pH e tamponi: esercizi con soluzioni passo passo

Detto anche: calcolo del pH · soluzioni tampone · equazione di Henderson-Hasselbalch

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02468101214acidoneutrobasicopH = ?

Trova il pH pH di una soluzione 0,05 mol/L di NaOH, una base forte, a 25 °C.

c = 0,05 mol/L
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Su cosa ti eserciti

  1. Facileacidi e basi forti
  2. Mediaacidi deboli
  3. Difficiletamponi

Come risolvere gli esercizi di pH e tamponi

  1. Stabilisci se l’acido o la base è forte (completamente dissociato) o debole.
  2. Acido forte: [H⁺] è uguale alla sua concentrazione. Base forte: trova prima [OH⁻].
  3. Acido debole: risolvi Ka = x²/(c − x) per x = [H⁺].
  4. pH = −log[H⁺], e pH + pOH = 14 a 25 °C.

Errori comuni

  • Trattare un acido debole come forte.
  • Dimenticare di convertire il pOH in pH per una base.
  • Usare ln invece di log.

Formule chiave

pH
pH = −log[H⁺]
pOH
pOH = −log[OH⁻], pH + pOH = 14
Acido debole
[H⁺] ≈ √(Ka·c)
Tampone
pH = pKa + log([A⁻]/[HA])
Diluizione
c1V1 = c2V2

Impara pH e tamponi da zero

Prima di questo: Equilibrio chimico

1Che cos’è il pH

Un acido cede ioni idrogeno, H⁺, in acqua. Una base cede ioni idrossido, OH⁻, oppure assorbe H⁺. Il succo di limone è acido, il sapone è basico.

La concentrazione di H⁺ può andare da circa 1 mol/L a 10⁻¹⁴ mol/L. Numeri così sono scomodi, quindi i chimici usano il pH:

pH = −log[H⁺]

Ogni passo di 1 nel pH è un fattore 10 in [H⁺]. Una soluzione con [H⁺] = 0,01 = 10⁻² mol/L ha pH 2.

01234567891011121314H⁺OH⁻
  • pH sotto 7: acido. Più basso è il pH, più H⁺ c’è.
  • pH 7: neutro, come l’acqua pura a 25 °C.
  • pH sopra 7: basico (alcalino).

La stessa idea vale per OH⁻: pOH = −log[OH⁻]. In acqua a 25 °C i due sommati danno sempre 14:

pH + pOH = 14
Autoverifica Qual è il pH di una soluzione con [H⁺] = 0,001 mol/L?
  1. 0,001
  2. 11
  3. 3
  4. −3

Risposta: 3. 0,001 = 10⁻³, e pH = −log(10⁻³) = 3. Dimenticare il segno meno dà −3, e 11 è il pOH, non il pH.

2Acidi e basi forti

Un acido o una base forte si dissocia completamente in acqua. Esempi sono HCl, HNO₃, NaOH e KOH.

Quindi la concentrazione di H⁺ di un acido forte è uguale alla concentrazione dell’acido. HCl 0,01 mol/L dà [H⁺] = 0,01 mol/L e pH 2.

Per una base forte, trova prima [OH⁻], poi il pOH, poi il pH:

  1. [OH⁻] = concentrazione della base × numero di OH⁻ per unità formula. Ba(OH)₂ ne dà due.
  2. pOH = −log[OH⁻].
  3. pH = 14 − pOH.

Esempio: NaOH 0,01 mol/L dà [OH⁻] = 0,01, pOH = 2 e pH = 14 − 2 = 12.

Autoverifica Qual è il pH di una soluzione di NaOH 0,1 mol/L a 25 °C?
  1. 0,1
  2. 13
  3. 1
  4. 7

Risposta: 13. [OH⁻] = 0,1 mol/L, quindi pOH = 1 e pH = 14 − 1 = 13. Dare 1 significa fermarsi al pOH: una base deve avere un pH sopra 7.

3Acidi deboli e tamponi

Un acido debole, come l’acido acetico o HF, si dissocia solo un poco. Forma un equilibrio:

HA ⇌ H⁺ + A⁻ Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]

Ka è la costante acida: più è grande, più l’acido è forte. Spesso si vede pKa = −log Ka.

Se x mol/L di un acido con concentrazione c si dissociano, allora [H⁺] = [A⁻] = x e [HA] = c − x. Quindi Ka = x² / (c − x).

Quando x è piccolo rispetto a c, puoi usare c − x ≈ c:

[H⁺] ≈ √(Ka · c)

Se x risulta più del 5% circa di c, risolvi invece l’equazione di secondo grado x² + Kax − Kac = 0.

