V 0,40 (mol/l)x0,01(l) 0, 004mol moli M V 0,0041 (mol/l) 0,150(L) 0, 000615mol NaOH HBr NaBr H2O 0,000615 moli HBr reagiscono con 0,000615 moli di HBr moli NaOH in eccesso 0, 004 0, 000615 0, 0034 M n /V 0, 0034moli / (0,15 0, 01)L 0, 021mol / L 2 poh Log0, 021 log 2, 1 Log10 0, 32 2 1, 68 ph 14 poh 12, 32
Calcolo del ph di una soluzione di un acido debole HA H 2 O A - H 3 O K a [ H O ][ A ] 3 [ HA] HA A - H 3 O Conc. iniziali Conc. eq C a 0 0 C a -x x x K a x 2 ( Ca x)
Esercizio 3 Calcolare il ph di una soluzione di acido acetico 0,01 M (ka1,8x10-5 ) CH 3 COOH H 2 O CH 3 COO - H 3 O Conc. iniziali Conc. eq CH 3 COOH CH 3 COO - H 3 O 0,01 0 0 0,01-x x x a) x trascurabile K a 2 x K a x 2 ( 0,01 x) x 1,8 10 0,01 ph Log 4,24 10 5 4 0,01 3.37 4,24 10 4
K a b) x non trascurabile x x 2 Ka ± ph K x 0,01 Ka a 2 Ka 2 x 2 ( 0,01 x) 4Ka 0,01 Solo la soluzione positiva ha significato fisico x 1,8 10 5 Log 0 ( 1,8 10 5 ) 2 4 1,8 10 5 0, 01 x H 2 4,15 10 [ ] 4 4,15 10 4 x ax 2 3.38 bx c b ± 0 b 2 4ac 2a
Esercizio 4 Calcolare il ph di una soluzione di un acido HA con concentrazione 0,01 M (Ka1,23x10-2 ) HA H 2 O A - H 3 O K a [ H O ][ A ] 3 [ HA] HA A - H 3 O Conc. iniziali Conc. eq 0,01 0 0 0,01-x x x 2 [x][x] 1,23x10 2 [10 x]
2 [x][x] 1,23x10 2 [10 x] a) x trascurabile rispetto a Ca x 1,23x10 2 10 2 1,11x10 2 ph Log1,11x10 2 1,96 x b) x non è trascurabile rispetto a Ca 2 1,23x10 2 x 1,23x10 4 0 6,5x10-3 x 1,23x10 2 ± 1,51x10 2 4 4,92 10 4 negativo ph Log6,5 10 3 2,19
Acido acetico, Ka 1.8 10-5 M ph con appros ph senza appros. errore % 0.1 2,87 2,87 0 0.01 3,37 3,38-0,3 0.001 3,87 3,90-0,7 Acido HA, Ka 1.23 10-2 M ph con appros ph senza appros. errore % 0.1 1.45 1.53-5 0.01 1.96 2.19-10 0.001 2.45 3.03-19
In generale se le soluzioni non sono molto diluite (ca >10-3 M) e gli acidi sono abbastanza deboli Ka<10-4 è possibile trascurare la frazione di acido che si dissocia rispetto alla concentrazione iniziale di acido Se X / Cax100 < 5 L approssimazione è valida [ ] H Log ca Ka ph Log
Calcolo del ph di una soluzione di una base debole Determinare il ph di una soluzione costituita da NH 3 con Kb 1.8x10-5 di concentrazione 0.55 M. NH 3 H 2 O NH 4 HO - [OH ][NH K b [NH ] moli inizio Consumate/prodotte -x equilibrio Trascuro x 5 1, 85 10 NH 3 NH 4 OH - 0,55 0 0 x x 0,55-x x x 2 x 0, 55 5 3 X 1, 85 10 0, 55 319, 10 3 4 ] poh-log3,19x10-3 2,50 ph14-poh11,50
Calcolo del ph di una soluzione di acidi e basi poliprotici Ka1 Ka2 Ka3 Acido solforico (H 2 SO 4 ) forte 1,2x10-2 Acido solforoso (H 2 SO 3 ) 1,5x10-2 1,2x10-7 Acido fosforoso (H 3 PO 3 ) 1,0x10-2 2,6x10-7 Acido fosforico (H 3 PO 4 ) 7,6x10-3 6,2x10-8 2,1x10-13 Acido carbonico (H 2 CO 3 ) 4,3x10-7 5,6x10-11 K a K a 4,3 10 H 2 CO 3 H 2 O HCO - 3 H 3 O 7 5,6 10 HCO - 3 H 2 O CO 2-3 H 3 O 11 Entrambe le dissociazioni sono deboli e per calcolare il ph si considera solo la prima dissociazione.
