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Tanti calcoli di pH...

Elena mi chiede di calcolare il pH di una soluzione contenente 10 g di KCl in 500 mL, il pH dopo l'aggiunta di 0,050 moli di un acido debole HA e il pH dopo l'ulteriore aggiunta di 2,0 g di KOH.
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Elena ha scritto: Buongiorno, avrei bisogno di una spiegazione riguardo questo esercizio sul pH. A 500 mL di una soluzione contenente 10 g di KCl si aggiungono, nell'ordine, 0,050 moli di un acido debole HA (Ka = 1,8·10-5) e poi 2,0 g di KOH. Calcolare il pH della soluzione iniziale, dopo l'aggiunta di HA e dopo l'aggiunta sia di HA che KOH. Spero possa aiutarmi e la ringrazio in anticipo.   Ecco la risposta: La soluzione iniziale contiene gli ioni K+ e Cl- liberati dalla dissociazione del KCl solido; tali ioni non reagiscono di fatto con le molecole di acqua per cui non varia la concentrazione degli ioni H+ e OH- presenti nel solvente acqua. Il pH iniziale è quindi uguale a quello dell’acqua distillata, cioè è 7. Dopo l’aggiunta di 0,05 mol dell’acido debole HA, la soluzione risulta acida dato che, a seguito della seppur parziale ionizzazione dell’acido debole, aumenta in soluzione la concentrazione degli ioni H+. Per determinarne il valore, si può utilizzare in prima approssimazione la relazione [H+]2 = Ka·Ca, dove Ca indica la concentrazione iniziale, espressa in mol/L, dell’acido debole HA. Più in dettaglio:

HA(aq) = H+(aq) + A-(aq)

Ca = n/V = 0,050 mol/0,500 L = 0,10 mol/L

[H+]2 = Ka·Ca = 1,8·10-5 × 0,10 = 1,8·10-6

[H+] = 1,3·10-3 mol/L

pH = -log [H+] = -log 1,3·10-3 = 2,87

Quando si aggiunge alla soluzione KOH solido, che è una base forte, avviene la reazione acido-base

KOH(aq) + HA(aq)   KA(aq) +  H2O(l)

che porta alla formazione di acqua e del sale KA, completamente dissociato in ioni K+(aq) e A-(aq). Per stabilire il pH di questa soluzione è necessario sapere se acido e base sono in quantità stechiometrica o se uno dei due è in eccesso; bisogna quindi calcolare la quantità in moli della base KOH:

n KOH = m/mmolare = 2,0 g/56,1056 g/mol = 0,036 mol

Poiché in soluzione ci sono 0,05 mol di acido HA, esso è in eccesso; di conseguenza, quando tutta la base KOH ha reagito, la reazione acido-base si arresta. A fine reazione, pertanto, sono contemporaneamente presenti in soluzione il sale KA (K+(aq) e A-(aq)) e l’eccesso dell’acido debole HA; poiché le loro quantità sono dello stesso ordine di grandezza, si è formata una soluzione tampone che ha pH minore di 7 a causa dell’eccesso di acido. Per calcolare la concentrazione degli ioni H+ si utilizza la relazione [H+] = Ka·[HA]/[A-] che può essere semplificata in [H+] = Ka · n HA / n A-, essendo HA e A- disciolti nello stesso volume di soluzione. I calcoli sono questi:

n A- = n KA = n KOH = 0,036 mol

n HA che reagiscono = n KOH = 0,036 mol

n HA in eccesso = n HA iniziali - n HA che reagiscono = (0,050 – 0,036) mol = 0,014 mol

[H+] = Ka · n HA / n A- = 1,8·10-5 × 0,014/0,036 = 7,1·10-7 mol/L

pH = -log 7,1·10-7 = 5,15

In conclusione, il pH iniziale della soluzione è 7, dopo l’aggiunta di HA è 2,87 e dopo l’ulteriore aggiunta di KOH è 5,15.

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