Un tampone è una miscela di un acido debole HA e della sua base coniugata A⁻, per esempio dal suo sale di sodio. Mantiene il pH quasi costante quando si aggiunge un po’ di acido o di base. Il suo pH segue l’equazione di Henderson–Hasselbalch:

pH = pKa + log([A⁻] / [HA])

Aggiungere una base forte trasforma parte di HA in A⁻: HA diminuisce e A⁻ aumenta delle moli di base aggiunte.

Autoverifica Un tampone contiene concentrazioni uguali di un acido debole e della sua base coniugata. Il pKa è 4,75. Qual è il pH?
  1. 4,75
  2. 5,75
  3. 7
  4. 9,25

Risposta: 4,75. Con [A⁻] = [HA] il rapporto è 1, e log 1 = 0, quindi pH = pKa = 4,75. Un tampone non è automaticamente neutro.

4Il metodo passo dopo passo

  1. Decidi che cosa hai: un acido forte, una base forte, un acido debole o un tampone (un acido debole insieme al suo sale).
  2. Acido forte: [H⁺] = c. Base forte: [OH⁻] = c × numero di OH⁻, poi pOH e pH = 14 − pOH.
  3. Acido debole: [H⁺] ≈ √(Ka · c). Controlla che x sia meno del 5% di c; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.
  4. Tampone: trova il pKa, poi pH = pKa + log([A⁻]/[HA]). Se si aggiunge acido o base, aggiorna prima le moli di HA e A⁻.
  5. Prendi pH = −log[H⁺] e controlla la risposta: acidi sotto 7, basi sopra 7, un tampone vicino al suo pKa.

5Un esempio svolto

Segui ogni passaggio. Prova a prevedere il successivo prima di aprirlo.

Esempio svolto

Trova il pH di una soluzione 0,2 mol/L di acido benzoico (Ka = 6,3 × 10⁻⁵).

1

Riconosci l’acido

Ka è piccola, quindi l’acido benzoico è un acido debole. Solo una piccola parte si dissocia in H⁺ e A⁻.

2

Imposta l’equilibrio

Con x = [H⁺] = [A⁻] e [HA] = 0,2 − x:

6,3 × 10⁻⁵ = x² / (0,2 − x)
3

Usa l’approssimazione

Supponi che x sia piccolo, quindi 0,2 − x ≈ 0,2.

x ≈ √(6,3 × 10⁻⁵ · 0,2) = √(1,26 × 10⁻⁵) = 0,00355 mol/L
4

Controlla l’approssimazione

0,00355 / 0,2 = 1,8%, che è meno del 5%. L’approssimazione va bene. Risolvendo esattamente l’equazione di secondo grado si ottiene 0,00352 mol/L, quasi lo stesso.

5

Trova il pH

pH = −log(0,00352) = 2,45
01234567891011121314H⁺OH⁻

Il pH è sotto 7, come deve essere per un acido, ma più alto che per 0,2 mol/L di un acido forte (pH 0,70).

Risposta

pH ≈ 2,45

6Errori comuni

  • Dare il pOH quando è richiesto il pH. Per una base, finisci sempre con pH = 14 − pOH.
  • Dimenticare che Ba(OH)₂ e Ca(OH)₂ danno due OH⁻ per unità formula.
  • Trattare un acido debole come forte, in modo che [H⁺] = c.
  • Dimenticare il segno meno in pH = −log[H⁺].
  • Capovolgere il rapporto del tampone: è [A⁻]/[HA], base su acido.
  • Usare la scorciatoia √(Ka·c) quando x è più del 5% di c.
Autoverifica Qual è il pH di una soluzione 0,02 mol/L di Ba(OH)₂, una base forte, a 25 °C?
  1. 1,40
  2. 1,70
  3. 12,30
  4. 12,60

Risposta: 12,60. Ogni Ba(OH)₂ dà due OH⁻, quindi [OH⁻] = 0,04 mol/L, pOH = 1,40 e pH = 12,60. 12,30 dimentica il fattore 2, e 1,40 è il pOH.

7Come sono fatte le domande d’esame

  • Facile: acidi e basi forti. Il pH di una soluzione di HCl, NaOH o Ba(OH)₂.
  • Medio: acidi deboli. Il pH di un acido debole come HF o l’acido benzoico a partire da Ka e dalla concentrazione.
  • Difficile: tamponi. Il pH da Henderson–Hasselbalch, oppure il nuovo pH dopo l’aggiunta di una base forte.

Esempio di domanda difficile: un tampone da 1,00 L con 0,25 mol di HF e 0,10 mol di F⁻ (Ka = 0,00068) riceve 0,05 mol di NaOH. HF diventa 0,20 mol e F⁻ 0,15 mol, quindi pH = 3,17 + log(0,15/0,20) = 3,04.

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Esempi svolti

Esempio 1Facile
02468101214acidoneutrobasicopH = ?

