Soluzioni tampone

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Mariù

2015-11-05 18:14

Calcolare il pH di una soluzione costituita da 0,0500 M in NaHSO4 e 0.0400 M in Na2SO4 (ka2=1.2*10-2)

Risolvendo, esce un'equazione di II grado, ma il delta a me viene negativo.

E' impostata correttamente?

1,2*10-2 = (0,0400+x)*x/(0,0500-x)

LuiCap

2015-11-06 00:36

Dal titolo che hai dato alla discussione hai già capito che si tratta di una soluzione tampone costituita dall'acido debole HSO4- e dalla sua base coniugata SO42-.

Nel testo non è scritto ma è sottinteso che si devono mescolare volumi uguali delle due soluzioni.

Ammettiamo di mescolare:

500 mL SO42- 0,0400 M + 500 mL HSO4- 0,0500 M = 1000 mL di soluzione tampone

L'equilibrio da prendere in considerazione è:

HSO4- <==> H+ + SO42-

Calcoliamo la concentrazione di SO42- in 1000 mL di soluzione tampone:

0,0400 mol/L · 0,500 L = x · 1,00 L

x = [SO42-] = 0,0200 mol/L

Calcoliamo la concentrazione di HSO4- in 1000 mL di soluzione tampone:

0,0500 mol/L · 0,500 L = x · 1,00 L

x = [HSO4-] = 0,0250 mol/L

I termini dell'equazione all'equilibrio saranno:

[H+] = x mol/L

[SO42-] = (0,0200+x) mol/L

[HSO4-] = (0,0250-x) mol/L

Impostiamo l'equazione di Henderson-Hasselbalch:

Ka2 = [H+]·[SO42-]/[HSO4-]

0,0120 = x·(0,0200+x) / (0,0250-x)

e risolviamo l'equazione di 2° grado:

x = [H+] = 7,58·10^-3 mol/L

da cui

pH = -log 7,58·10^-3 = 2,12

Ovviamente se cambiano i volumi mescolati delle due soluzioni cambierà anche il pH finale

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Mariù

2015-11-06 06:31

Grazie come sempre Luisa. Ma il volume non è indicato dal problema, non posso pensare che le concentrazioni espresse facciano riferimento ad 1 litro di soluzione ed indicare quelle nella risoluzione?

LuiCap

2015-11-06 09:08

Le concentrazioni fornite sono delle molarità, quindi sono sempre riferite a 1 L e le due soluzioni sono in due recipienti separati.

La caratteristica di una soluzione tampone sta proprio nel fatto che l'acido debole e la sua base coniugata stanno dentro allo stesso recipiente il cui volume totale è la somma dei volumi delle due soluzioni mescolate, perciò la molarità di entrambe le soluzioni cambia.

Dato che il volume finale è lo stesso, nel rapporto Ca/Cb si possono usare anche le moli delle due specie al posto delle nuove molarità perché nel rapporto il volume totale si semplifica.

Mariù

2015-11-09 09:51

È giusto il pH dopo l'aggiunta di HCl?

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LuiCap

2015-11-09 11:29

Le molarità finali di H3PO4 e H2PO4- sono sbagliate perché il volume finale è 100 mL e non 50.

Ti torno però a dire che questo passaggio è inutile, perché il rapporto Ca/Cb può essere calcolato anche con le moli.

Ovviamente con entrambi i metodi il risultato finale deve essere lo stesso.

[H3PO4] = 4,0·10^-3 mol / 0,100 L = 4,0·10^-2 mol/L

[H2PO4-] = 6,0·10^-3 mol / 0,100 L = 6,0·10^-2 mol/L

Calcolo pH con le molarità

[H+] = 6,9·10^-3 x 6,0·10^-2 / 4,0·10^-2 = 1,0·10^-2 mol/L (1,0350·10^-2)

pH = 2,0 (1,9851)

Calcolo pH con le moli

[H+] = 6,9·10^-3 x 6,0·10^-3 / 4,0·10^-3 = 1,0·10^-2 mol/L (1,0350·10^-2)

pH = 2,0 (1,9851)

Mariù

2015-11-09 18:45

Non hai usato l'equazione di Handerson-Hasselback?

LuiCap

2015-11-09 22:13

Certo che ho usato l'equazione di Henderson-Hasselbalch solo che, nella fretta, ho sbagliato a ricavare [H+], scusami:

Ka1 = [H+] [H2PO4-] / [H3PO4]

6,9·10^-3 = [H+] · 6,0·10^-3 / 4,0·10^-3

da cui

[H+] = 6,9·10^-3 x 4,0·10^-3 / 6,0·10^-3 = 4,6·10^-3 mol/L

pH = 2,3 (2,3372)

Mariù

2015-11-10 07:06

Pensavo di ritrovarmi in un caso del genere, per questo ho risolto seguendo quel prototipo (sono le slide del mio prof)

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LuiCap

2015-11-10 08:41

Sono due tipologie diverse di esercizio:

a) una soluzione del solo ione anfiprotico a cui si aggiunge H+in difetto, quindi si forma il tampone H2PO4-/H3PO4;

b) hai già una soluzione tampone NH4+/NH3 avente un determinato pH iniziale, a cui si aggiunge una base forte per verificare come cambia il pH.