Idrolisi salina I sali, indipendentemente dalla loro origine, si dissociano totalmente in acqua: NaCl(s) Na (aq) Cl - (aq) CH 3 COONa(s) CH 3 COO - (aq) Na (aq) NH 4 Cl (s) NH 4 (aq) Cl - (aq) CH 3 COONH 4 (s) CH 3 COO - (aq) NH 4 (aq) Se uno ione reagisce con H 2 O può dare delle reazioni chimiche che influenzano il ph della soluzione. Gli ioni che non reagiscono con H 2 O e che quindi non modificano il ph della soluzione sono detti spettatori.
1- Sali formati da un acido forte e una base forte NaCl Na Cl - Cl - H 2 O HCl OH - Reazione completamente spostata a sinistra Lo ione Na non ha alcune tendenza a reagire con H 2 O Un sale formato da un acido ed una base forti non danno reazione di idrolisi. Le soluzioni di questi Sali danno reazione neutra
2-Sali formati da un acido debole e una base forte CH 3 COONa CH 3 COO - Na CH 3 COO - H 2 O CH 3 COOH OH - Ki [CH COO ][OH 3 ] [CH COOH] 3 Reazione basica Ki [CH 3COO ][OH ][H3O [CH COOH] [H3O ] 3 ] ka Kw Kw Ki Ka [OH ] Ki [CH COO 3 ] Kw Ka [CH COO 3 ]
3-Sali formati da un acido forte e una base debole NH 4 Cl NH 4 Cl - NH 4 H 2 O NH 3 H 3 0 Reazione acida [H O 3 ][NH Ki [NH ] 4 3 ] Kw Ki Kb [H O ] 3 Ki [NH 4 ] Kw Kb [NH 4 ]
4-Sali formati da un acido debole e una base debole In generale un sale di questo tipo si idrolizza e la soluzione sarà acida, basica o neutra a seconda della forza dell acido in confronto con quella della base [H 3 O ] Ka kw Kb Ka Kb soluzione neutra Ka > Kb soluzione acida Ka < Kb soluzione basica
Esercizio 7 Calcolare il ph di una soluzione ottenuta sciogliendo 6,8 g di NH 4 Cl (PM53,50) in acqua fino ad un volume di 260mL. La costante di dissociazione dell ammoniaca è K b 1,8x10-5 NH 4 Cl NH 4 Cl - NH 4 H 2 O NH 3 H 3 O Idrolisi acida [H O ] 3 Ki [NH 4 ] Kw Kb [NH 4 ] Concentrazione sale moli n6,8/53,500,13 M0,13/0,2600,5 mol/l 14 10 5 0, 5 1, 66x 5 [H3O ] 10 1, 8x10 ph Log1,66x10 5 4,78
Esercizio 8 Quale volume di NH 3 (PM17,03) al 20,49%(m/m) con d0,924g/ml occorre per salificare completamente 50mL di HCl (PM36,46) al 10,17% (m/m) con d1,05 g/ml. Calcolare inoltre il ph della soluzione sapendo che la costante di dissociazione dell ammoniaca è K b 1,8x10-5 HCl massa soluzione dm/v NH 3 HCl NH 4 Cl mdv m1,05(g/ml) x 50(mL)52,5g massa soluto 10,17:100x:52,5 x5,3g 5,3 n 36,46 0,146mol NH 3 moli NH 3 moli HCl massa soluto ng/pm m0,146 x 17,032,49g massa soluzione 20,49:1002,49:x x12,17 g volume soluzione dm/v Vm/d V12,17/0,92413,17mL
