Concetti Chiave
- Il pH misura il grado di acidità o basicità di una soluzione acquosa, con valori da 0 a 14; un pH < 7 indica acidità, un pH > 7 indica basicità, e pH = 7 indica neutralità.
- Il valore del pH può essere determinato usando indicatori chimici come cartine al tornasole, test kit chimici, e colorimetri digitali per una maggiore precisione.
- Il calcolo del pH si basa sul logaritmo decimale negativo della concentrazione molare degli ioni idrogeno H+; formule specifiche si applicano per acidi e basi forti e deboli.
- Le soluzioni tampone contengono un acido o base debole e il sale corrispondente, resistendo ai cambiamenti di pH con aggiunte moderate di acido o base.
- Il potere tamponante è massimo quando l'acido e il suo sale, o la base e il suo sale, hanno la stessa concentrazione, ovvero quando pH = pKa o pOH = pKb.
In questo appunto viene analizzato il pH, descrivendo le soluzioni tampone e riportando le maggiori caratteristiche.
Indice
Definizione di pH: cosa è, quali sono le caratteristiche principali e con quali strumenti calcolarlo
Il pH è una grandezza utilizzata per stabilire il grado di acidità o basicità di una soluzione acquosa. Può assumere valori da 0 a 14.In una soluzione acquosa sono presenti sia ioni idrogeno H+ e ioni ossidrili OH- e, a seconda se prevale la concentrazione di uno ione o dell’altro, avremo una soluzione più o meno acida. In particolare, esistono tre casi possibili:
- Prevalenza degli ioni idrogeno H+: soluzione acida (pH
- Prevalenza degli ioni ossidrile OH-: soluzione basica (pH > 7)
- Uguaglianza tra ioni idrogeno e ossidrile: soluzione neutra (pH = 7)
È possibile ottenere il valore del pH per via chimica, ricorrendo a sostanze (indicatori) che variano il proprio colore a seconda dell’acidità della soluzione. Sono noti tre possibili metodi:
- Cartine al tornasole
- Test kit chimici
- Colorimetri digitali
Le cartine al tornasole sono strisce di carta specifica, in grado di cambiare colore (generalmente, passando dal giallo al blu) a seconda dell’acidità o della basicità della soluzione.
I test kit chimici prevedono l’uso di un reagente che a contatto con la soluzione acquosa cambia colore in un dato intervallo di pH. È necessario confrontare il colore ottenuto con la scala di colori che associa un determinato pH ad un corrispondente colore.
I colorimetri digitali sono simili ai test kit chimici ma, in aggiunta, prevedono l’utilizzo di una sorgente luminosa (lampada a LED o al tungsteno) con un filtro e un rilevatore di luce. Determinano con precisione l’assorbanza e la concentrazione degli ioni idrogeno di una soluzione colorata. Tale metodo è molto più preciso, in quanto non è l’occhio umano a dover interpretare la variazione di colore.
Per ulteriori approfondimenti sul pH vedi qua
Formula per calcolare il pH di una soluzione acquosa
Come detto nel primo paragrafo, il pH dipende dalla concentrazione degli ioni idrogeno H+ della soluzione acquosa. Tale concentrazione di ioni idrogeno, misurata come molarità M (moli/volume), può variare di molti ordini di grandezza, passando da 10-14 mol/L a 1 mol/L. Per comodità, l’acidità viene espressa sotto forma di pH, così da avere valori interi compresi tra 0 e 14.
Il pH viene espresso matematicamente come il logaritmo decimale negativo della concentrazione molare degli ioni H+ nella soluzione. La formula per calcolare il pH, dunque, è la seguente:
pH = – log [H+]
Per calcolare la concentrazione di ioni idrogeno H+, dunque il pH, è necessario distinguere due casi:
- Soluzione acida (o basica) per la presenza di acido (o base) forte
- Soluzione acida (o basica) per la presenza di acido (o base) debole
Un acido forte (come l’acido cloridrico HCl) si dissocia completamente in acqua. La concentrazione dell’acido, dunque, sarà corrispondente a quella degli ioni idrogeno H+. Sostituendo tale concentrazione nella formula sopra riportata, sarà facile ricavare il pH della soluzione.