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Mariù

2015-11-10 16:52

Calcolate quanti grammi di NaOH bisogna aggiungere a 75 ml di H2SO4 1M per ottenere un tampone che abbia pH=1,920. La Ka2 di H2SO4=1,20*10^-2

Devo considerare il tampone HSO4-/SO4--

Mi trovo il numero di moli di H2SO4 = 0,075

Dopodichè considero i due equilibri:

H2SO4 + NaOH-----NaHSO4 + H20

NaHSO4 + NaOH-----Na2SO4 + H20

E mi sono persa...

Beefcotto87

2015-11-10 16:55

Un po' più di gentilezza? ;-) Un per favore, ecc...?

Mariù

2015-11-10 17:16

Si scusami, era il titolo della traccia, non voleva essere un imperativo o altro, mi scuso. Ovviamente, sempre e comunque per favore e grazie per il supporto.

Sono fusa!

LuiCap

2015-11-10 20:23

HSO4- <==> H+ + SO42-

Ka = [H+][SO42-/[HSO4-]

Ka/[H+] = [SO42-]/[HSO4-] = 1,20·10^-2 / 10^-1,920 = 0,998

Quindi nel tampone che dobbiamo ottenere il rapporto Cb/Ca deve valere 0,998

Quello che si deve calcolare è la massa di NaOH, cioè di ioni OH-, necessaria per arrivare a tale situazione partendo da 75 mL di H2SO4 1 M.

La prima reazione di neutralizzazione che deve avvenire è tra H2SO4 e OH-, nella quale tutto l'acido deve essere trasformato nella sua base coniugata HSO4-:

H2SO4 + OH- --> HSO4- + H2O

n H2SO4 = n OH- = 7,5·10^-2 mol

m NaOH = 7,5·10^-2 mol x 40 g/mol = 3,0 g NaOH

Successivamente altri ioni OH- devono neutralizzare solo una parte di HSO4- per arrivare al rapporto [SO42-]/[HSO4-] = 0,998

La seconda reazione sarà:

HSO4- + OH- --> SO42- + H2O

Chiamiamo x queste ulteriori moli di OH- che dobbiamo aggiungere e che, a fine reazione, reagiranno completamente; a fine reazione perciò avremo:

[OH-] = 0 mol/L

[SO42-] = x mol/L

[HSO4-] = (1-x) mol/L

Inserendo questi valori nell'equazione di Henderson-Hasselbalch avremo:

[SO42-]/[HSO4-] = x/(1-x) = 0,998

Risolvendo, abbiamo: x = [OH-] = [NaOH] = 0,499 mol/L

perciò in 75 mL di soluzione tampone abbiamo 0,499 mol/L x 0,075 L = 3,7·10^-2 mol

corrispondenti a:

m NaOH = 3,7·10^-2 mol x 40 g/mol = 1,5 g NaOH

La massa totale di NaOH da addizionare a 75 mL di H2SO4 1 M sara dunque:

(3,0 + 1,5) = 4,5 g NaOH

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Mariù

2015-11-10 20:58

Grazie Luisa, i ringraziamenti non sono mai abbastanza per te. Mi stai aiutando a comprendere molte cose, anche se ho ancora molta strada da fare. Più studio, più mi sembra di non sapere nulla, gli equilibri chimici mi sono ancora molto ostili e non ho padronanza dell'argomento. Spero di farcela, prima o poi. Grazie per i tuoi insegnamenti e per il contributo che dai a questo forum.

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LuiCap

2015-11-10 21:19

Il problema più difficile da capire quando abbiamo a che fare con un acido debole (o con una base debole) non è applicare una formula che è sempre la stessa, ovvero l'equazione di Henderson-Hasselbalch che altro non è che una rielaborazione dell'equilibrio chimico di un acido debole (o di una base debole), ma capire in quale situazione ci si trova.

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Mariù

2015-11-11 13:51

Ho fatto bene fin qui o ho sbagliato? Grazie!


Questa è la mia impostazione. Ho le idee super confuse, è inutile.

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LuiCap

2015-11-11 14:43

Una soluzione tampone può essere preparata in due modi:

a) parziale neutralizzazione dell'acido debole (o della base debole) con ioni OH- (o ioni H+)

b) mescolamento di una determinata quantità di un acido debole (o di una base debole) con una determinata quantità della sua base coniugata (o del suo acido coniugato.