NH 4 Cl NH 4 Cl - NH 4 H 2 O NH 3 H 3 0 Kw [ H O 3 ] Ki Cs Cs Kb Concentrazione sale n0,146 V50mL13,17mL63,17 ml 0, 146 M 2, 31mol /L 0, 063 14 10 4 2, 31 0, 35x 5 [H3O ] 10 1, 8 10 4 4 ph Log0, 35x10 Log10 Log0, 35 4, 45
Esercizio 9 Calcolare il ph di una soluzione preparata sciogliendo 2,0 g di fosfato monoacido di potassio in 160 ml di H 2 O. (H 3 PO 4 Ka 1 7,6 x10-3 Ka 2 6,2 x10-8 Ka 3 2,1 x10-13 ) K 2 HPO 4 HPO 4 2-2K HPO 4 2- H 2 O H 2 PO 4 - OH - KiKw/Ka 2 0,15x10-6 Reazione basica HPO 4 2- H 2 O PO 4 3- H 3 O Ka 2,1 x10-13 Il contributo della seconda dissociazione al ph sarà trascurabile. [OH ] Kw Ka 2 Cs
Conc. sale n 2/174,170,011 mol 0, 011 M 0, 072mol /L 0, 16 [OH ] 14 10 6,2x10 8 x0,072 0,11x10 3 poh Log0,11x10 3 3,96 ph 14 poh 14 3, 96 10, 04
Soluzioni tampone Una soluzione tampone è una soluzione acquosa il cui ph non è apprezzabilmente modificato dall aggiunta di piccole quantità di acido o base. Una soluzione tampone è formata da un acido debole (o da una base debole) in presenza della propria base coniugata (o del proprio acido coniugato) sotto forma di sale in concentrazioni molto simili. I due componenti devono essere presenti in quantità non molto differenti (in rapporto compreso tra 1/10 e 10/1), se si vuole che la soluzione tampone si dimostri efficace.
Acido acetico CH 3 COOH/CH 3 COONa Acetato di sodio H 3 O CH 3 COOH H 2 O CH 3 COO - H 3 O CH 3 COONa CH 3 COO - Na CH 3 COO - H 2 O CH 3 COOH OH - OH - Piccole aggiunte di H3O o di OH - vengono tamponate rispettivamente dallo ione acetato e dall acido acetico.
ph soluzione tampone Acido debole/sale con base forte ph pka Log Cs Ca Cs conc. iniziale del sale Ca conc. iniziale dell acido Base debole/sale con acido forte poh pk b Log Cs Cb Cs conc. iniziale del sale Cb conc. iniziale della base Equazione di Henderson -Hasselbalch
Una soluzione tampone può svolgere la propria funzione quando i rapporti tra le concentrazioni delle due specie rimangono all interno di un intervallo compreso tra 10:1 e 1:10. Potere tamponante ph pk a ±1 poh pk b ±1 Una soluzione in cui l acido debole e il suo sale sono presenti in concentrazioni uguali, ha il massimo potere tampone: ph pka dell acido debole.