pH = – log [H+]
In presenza di una base forte, la concentrazione della base sarà uguale a quella degli ioni ossidrili OH-. Si calcola il pOH con la seguente formula:
pOH = – log [OH-]
Dopodiché, si ricava il pH sottraendo il valore ottenuto a 14:
pH = 14 – pOH
Un acido debole HA si dissocia solo in parte in acqua. Di conseguenza, la concentrazione degli ioni idrogeno H+ sarà diversa da quella dell’acido. In questo caso, quindi, risulta necessario calcolare la concentrazione degli ioni H+ tenendo conto della costante di dissociazione acida ka:
ka = ( [H+] x [A–] ) / [HA]
Poiché all’equilibrio la concentrazione di H+ è uguale a quella di A–, la formula diviene:
ka = [H+]2 / [HA]
Da tale formula è possibile ricavare la concentrazione di ioni idrogeno H+:
[H+] = √ (Ka ∙ [HA])
Sostituendo il risultato nella formula del pH, otteniamo:
pH = – log ( √Ka ∙ [HA] )
In presenza di una base debole, è necessario calcolare in modo analogo il pOH tenendo conto della costante di dissociazione basica Kb. Dal valore di pOH ottenuto, si ricava per differenza il pH (come per il caso delle basi forti).
Per ulteriori approfondimenti su come calcolare il pH di una soluzione acquosa vedi qua
Esempio di calcolo del pH: problemi risolti
Quale è il pH di una soluzione contenente acido cloridrico HCl 0,1 M?
[HCl] = 0,1 M
Poiché HCl è un acido forte: [H+] = [HCl] = 0,1 M
pH = – log [H+] = – log (0,1) = 1
Definizione di soluzione tampone: cosa è e quali sono le caratteristiche principali
Le soluzioni tampone sono particolari soluzioni che mantengono inalterato il pH a seguito di modeste aggiunte di un acido oppure di una base.Generalmente, tali soluzioni contengono:
- Un acido debole e il sale corrispondente (formato con una base forte)
- Una base debole e il sale corrispondente (formato con un acido forte)
Sono caratterizzate da uno specifico potere tamponante. Tale valore rappresenta quantitativamente la capacità della soluzione di mantenere invariato il suo pH. Il valore è massimo quando l'acido e il suo sale oppure la base e il suo sale hanno la stessa concentrazione e il loro rapporto è uguale a 1, ovvero quando pH = pKa o pOH = pKb.
Per ulteriori approfondimenti sulla definizione di soluzione tampone vedi qua
Domande da interrogazione
- Che cos'è il pH e quali sono le sue caratteristiche principali?
- Quali metodi esistono per misurare il pH di una soluzione?
- Come si calcola il pH di una soluzione acquosa?
- Cosa sono le soluzioni tampone e quali sono le loro caratteristiche?
- Come si calcola il pH di una soluzione contenente un acido forte come HCl?
Il pH è una misura del grado di acidità o basicità di una soluzione acquosa, con valori che vanno da 0 a 14. Una soluzione è acida se prevalgono gli ioni idrogeno H+, basica se prevalgono gli ioni ossidrili OH-, e neutra se i due ioni sono in equilibrio.
Il pH può essere misurato usando cartine al tornasole, test kit chimici e colorimetri digitali, che variano nel modo in cui determinano il colore o l'assorbanza della soluzione.
Il pH si calcola come il logaritmo decimale negativo della concentrazione molare degli ioni H+ nella soluzione, usando la formula pH = – log [H+].
Le soluzioni tampone sono soluzioni che mantengono stabile il pH anche con l'aggiunta di acidi o basi. Contengono un acido debole e il suo sale o una base debole e il suo sale, e hanno un potere tamponante massimo quando il rapporto tra acido e sale o base e sale è 1.
Per un acido forte come HCl, che si dissocia completamente, la concentrazione degli ioni H+ è uguale alla concentrazione dell'acido. Il pH si calcola con la formula pH = – log [H+], ad esempio per HCl 0,1 M, il pH è 1.
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