15.11: Determinazione del pH delle soluzioni saline

Il pH di una soluzione salina è determinato dai suoi componenti anioni e cationi. I sali che contengono anioni a pH neutro e i cationi che producono ioni idronio formano una soluzione con un pH inferiore a 7. Ad esempio, nella soluzione di nitrato di ammonio (NH_4NO_3), gli ioni NO_3^− non reagiscono con l'acqua mentre gli ioni NH_4^+ producono gli ioni idronio ottenendo la soluzione acida. Al contrario, i sali che contengono cationi a pH neutro e anioni che producono ioni idrossido formano una soluzione con un pH maggiore di 7. Ad esempio, nella soluzione di fluoruro di sodio (NaF), l’Na^+ è a pH neutro ma l'F^- produce il ioni idrossido e forma la soluzione basica. I controioni di un acido o di una base forte sono a pH neutro e i sali formati da tali controioni formano una soluzione neutra con un pH pari a 7. Ad esempio, in KBr, il catione K^+ è inerte e non influenza il pH. Lo ione bromuro è la base coniugata di un acido forte, e quindi ha una forza basica trascurabile (nessuna ionizzazione apprezzabile della base). La soluzione è neutra.

Alcuni sali contengono sia un catione acido che un anione basico. L'acidità o la basicità complessiva di una soluzione è determinata dalla forza relativa del catione e dell'anione, che può essere confrontata utilizzando K_a e K_b. Ad esempio, in NH_4F, lo ione NH_4^+ è acido e lo ione F^− è basico (base coniugata dell'acido debole HF). Confrontando le due costanti di ionizzazione: la K_a di NH_4^+ è 5,6 × 10^−10 e la K_b di F^− è 1,6 × 10^−11, quindi la soluzione è acida, poiché K_a > K_b.

Calcolo del pH di una soluzione salina acida

L'anilina è un'ammina utilizzata per produrre coloranti. Viene isolato come cloruro di anilinio, [C_6H_5NH_3^+]Cl, un sale preparato dalla reazione della base debole anilina e acido cloridrico. Qual è il pH di una soluzione 0,233 M di cloruro di anilinio?

La K_a dello ione anilinio deriva dalla K_b della sua base coniugata, l'anilina:

Utilizzando le informazioni fornite, viene preparata una tabella ICE per questo sistema:

Sostituendo questi termini di concentrazione all'equilibrio nell'espressione K_a si ottiene

Assumendo x << 0,233, l'equazione viene semplificata e risolta per x:

La tabella ICE definisce x come la molarità degli ioni idronio, quindi il pH viene calcolato come

Idrolisi di [Al(H_2O)_6]_3^+

Calcolare il pH di una soluzione 0,10 M di cloruro di alluminio, che si dissolve completamente per dare lo ione alluminio idratato [Al(H2O)6]3+ in soluzione.

L'equazione per la reazione e K_a è:

È disponibile una tabella ICE con le informazioni fornite

Sostituendo le espressioni per le concentrazioni di equilibrio nell'equazione per la costante di ionizzazione si ottiene:

Assumendo x << 0,10 e risolvendo l'equazione semplificata si ottiene:

La tabella ICE definisce x come uguale alla concentrazione di ioni idronio, quindi il pH calcolato è 2,92 e la soluzione è acida.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 14.4: Hydrolysis of Salts

Le soluzioni saline possono essere acide, basiche o neutre. I singoli ioni possono essere esaminati per determinare se il pH della sua soluzione sarà inferiore, superiore, o uguale a sette. I sali che contengono cationi e anioni a pH neutro formano soluzioni neutre.

Questi sali sono composti dai controioni di un acido forte e di una base forte. Una soluzione acquosa pura di nitrato di potassio avrà un pH di 7, poiché né il potassio, né il nitrato hanno proprietà acide o basiche. I sali che contengono un catione, che è il controione di una base debole, e un anione, che è il controione di un acido forte, avranno un pH inferiore a 7.

In una soluzione di bromuro di ammonio, gli ioni bromuro sono a pH neutro, mentre gli ioni di ammonio sono acidi e donano protoni alle molecole d'acqua. I sali che contengono un catione, che è il controione di una base forte, e un anione, che è il controione di un acido debole, avranno un pH maggiore di 7. In una soluzione di acetato di sodio, gli ioni del sodio sono a pH neutro, mentre gli ioni di acetato sono basici e accettano protoni dalle molecole d'acqua.

Alcuni sali contengono un catione e un anione, i quali sono controioni, rispettivamente, di un acido debole e di una base debole. La soluzione sarà acida se il valore della Ka del catione è maggiore del valore della Kb dell'anione;basica se il valore della Kb dell'anione è superiore al valore della Ka del catione;oppure neutro se Ka e Kb sono uguali. In una soluzione di nitrito di ammonio, la Ka per l'ammonio è superiore alla Kb per gli ioni nitrito;dunque la soluzione sarà acida.

Il pH esatto di una soluzione salina contenente uno ione acido o basico può essere determinato utilizzando la costante di dissociazione per l'acido coniugato o per la base di quello ione. Il pH del cianuro di sodio 0, 35 M può essere determinato calcolando il valore della Kb del cianuro dalla Ka del suo acido coniugato acido cianidrico e impostando una tabella ICE per determinare la concentrazione di equilibrio. Poiché i cationi di sodio non reagiscono con l'acqua, non influenzano il pH e possono essere omessi.

Al contrario, gli ioni cianuro accettano protoni dalle molecole d'acqua e generano ioni idrossido. La Kb per gli ioni di cianuro può essere determinata utilizzando l'equazione Ka per Kb è uguale a Kw.Poiché la Ka per l'acido cianidrico è 4, 90 10⁻¹⁰, la Kb per gli ioni cianuro è 2, 04 10⁻⁵. Lal Kb è uguale alla concentrazione di acido cianidrico moltiplicata per la concentrazione di ioni idrossido divisa per la concentrazione di ioni cianuro.

È possibile costruire una tabella ICE per illustrare le concentrazioni iniziale e di equilibrio. Sostituendo le concentrazioni di equilibrio nell'espressione, Kb è uguale a x volte x diviso per 0, 35, che può essere verificato in seguito con la regola del 5 percento. Dopo aver risolto l'equazione, x è uguale a 2, 7 10⁻³ molare.

Poiché x è solo lo 0, 77%di 0, 35 M, l'approssimazione 0, 35 meno x è uguale a 0, 35 è valida. Il pOH della soluzione può essere calcolato prendendo il log negativo di 2, 7 10⁻³ M, che è uguale a 2, 57. Il pH della soluzione viene determinato utilizzando l'equazione pH più pOH è uguale a 14;pertanto, il pH di questa soluzione di cianuro di sodio è 11, 43.