L'esercizio sul tampone HSO4-/SO42- precedente a questo era del tipo a).

Questo è del tipo b)

L'equilibrio da prendere in considerazione è sempre lo stesso:

HSO4- <==> H+ + SO42-

Ka = [H+][SO42-/[HSO4-]

Ka/[H+] = [SO42-]/[HSO4-] = 1,20·10^-2 / 10^-1,875 = 0,900

Quindi nel tampone che dobbiamo ottenere il rapporto Cb/Ca deve valere 0,900.

Il testo dice che il tampone da preparare deve essere 0,2 M; questo significa che:

[SO42-] + [HSO4-] = 0,2 mol/L

da cui:

[SO42-] = 0,2 - [HSO4-]

Mettendo a sistema quest'ultima equazione con

[SO42-]/[HSO4-] = 0,900

si ricava:

[HSO4-] = 0,105 mol/L

[SO42-] = 0,0947 mol/L

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Mariù

2015-11-11 14:51

Quindi vagamente, ma molto vagamente è giusto? Anche se non è completamente risolto.

Cioè, senza svolgere il sistema, dopo aver trovato [SO4 --] = 0,094, e facendo la differenza, 0,2-0,094 va bene ugualmente?

LuiCap

2015-11-11 15:31

Diciamo vagamente di sì.

Il testo però non dice che in laboratorio c'è a disposizione H2SO4 e NaOH, ma Na2SO4 e NaHSO4.

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Mariù

2015-11-12 11:29

Io non ce la faccio, non ci arrivo, è inutile, maledette soluzioni tampone e maledetti equilibri.

Calcolare le concentrazioni di CH3COOH e CH3COONa che devono essere presenti in 200 ml di soluzione il cui pH è 4,90 e non varia più di 0,15 unità per effetto dell'aggiunta di 5 ml NaOH 0,001 M (pKa =4,35)

Grazie mille, come sempre.

LuiCap

2015-11-12 13:26

Non partire angosciata, altrimenti con cavi un ragno da un buco ;-)

Sei riuscita a seguire le lezioni, oppure studi da sola sulle sue slide e/o su un libro di testo?

Quando si seguono le lezioni sarebbe molto importante riuscire a scrivere nei propri appunti non solo quello che scrive il prof alla lavagna (sempre che lo faccia, non posso saperlo), ma soprattutto quello che dice fra un passaggio e l'altro.

In questo modo, quando a casa si va a studiare non ci sono solo i passaggi matematici, ma il ragionamento sequenziale che ci sta dietro.

L'ho ripetuto per anni ai miei studenti, soprattutto a quelli che facevano più fatica nella risoluzione degli esercizi.

Ecco la risoluzione dell'esercizio, questa volta l'ho scritto a mano:

tampone HA_A-.jpg
tampone HA_A-.jpg
tampone HA_A- 2.jpg
tampone HA_A- 2.jpg

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Mariù

2015-11-12 13:50

Sei stata cordialissima, ho comunque difficoltà a capire. Sto seguendo le lezioni, in realtà il 23 ho un esonero, e sto provando a svolgere esercizi dati in passato dal professore, ma lui quest'anno non ha proprio accennato alla risoluzione di esercizi del genere, quindi spero proprio non capitino.

Forse a svolgere tutto mi sto solo confondendo.

LuiCap

2015-11-12 14:13

Cambia poco, ma gli errori di calcolo sono sempre in agguato.

Ti rimetto il secondo foglio con i valori corretti... spero O:-)

tampone HA_A- 3.jpg
tampone HA_A- 3.jpg

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Mariù

2015-11-19 17:19

Ciaoo! I risultati del libro mi stanno facendo impazzire. Vi illustro questa soluzione tampone, penso che il procedimento sia giusto, ma il risultato non torna.

Che volume di HCl 0,200 M bisogna aggiungere a 500 ml di una soluzione di mandelato di sodio 0,300 M per produrre una soluzione tampone che abbia pH 3,37?

Grazie, come sempre!


Ecco la risoluzione!

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LuiCap

2015-11-19 18:51

Il procedimento è corretto, hai solo sbagliato i calcoli.

Cerca di non impostare delle equazioni troppo complesse, piuttosto spezzale!!!

Chiamiamo x le moli di HCl da aggiungere.

Perciò:

[H+] = Ka x [A-]/[HA]

[H+]/Ka = [A-]/[HA] = n A-/n HA = 10^-3,37/4,0·10^-4 = 0,938

n A- = 0,15 - x

n HA = x

0,938 = (0,15 - x) / x

x = n HCl = 0,0774 mol

V HCl = n/M = 0,0774 mol/0,200 mol/L = 0,387 L = 387 mL

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Mariù

2015-11-19 19:31

È corretto? Per stasera ho finito! 

Grazie come sempre!   :-P

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LuiCap

2015-11-19 20:40

Qualcosa non mi torna...