Esercizio 9 Calcolare il ph di soluzione 0,15M CH 3 COOH e 0,25 M CH 3 COONa. Calcolare il ph dopo aver aggiunto a 50mL di tale soluzione 50 ml HClO 4 0,1 M. (CH 3 COOH pka4,74) Tampone acido debole/sale ph pka Log Cs Ca 0,25 ph 4,74 Log 0,15 4,96 HClO 4 H 2 O ClO 4 - H 3 O CH 3 COOH H 2 O CH 3 COO - H 3 O CH 3 COO - H 2 O CH 3 COOH OH -
Moli nel tampone iniziale n M V Moli CH 3 COOH n MxV 0,15x0,05 0, 075 Moli CH 3 COO - n MxV 0,25x0,05 0, 0125 Moli di acido aggiunte Moli HClO 4 n MxV 0,1x0,05 0,005 Moli nel tampone dopo l aggiunta di HClO 4 inizio aggiunta 0,075 0,0125 CH 3 COOH H 2 O CH 3 COO - H 3 O 0,005 equilibrio 0,0750,005 0,0125-0,005 0 Moli CH 3 COOH n 0,075 0,005 0,080 V100mL Moli CH 3 COO - n 0,0125 0,005 0, 0120
ph pka Log Cs Ca ph 4,74 Log 0,120 V 0,08 V ph 4,92
Esercizio 11 Quanti grammi di NH 4 Cl (PM53,50) devono essere aggiunti a 200mL di soluzione di NH 3 0,5M per ottenere un tampone a ph9? NH 3 Kb1,8x10-5 poh pk b Log Cs Cb poh ph 14 poh 14 9 5 5 5 log1,8x10 4, 74 LogCs 5 LogCs 4, 74 5 0, 3 Log Log0, 5 Cs 0,5 0, 04 Cs0,91M moli NH 4 Cl grammi NH 4 Cl n M V g n PM n MxV n 0,91x0,2 0,182 g nxpm 0,182x53,50 9,73g
Esercizio 12 A 5,3 g di acetato di sodio (PM82,03) vengono aggiunti 2 ml di HCl 3M e la soluzione viene portata a 500mL con acqua.. Calcolare il ph della soluzione ottenuta. CH 3 COOH Ka1,8x10-5 CH 3 COONa CH 3 COO - Na moli CH 3 COONa n g PM 5, 3 82, 03 0, 065 moli HCl n M V HClH 2 O Cl - H 3 O n MxV n 3x0,002 0,006 CH 3 COO - H 2 O CH 3 COOH OH - L aggiunta di H 3 O sposta l equilibrio a sinistra moli CH3COOH moli CH3COO- n0,006 n0,065-0,0060,059
ph pka Log Cs Ca ph Log1, 8x10 5 Log 0, 059 0, 006 / / V V ph 4, 74 0, 99 5, 73
Esercizio 13 A 50 ml di una soluzione di NH 4 Cl 0,2 M vengono aggiunti in sequenza 20 e 80 di NaOH 0,1 M. Calcolare il ph iniziale e dopo ogni aggiunta. (Kb1,8x 10-5 ) ph soluzione iniziale NH 4 Cl NH 4 Cl - NH 4 H 2 O NH 3 H 3 0 Kw [ H O 3 ] Ki Cs Cs Kb 10 1, 8x10 14 5 5 [ H3O ] 0, 2 1, 05x10 ph Log1, 05x10 4, 95 5
ph soluzione dopo l aggiunta di 20 ml NaOH 0,1 M moli NH 4 Cl n M V n MxV n 0,2x0,05 0,01 moli NaOH n 0,1x0,02 0,002 NH 4 H 2 O NH 3 H 3 0 L aggiunta di OH- sposta l equilibrio a destra NH 3 NH 4 moli0,002 moli0,01-0,0020,008 V70mL [NH 3 ]0,002/0,070,029 [NH 4 Cl]0,008/0,070.114 poh n pkb Log n NH NH 4 3 / V / V 5 0, 008 poh log1, 8x10 Log 0, 002 5, 34 ph 14 poh 8, 66
ph soluzione dopo l aggiunta di successivi 80 ml NaOH 0,1 M In totale sono stati aggiunti 100mL NaOH moli NaOH moli NH 4 Cl n 0,1x0,1 0,01 n0,01 NH 4 H 2 O NH 3 H 3 0 L aggiunta di OH- sposta l equilibrio a destra Si formano 0,01 moli NH3 e vengono consumate tutte le moli di sale 0,01 poh Kbxcb Cb [NH3] 0,067mol /L 0,15 poh 1,8x10 5 x0,67 Log1,09x10 3 2,96 ph 14 poh 11, 04