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Un esercizio sulle soluzioni tampone

Claudia mi chiede come si calcola la variazione di pH di una soluzione acquosa preparata miscelando 5,0 mL di NaOH 1,0 M con 100 mL di HNO2 0,10 M dopo aver aggiunto 2,0 mL di HCl 0,10 M.
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Claudia ha scritto: Salve professoressa, potrebbe aiutarmi a risolvere questo esercizio? Si calcoli di quanto varia il pH di una soluzione acquosa preparata miscelando 5,0 mL di NaOH 1,0 M con 100 mL di HNO2 0,10 M dopo aver aggiunto 2,0 mL di HCl 0,10 M (Ka HNO2 = 4,5·10-4). La ringrazio.   Ecco l’aiuto: Quando si miscela NaOH con l’acido debole HNO2 avviene una reazione acido-base che porta alla formazione di acqua e del sale NaNO2, che in soluzione è completamente dissociato negli ioni Na+ e NO2-. La base NaOH è però in difetto e non è in grado di neutralizzare tutto l’acido debole; in soluzione è così presente la coppia acido-base coniugata HNO2 / NO2- per cui la soluzione ha proprietà tampone. Il pH di una soluzione tampone si calcola a partire dalla relazione [H+] = Ka · Ca/Cb, dove Ca rappresenta la concentrazione di HNO2 e Cb la concentrazione di NO2-. Al posto di Ca e Cb si possono introdurre i valori della corrispondente quantità in moli in quanto entrambe le specie sono disciolte nello stesso volume complessivo di soluzione. Poiché l’acido nitroso è un acido debole, quando si aggiunge ad una soluzione che lo contiene un certo numero di ioni H+ (provenienti da HCl), il suo equilibrio di ionizzazione

HNO2(aq) =  NO2-(aq) +  H+(aq)

regredisce; il risultato è che gli ioni H+ aggiunti si combinano con un ugual numero di moli di ioni NO2- che scompaiono così dalla soluzione trasformandosi in altrettante moli di HNO2. Conoscendo la quantità in moli di ioni H+ aggiunti, si può quindi calcolare la quantità in moli di ioni NO2- che rimangono in soluzione e quella di acido nitroso che si accumula nello stesso volume di soluzione. Il nuovo valore di pH si ottiene applicando la precedente relazione; facendo la differenza tra i due valori di pH si ottiene la sua variazione. I calcoli in dettaglio sono questi:

prima dell’aggiunta di HCl

HNO2(aq) + NaOH(aq) = H2O(l) +  NO2-(aq) +  Na+(aq)

niniziale HNO2 = M·V = 0,10 mol/L·0,100 L = 0,010 mol

n NaOH = M·V = 1,0 mol/L·0,005 L = 0,0050 mol

n NO2- = n NaOH = 0,0050 mol  

nresidua HNO2 = niniziale HNO2 - n NO2- = (0,010 - 0,0050) mol = 0,0050 mol

[H+] = Ka · na/nb = 4,5·10-4 × 0,0050/0,0050 = 4,5·10-4 mol/L

pH tampone iniziale = -log 4,5·10-4 = 3,35

dopo l’aggiunta di HCl

n HCl = 0,10 mol/L · 2,0·10-3 L = 2,0·10-4 mol = n HNO2 che si forma

n NO2-rimanenti = n NO2- - n HNO2 formato = 5,0·10-3 mol - 2,0·10-4 mol = 4,8·10-3 mol

n HNO2totale = nresiduaHNO2 + n HNO2 formato = 5,0·10-3 mol + 2,0·10-4 mol = 5,2·10-3 mol

[H+] = Ka · na/nb = 4,5·10-4 × 5,2·10-3/4,8·10-3= 4,875·10-4 mol/L

pH tampone finale = -log 4,875·10-4 = 3,31

ΔpH = 3,35 – 3,31 = 0,04

In conclusione, dopo aver aggiunto 2,0 mL di HCl 0,10 M a una soluzione acquosa preparata miscelando 5,0 mL di NaOH 1,0 M con 100 mL di HNO2 0,10 M, il pH varia di 0,04 unità.

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