Quale è la concentrazione iniziale di H2PO4- che ti viene fornita nel testo dell'esercizio?

Mariù

2015-11-19 20:55

Sì scusami. Devo calcolare il pH che ottengo miscelando 50 ml di NaH2PO4 0,200 M con 50 ml di NaOh 0,120 M.

LuiCap

2015-11-19 21:03

Ok, adesso ci siamo, la risoluzione è corretta ;-)

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Mariù

2015-11-20 15:30

Ciao! Avete per caso uno schemino, una tabella riassuntiva sulle soluzioni tampone e il calcolo del pH? Che riassuma diciamo le varie "casistiche".

Sono troppo confusa, e il mio esonero di chimica analitica è alle porte :-(

Grazie, a presto!

LuiCap

2015-11-20 20:50

Come ti ho già scritto a pag 2 di questa discussione, una soluzione tampone può essere preparata:

1) Mescolamento di una determinata quantità di un acido debole (o di una base debole) con una determinata quantità della sua base coniugata (o del suo acido coniugato

HA (o B) e la sua base coniugata (o il suo acido coniugato) sotto forma di sale contenente l'anione A- (o il catione BH+) devono essere completamente solubili in acqua.

Possono essere entrambi solidi, entrambi in soluzione acquosa a concentrazione nota, oppure uno solido e l'altro in soluzione acquosa.

In questo caso si parte scrivendo l'equilibrio di dissociazione in acqua dell'acido debole (o della base debole):

HA <==> H+ + A-

e si scrive la sua costante di equilibrio:

Ka = [H+][A-]/[HA]

Tenendo presente che:

Ctot = [A-]+[HA]

ci sono quattro grandezze in gioco: una sola può essere incognita, le altre tre devono essere fornite nei dati dell'esercizio:

Ctot = [A-]+[HA]

[A-]/[HA] = n A-/n HA = Ka/[H+]

[H+] = Ka[HA]/[A-]

[A-] = Ka[HA]/[H+]

[HA] = [H+][A-]/[H+]

Nel caso di un tampone costituito da B/BH+ il ragionamento è analogo, ma si utilizza la Kb al posto della Ka e [OH-] al posto di [H+].

2) Parziale neutralizzazione dell'acido debole (o della base debole) con ioni OH- (o ioni H+)

Si parte scrivendo la reazione di neutralizzazione dell'acido debole con la base forte OH- (o della base forte con l'acido forte H+):

HA + OH- --> A- + H2O

Attenzione, questa non è una reazione di equilibrio, ma una reazione completa perché si forma il composto poco dissociato H2O.

Attenzione ancora, la [OH-] non è quella della soluzione finale del tampone, ma OH- è il reagente limitante da aggiungere all'acido HA affinché esso reagisca in modo parziale e formi l'anione A-.

Essendo OH- il reagente limitante, a reazione avvenuta non sarà più presente, ma avrà formato lo stesso numero di moli di A-.

Dopo reazione avremo quindi:

[OH-]finale = 0 mol/L

[A-]finale = n OH- aggiunte/volume totale slz. tampone = x mol/L

[HA]finale = [HA]iniziale - [A-]finale = (Ca - x) mol/L

Dopo avere calcolato il valore numerico di x, entra in gioco l'equilibrio l'equilibrio di dissociazione dell'acido debole HA come nel caso precedentemente visto:

HA <==> H+ + A-

e si scrive la sua costante di equilibrio:

Ka = [H+][A-]/[HA]

Si sostituiscono i valori noti, e si ricava l'incognita richiesta dall'esercizio.

Ovviamente l'acido (o la base) debole può essere polifunzionale, e quindi gli equilibri da considerare possono essere vari.

Occorre però sempre tenere presente che in una soluzione tampone ci deve essere la presenza contemporanea di un acido debole e della sua base coniugata o la presenza di una base debole e del suo acido coniugato.

Esempi tipici:

L'H3PO4 (acido debole trifunzionale) può formare tre tipi di soluzioni tampone:

a) H3PO4/H2PO4- con campo di validità pKa1±1 = 1,2-3,2 unità di pH

b) H2PO4-/HPO42- con campo di validità pKa2±1 = 6,2-8,2 unità di pH

c) HPO42-/PO43- con campo di validità pKa3±1 = 11,3-13,3 unità di pH

Lo ione PO43- (base debole trifunzionale) può formare tre tipi di soluzioni tampone:

a) PO43-/HPO42- con campo di validità pKb1±1 = pKw/pKa3±1 11,3-13,3 unità di pH

b) HPO42-/H2PO4- con campo di validità pKb2±1 = pKw/pKa2±1 6,2-8,2 unità di pH

c) H2PO4-/H3PO4 con campo di validità pKb3±1 = pKw/pKa1±1 1,2-3,2 unità di pH

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