Approfondimento sul pH

Prodotto ionico dell’acqua

La premessa per poter calcolare il pH di qualsiasi soluzione è quella di sapere come si comporta l’acqua e osservare la reazione che avviene al suo interno, questa può essere considerata come una reazione in cui una molecola di acqua si comporta da acido, (cedendo un protone H+) e l’altra da base (accetta un protone, H+)

H2 O + H2 O  ↓ OH – + H 3 O+

O come una dissociazione:H2 O ↓ H+ + OH-

Ora scriviamo la K di equilibrio:

   [ H+ ] â^(TM) [OH- ]

_________________ =  K

   [H2 O]  

Possiamo considerare il fatto che la concentrazione dell’acqua indissociata è uguale a quella dell’acqua pura totale dato che le molecole dissociate in ioni sono pochissime, di conseguenza la concentrazione dell’acqua è sempre costante(55,56mol/L) per scoprire la concentrazione di H e OH facciamo :

[ H+ ] â^(TM) [OH- ] = [H2 O] â^(TM) K 

Portiamo quindi [H2 O] al secondo membro

[H2 O] â^(TM) K è a sua volta una costante perché prodotto di due costanti la chiameremo Kw : prodotto ionico dell’acqua

Kw vale 10-14 mol/L

[ H+ ] â^(TM) [OH- ] = Kw

La concentrazione di ioni H+ e OH- nell’acqua è uguale a Kw

Questo prodotto è uguale per l’acqua pura come per le altre soluzioni acquose.

Nel caso dell’acqua pura per ogni ione H+ si forma uno ione OH- di conseguenza la loro concentrazione sarà uguale. Se il loro prodotto è 10-14 la concentrazione di ognuno sarà di 10-7

Variazione della concentrazione di H e OH in diversi tipi di soluzioni

·  Le soluzioni che in acqua non danno origine a ioni H o OH (non sono né acidi né basi) sono sostanze neutre, la concentrazione di H e OH rimane invariata rispetto a quella dell’acqua pura

·  Nelle soluzioni acide la dissociazione dell’acido forma molti più ioni H, la loro concentrazione è maggiore che nell’acqua pura mentre quella degli ioni OH diminuisce a causa del prodotto che deve rimanere costante

·  Nelle soluzioni basiche avviene l’opposto, a dissociazione crea molti più ioni OH e diminuisce la concentrazione degli ioni H

Definizione di pH

E’ opportuno stabilire una scala per calcolare immediatamente il diversi gradi di acidità e basicità di una soluzione acquosa dato che è scomodo considerare le concentrazioni moltiplicate per le diverse potenze di dieci, consideriamo così gli esponenti del dieci che variano in modo più limitato

Il pH viene quindi definito come l’opposto del logaritmo decimale della concentrazione di ioni H+

Le soluzioni con un valore del pH minore a 7 sono considerate acide perché i protoni H+ hanno una concentrazione moltiplicata per dieci, i cui esponenti variano da 0 a -7, quindi hanno una concentrazione relativamente alta.

Le soluzioni con un pH superiore a 7 sono basiche perché la concentrazione di H+ è moltiplicata per dieci, con esponenti che variano da -7 a -14.

Si puo anche considerare il pOH che invece è il logaritmo decimale negativo della concentrazione di ioni oh-

pOH + pH = 14 è un valore costante: in ogni concentrazione il pH + il pOH vale 14

Calcolare il pH della soluzione di un acido forte

Dato che un acido forte è completamente dissociato in ioni potremo risalire alla concentrazione degli ioni H+ calcolando la concentrazione dell’acido iniziale.

Da ogni molecola di acido che si dissocia in ioni infatti otterremo tanti ioni H+ quanti sono inizialmente in ogni molecola.

Per calcolare quindi la concentrazione degli ioni H+ basterà calcolare la normalità cioè il numero degli ioni H+ buttati fuori da ogni molecola dissociata, la normalità è uguale alla molarità dell’acido moltiplicata per il numero di atomi H che ci sono in una molecola.

