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Il grado di idrolisi di un sale può variare...

Tommaso mi chiede come si calcola la variazione del grado di idrolisi di una soluzione 2,8·10-1 M di NH4NO3 quando a 0,50 dm3 si aggiungono 30 mL di una soluzione 1,7·10-3 M di HNO3.
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Tommaso ha scritto: Salve professoressa, avrei bisogno del suo aiuto per risolvere questo esercizio. Calcola la variazione del grado di idrolisi di una soluzione 2,8·10-1 M di NH4NO3 quando a 0,50 dm3 si aggiungono 30 mL di una soluzione 1,7·10-3 M di HNO3.   Ecco l’aiuto: Quando un sale si scioglie in acqua, esso dissocia e libera in soluzione gli ioni che lo costituiscono. Tali ioni possono comportarsi da acidi o basi (secondo la definizione di acidi e basi formulata da Brönsted) e reagire con le molecole di acqua. Dalla reazione si liberano ioni H3O+ o OH- che modificano il pH della soluzione.  Nel caso del nitrato di ammonio, NH4NO3, gli ioni NH4+ si comportano da acido debole (Ka NH4+ = Kw/Kb NH3 = 5,59·10-10), ma non debolissimo; essi reagiscono con le molecole di acqua e gli ioni H3O+ che si formano dalla reazione

NH4+(aq)  + H2O(l) = NH3(aq) + H3O+(aq)

sono più che sufficienti a rendere acida la soluzione. Prima di aggiungere acido nitrico alla soluzione, il calcolo del grado di idrolisi risulta semplice; il grado di idrolisi è infatti definito come

grado di idrolisi = [NH4+]che idrolizza / [NH4+]iniziale

Poiché la quantità di NH4+ che idrolizza si trasforma in una pari quantità di NH3, e quest’ultima è uguale alla concentrazione di ioni idrogeno che si formano, per determinarla è sufficiente calcolare [H3O+] a partire dalla relazione, valida per gli acidi deboli, [H3O+]2 = Ka·Ca. Per calcolare il grado di idrolisi nella soluzione risultante dall’aggiunta di acido nitrico, devi tenere presente che per il principio di Le Chatelier, a seguito dell’aumento di concentrazione degli ioni idrogeno, l’equilibrio di idrolisi si sposta a sinistra; ci si deve quindi attendere una diminuzione del valore del grado di idrolisi. Per determinare la concentrazione di ioni ammonio che idrolizzano in questa nuova condizione, è quindi necessario risolvere un classico problema sull’equilibrio chimico. Si calcolano la quantità in moli di ioni ammonio derivanti dalla dissociazione del sale e la quantità in moli di ioni idrogeno aggiunti con l’acido nitrico, si determinano le rispettive concentrazioni a seguito dell’aumento di volume della soluzione, si indica con x mol/L la concentrazione molare di ioni ammonio che idrolizzano e si esprime in funzione di questa incognita la concentrazione all’equilibrio di tutte le specie. Sostituendo tali relazioni nell’espressione della costante di equilibrio, il cui valore corrisponde alla Ka dello ione ammonio, e risolvendo l’equazione che si ottiene, si riesce a determinare il valore dell’incognita.    I calcoli in dettaglio sono questi:
  • idrolisi del sale in acqua

    Ka NH4+ = Kw / Kb NH3 = 1,0·10-14 / 1,8·10-5 = 5,6·10-10       Ca = [NH4+]iniziale = 0,28 mol/L

    [H3O+]2 = Ka · Ca = 5,6·10-10 · 0,28 = 1,56·10-10

    [H3O+] = 1,25·10-5 mol/L = [NH3] = [NH4+]che idrolizza

    grado di idrolisi = [NH4+]che idrolizza / [NH4+]iniziale = 1,25·10-5 mol/L / 0,28 mol/L = 4,5·10-5

     % idrolisi = 4,5·10-5 · 100 = 4,5·10-3 %

  • idrolisi del sale dopo aggiunta dell’acido

    n NH4+ = M·V = 0,28 mol/L · 0,50 L = 0,14 mol

    n H3O+ aggiunti = n HNO3 = M·V = 1,7·10-3 mol/L · 0,030 L = 3,4·10-5 mol

Vtotale = (0,50 + 0,020) L = 0,52 L

[NH4+] = n/V = 0,14 mol / 0,52 L = 0,27 mol/L

[H3O+]aggiunti = n/V = 3,4·10-5 mol / 0,52 L = 6,5·10-4 mol/L

[NH3]eq = x mol/L

[NH4+]eq (dopo idrolisi) = (0,27 – x) mol/L ≡ 0,27 mol/L     

[H3O+]eq (dopo idrolisi) = (6,5·10-4 + x) mol/L ≡ 6,5·10-4 mol/L

Keq = [H3O+]eq · [NH3]eq / [NH4+]eq = Ka NH4+ = 5,6·10-10

6,5·10-4 · x / 0,27 = 5,6·10-10

6,5·10-4 x = 5,6·10-10 · 0,27

x = 2,3·10-7

[NH3]eq = [NH4+]che idrolizza = 2,3·10-7 mol/L

grado di idrolisi = [NH4+]che idrolizza / [NH4+]iniziale = 2,3·10-7 mol/L / 0,27 mol/L = 8,6·10-7

% idrolisi = 8,6·10-7 · 100 = 8,6·10-5 %

Come si era previsto, il grado di idrolisi degli ioni ammonio è diminuito; la quantità che idrolizza è molto piccola, per cui risulta legittima l’approssimazione introdotta nel calcolo quando si è trascurato il termine x come valore additivo o sottrattivo di quantità molto più grandi.       In conclusione, il grado di idrolisi del nitrato di ammonio, che è inizialmente pari a 4,5·10-5, a seguito dell’aggiunta di acido nitrico scende a 8,6·10-7; la variazione del grado di idrolisi è quindi pari a (8,6·10-7 – 4,5·10-5) = -4,4·10-5.    

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