Concentrazioni di acidi e basi

Un acido arrhenius è una sostanza che produce ioni idrogeno quando si dissolve in acqua, mentre una base produce ioni idrossido. Gli ioni idrogeno reagiscono immediatamente con l'acqua per formare ioni idronio, ma per semplicità, continueremo a pensarli come ioni idrogeno. A seconda della quantità di ioni idrogeno o ioni idrossido nella soluzione, è considerato acido o basico.

Misuriamo la quantità di acidità o basicità utilizzando il pH, che viene calcolato come log negativo della concentrazione di ioni idrogeno. Quindi, i valori di pH inferiori a 7 sono acidi e i valori di pH superiori a 7 sono basici. Il pH 7 è neutro.

Gli acidi e le basi vengono anche confrontati in base alla loro forza, che è diversa dal loro pH. La forza di un acido è correlata alla facilità con cui lo ione idrogeno si dissocia dall'anione, chiamato base coniugata. La stessa idea segue per una base in riferimento allo ione idrossido e al suo acido coniugato. Possiamo assegnare un valore a quella forza usando la costante di dissociazione acida, o K_a.

K_a è definito utilizzando le concentrazioni dell'acido non dissociato e degli ioni idrogeno dissociati e della base coniugata. Spesso si può vedere questa relazione rappresentata come pK_a, che è semplicemente il log negativo del K_a. Più piccolo è il pK_a, più forte è l'acido.

Alcuni acidi, come l'acido cloridrico, sono monoprotici, il che significa che possono dissociare un solo ione idrogeno. Gli acidi poliprotici, come l'acido fosforico, possono dissociare diversi ioni idrogeno. Ogni dissociazione ha il suo pK_a.

Quindi, come possiamo determinare pK_a? Un modo è quello di eseguire una titolazione acido-base. La titolazione viene eseguita aggiungendo lentamente una soluzione di concentrazione nota a una soluzione di concentrazione sconosciuta osservando la reazione tra di esse. In questo caso, l'acido reagisce con la base in una reazione di neutralizzazione per formare un sale e acqua.

Quindi, se vogliamo misurare la concentrazione di ioni idrogeno in un acido, possiamo semplicemente titolare con una base forte con una concentrazione nota di ioni idrossido fino a quando l'acido non viene neutralizzato. Per eseguire una titolazione accurata, la base deve essere standardizzata, il che significa che si conosce l'esatta concentrazione di ioni idrossido. Questo non è sempre semplice.

Ad esempio, il NaOH, che utilizzerai nel tuo esperimento, è molto igroscopico, il che significa che assorbe l'acqua dall'atmosfera. Questo accade al NaOH sia come solido che in soluzione. Quindi, la vera concentrazione di una soluzione di NaOH potrebbe essere inferiore a quanto ci si aspetterebbe.

Per determinare l'esatta concentrazione di NaOH, dobbiamo prima eseguire una titolazione acido-base. Per fare ciò, è necessario utilizzare la base per titolare un acido con una concentrazione nota. L'idrogeno ftalato di potassio, KHP, è un acido non igroscopico, quindi possiamo calcolare con precisione la sua concentrazione dalla sua massa.

Possiamo vedere quando la titolazione è completa, il che significa che l'acido viene neutralizzato, utilizzando un indicatore di pH come la fenolftaleina. La fenolftaleina è neutra e incolore tra circa pH 0 e pH 8.

All'aumentare del pH, due ioni idrogeno si dissociano. Questa forma anionica è rosa. Quindi, quando iniziamo la titolazione, la soluzione di KHP è acida e la fenolftaleina è incolore. Man mano che aggiungiamo NaOH e gli ioni idrogeno vengono neutralizzati, il pH aumenta.

In questa reazione, la soluzione è neutra quando quantità uguali di acido e base sono state mescolate insieme. Dopodiché, l'aggiunta di un po' più di NaOH rende il pH basico e la soluzione diventa rosa. Questo è indicato come punto finale. Se conosciamo le moli di KHP e il volume di NaOH utilizzato per neutralizzarlo, possiamo calcolare l'esatta concentrazione della base.

Una volta che abbiamo una base standardizzata, possiamo determinare il pK_a di un acido titolando una concentrazione nota dell'acido con la nostra base standardizzata mentre monitoriamo il pH. Il grafico del pH rispetto al volume di base aggiunto è chiamato curva di titolazione. La curva di solito segue una forma a S o sigmoidale, dove il punto di flesso della parte più ripida della curva denota un punto di equivalenza.

Qui, le moli degli ioni idrossido e degli ioni idrogeno dissociati sono uguali. Come pK_a, vedremo un punto di equivalenza per ogni ione idrogeno dissociato. Quindi, un acido monoprotico ha un solo punto di equivalenza e un acido triprotico ne ha tre.

Quando eseguiamo la titolazione, sapremo di aver superato il punto di equivalenza in cui l'indicatore di pH passa a malapena da incolore a rosa. Questo è chiamato punto finale della titolazione. Come quando standardizziamo la base, questo è quando la soluzione ha un piccolo eccesso di ioni idrossido e quindi è leggermente basica.

Un altro punto di flesso nel grafico si verifica a metà del punto di equivalenza. Qui, le concentrazioni degli acidi dissociati e non dissociati sono uguali. Pertanto, il pH a questo punto è uguale al pK_a. Quindi, se eseguiamo una titolazione e determiniamo il volume del punto di equivalenza, possiamo calcolare pK_a come pH a metà di questo volume.

In questo laboratorio, prima standardizzerai la tua base e poi eseguirai una titolazione utilizzando quella base standardizzata per determinare due pK_a di un acido poliprotico.