Dopo si dovrà scrivere la concentrazione di ioni come una potenza di dieci e a questo punto di calcola il pH facendo il logaritmo negativo di 10

Calcolare il pH della soluzione di una base forte

In questo caso si calcola la concentrazione degli ioni OH invece che H il procedimento comunque è lo stesso, sapendo la concentrazione degli ioni OH si può arrivare alla concentrazione degli ioni H con lequazione del prodotto ionico oppure si può calcolare il pOH e poi considerare che pH+ pOH fa 14 e togliere al valore di 14 il pOH arrivando a calcolare così il valore del pH.

Che cosa sono gli indicatori.

Gli indicatori sono composti chimici di natura organica che assumono colore diverso a seconda che vengano a contatto con un acido o con una base : servono quindi ad indicare se una soluzione è acida o basica. il colorante estratto dalle foglie di tè è appunto un indicatore,infatti quando si aggiunge del limone al tè quest’ultimo diventa di colore più chiaro a causa dell’aggiunta della sostanza acida, si può riportare il tè al colore scuro originario aggiungendo un po di bicarbonato di sodio che è un composto basico e annulla l’effetto del limone.

Il comportamento degli indicatori

Gli indicatori sono acidi deboli o basi deboli, in genere organici (le molecole degli acidi e delle basi deboli non si dissociano in ioni). Consideriamo il caso in cui lindicatore sia un acido debole. Nello studiarne il comportamento come indicatore ci interessano le sue caratteristiche di acido, cioè la sua capacità di dissociarsi in ioni, mentre non ci interessano la sua natura o struttura del resto della molecola. Per questo denotiamo genericamente lindicatore con la formula HIn, dove H segnala la sua natura di acido, cioè la presenza di un atomo di idrogeno che può separarsi come ione H+ e In rappresenta l’insieme di tutti gli altri atomi della molecola.

In soluzione acquosa lindicatore si dissocia in ioni secondo l’equilibrio :

HIn  ↓ H+  +  In- 

Le specie HIn e  In-  interagiscono con la luce e, quindi, determinano il colore diverso della soluzione: questa è la proprietà su cui si basa l’uso degli indicatori .

·  In una soluzione acida la concentrazione di ioni H+ è elevata. Di conseguenza secondo il principio di Le Chateleir l’equilibrio dellindicatore è spostato verso sinistra. Possiamo dire che le molecole dellindicatore sono praticamente tutte indissociate, predomina quindi il colore determinato da HIn e questo è il colore che viene assunto dalla soluzione acida nella quale sia stato messo lindicatore (rosso).

·  In una soluzione basica la concentrazione di ioni OH – è elevata, quella degli ioni  H+  è molto bassa. Le molecole di HIn si dissociano in ioni In- e ioni H+ ; questi ultimi reagiscono con gli ioni OH – presenti nella soluzione per dare molecole di acqua, quindi vengono sottratti all’equilibrio. Ciò fa sì che l’equilibrio dellindicatore sia spostato verso destra, predomina quindi il colore determinato dalla specie In- e questo è il colore che viene assunto dalla soluzione basica nella quale sia stato messo lindicatore (blu).

Il valore del pH per il quale avviene il cambiamento di colore si chiama pH di viraggio, o punto di viraggio.

Indicatori universali

Un esempio di indicatore universale è la cartina tornasole, che è un insieme di più indicatori ed è in grado di cambiare colore visibilmente a seconda del grado di ph della soluzione. In laboratorio per determinare velocemente il ph di una soluzione si usa una scala di colori con cui si può visibilmente ricondurre il colore dellindicatore a un preciso grado di ph

Tabella con i più comuni indicatori

Nella tabella presente sono riportati i nomi dei più comuni indicatori: il valore di PH per il quale avviene il cambiamento di colore; il colore della soluzione per valori di PH inferiori o superiori a quelli di viraggio.

Come realizzare un indicatore domestico

Prendi un cavolo rosso e taglialo a metà, fallo bollire in acqua, mescola bene e lascialo a bagno per circa 15 minuti. Versa poi l’acqua attraverso un setaccio. Questacqua di colore viola-blu è il tuo indicatore : infatti se aggiungi una base come il bicarbonato di sodio, il liquido dovrebbe schiarirsi e diventare blu-verde ; se aggiungi un acido, come il succo di limone, dovrebbe diventare rossastro o rosa.

Samuele Gaudio