Sezione pH - Elenco problemi | |
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Il pH | Problemi di base | Dal pH di un acido debole monoprotico alla molarità |
Calcolare la molarità di (350 ml) di una soluzione a pH = 3,50 di CH3COOH (Ka=1,8•10-5). |
Il problema ha un duale in ambito basico.
La schematizzazione di questo problema di base sul pH è la seguente
Schema | |
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Dati INPUT | pH |
INPUT extra | Ka |
OUTPUT | Molarità Ca dell'acido monoprotico debole |
Si noti come al fine di risolvere il problema non ha alcuna importanza sapere il volume della soluzione acquosa in esame.
SOLUZIONE
L'acido acetico è un acido monoprotico debole. Da un punto di vista generale la tabellina d'equilibrio di un qualsiasi acido monoprotico debole HA presente da solo in soluzione acquosa con concentrazione molare Ca sufficientemente concentrato, di modo che si possa trascurare l'autoprotolisi dell'acqua, è:
HA | + | H2O | <=> | A- | + | H3O+ |
Ca | // | // | ||||
-x | x | x | ||||
Ca-x | x | x |
Si è preferito far figurare la più corretta specie H3O+ rispetto ad H+, di fatto un protone libero, che non rispecchia la realtà delle cose in soluzione, ma che tuttavia è molto spesso utilizzata nei problemi sul pH per semplicità di notazione. Si ricorda inoltre che le costanti Ka caratterisitiche dei vari acidi deboli si trovano tabulate in letteratura (nel libro di testo, nell'eserciziario, ma ce le si può agevolmente procurare anche dal web) il che equivale a dire che la Ka non è rigorosamente necessiario che si fornita assieme al testo del problema, sebbene per comodità sia spesso direttamente fornita, come fatto qui.
Avendo nella terza riga la situazione del sistema all'equilibrio, si ricava l'equazione risolvente per questo problema fondamentale sul pH. Si tratta di una equazione numerica fratta nell'incognita Ca:
x2 | |
Ka = | --------- |
Ca-x |
Nel caso del problema assunto come esempio e sotto l'ipotesi di poter trascurare l'autoprotolisi dell'acqua, la tabellina dell'equilibrio diviene:
CH3COOH | + | H2O | <=> | CH3COO- | + | H3O+ |
Ca | // | // | ||||
-x | x | x | ||||
Ca-x | x | x |
Il valore della [H3O+], pari a x, è nota dalla conoscenza del pH; basta infatti passare dal pH alla [H3O+] applicando la formula inversa derivante dalla definizione di pH (vedi questo problema elementare sul pH). Al fine di velocizzare il calcolo si può risolvere un'equazione semplificata sotto l'ipotesi (da verificare a posteriori!) che x << Ca, ossia supponendo che la concentrazione dell'acido sia molto più grande, almeno un ordine di grandezza, della concentrazione finale degli ioni H3O+. A conti fatti l'errore che si commette è trascurabile (di fatto sulla terza o al più di 1 o 2 centesimi di punto di pH). Di conseguenza si procede a risolvere l'equazione semplificata
x2 | |
Ka = | --------- |
Ca |
dalla quale si ricava l'equazione
Ca = [H3O+]2/Ka |
Per il problema assunto come esempio si ottiene:
[H3O+] = 10-pH = 10-3,50 = 3,162•10-4 M
e in fine
Ca = (3,162•10-4)2/1,8•10-5 = 0,0056M
Si noti come sia soddisfatta l'ipotesi semplificativa. Ovviamente se tale ipotesi non dovesse risultare vera, non resta che risolvere l'equazione numerica fratta completa.