Trova il pH pH di una soluzione 0,5 mol/L di acido cloridrico (HCl), un acido forte.

c = 0,5 mol/L

Calcola pH

Mostra i suggerimenti
  1. Un acido forte si ionizza completamente, quindi [H₃O⁺] è uguale alla concentrazione dell'acido.
  2. pH = −log₁₀[H₃O⁺].
  3. [H₃O⁺] = 0,5 mol/L.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] e pOH = −log₁₀[OH⁻], con pH + pOH = 14 a 25 °C. Acidi e basi forti si ionizzano completamente. Un acido debole solo in parte: Ka = x²/(c − x), dove x = [H₃O⁺]. Un tampone di un acido debole e della sua base coniugata segue Henderson–Hasselbalch: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

pH dalla concentrazione

pH = −log(0,5) = 0,301

Risposta

pH = 0,301
Esempio 2Media
02468101214acidoneutrobasicopH = ?

Trova il pH pH di una soluzione 0,1 mol/L di acido ipocloroso (Ka = 3 × 10⁻⁸).

c = 0,1 mol/LKa = 3 × 10⁻⁸

Calcola pH

Mostra i suggerimenti
  1. Imposta Ka = x²/(c − x), dove x = [H₃O⁺].
  2. Poiché Ka è piccola, x è molto minore di c, quindi x ≈ √(Ka·c) è una buona approssimazione.
  3. √(3 × 10⁻⁸·0,1) = 5,477 × 10⁻⁵.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] e pOH = −log₁₀[OH⁻], con pH + pOH = 14 a 25 °C. Acidi e basi forti si ionizzano completamente. Un acido debole solo in parte: Ka = x²/(c − x), dove x = [H₃O⁺]. Un tampone di un acido debole e della sua base coniugata segue Henderson–Hasselbalch: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Equilibrio

HA ⇌ H⁺ + A⁻: si ionizzano x mol/L di acido.

Ka = x²/(0,1 − x) → x = 5,476 × 10⁻⁵ mol/L

pH

pH = −log(5,476 × 10⁻⁵) = 4,262

Risposta

pH = 4,262
Esempio 3Difficile
02468101214acidoneutrobasicopH = ?

Un tampone da 1,00 L contiene 0,3 mol di acido ipocloroso e 0,2 mol della sua base coniugata (Ka = 3 × 10⁻⁸). Si aggiungono 0,05 mol di NaOH. Trova il nuovo pH pH.

n(HA) = 0,3 moln(A⁻) = 0,2 moln(OH⁻) = 0,05 molKa = 3 × 10⁻⁸

Calcola pH

Mostra i suggerimenti
  1. L'idrossido aggiunto reagisce con l'acido debole: HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O.
  2. Quindi HA diminuisce della quantità aggiunta e A⁻ aumenta della stessa quantità.
  3. n(HA) = 0,25, n(A⁻) = 0,25.
Mostra la risposta e la soluzione passo passo

pH: pH = −log₁₀[H₃O⁺] e pOH = −log₁₀[OH⁻], con pH + pOH = 14 a 25 °C. Acidi e basi forti si ionizzano completamente. Un acido debole solo in parte: Ka = x²/(c − x), dove x = [H₃O⁺]. Un tampone di un acido debole e della sua base coniugata segue Henderson–Hasselbalch: pH = pKa + log([A⁻]/[HA]).

Neutralizzazione

n(HA) = 0,3 − 0,05 = 0,25 mol
n(A⁻) = 0,2 + 0,05 = 0,25 mol

Henderson–Hasselbalch

pH = 7,523 + log(0,25/0,25) = 7,523

Risposta

pH = 7,523

Domande e risposte

pH e tamponi: di cosa si tratta?

Un acido cede ioni idrogeno, H⁺, in acqua. Una base cede ioni idrossido, OH⁻, oppure assorbe H⁺. Il succo di limone è acido, il sapone è basico.

La concentrazione di H⁺ può andare da circa 1 mol/L a 10⁻¹⁴ mol/L. Numeri così sono scomodi, quindi i chimici usano il pH:

pH e tamponi: come si risolvono gli esercizi passo per passo?
  1. Stabilisci se l’acido o la base è forte (completamente dissociato) o debole.
  2. Acido forte: [H⁺] è uguale alla sua concentrazione. Base forte: trova prima [OH⁻].
  3. Acido debole: risolvi Ka = x²/(c − x) per x = [H⁺].
  4. pH = −log[H⁺], e pH + pOH = 14 a 25 °C.
pH e tamponi: quali sono gli errori più comuni?
  • Trattare un acido debole come forte.
  • Dimenticare di convertire il pOH in pH per una base.
  • Usare ln invece di log.
pH e tamponi: che cosa si esercita?
  • Facile: acidi e basi forti
  • Media: acidi deboli
  • Difficile: tamponi

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